基于BIM+GIS 技術(shù)的軌道交通工程信息化管理研究

路林海 ，胡冰冰 ，李志國 ，韓祥軍 ，韓 林 ，楊小鳳

（1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200082）

引言

我國大約有接近40 個(gè)城市已運(yùn)營軌道交通，運(yùn)營里程超過5800 公里，如此大范圍隧道建設(shè)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、共享、分析等一系列問題，在工程勘查、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、維護(hù)管理等方面造成不少困難。因此，需要研究通過BIM、GIS 等信息化技術(shù)的手段有效收集和處理工程數(shù)據(jù)和信息。

目前國內(nèi)外眾多學(xué)者在BIM 和GIS 信息化技術(shù)應(yīng)用方面已開展了大量研究。黃廷等[1]人構(gòu)建了以BIM 為基礎(chǔ)的工程建設(shè)管理系統(tǒng)，達(dá)到隧道運(yùn)維可視化的效果；林曉東等[2]人依據(jù)BIM 的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，提出適用于盾構(gòu)的信息模型，把BIM 技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)隧道工程。陳光等[3]人根據(jù)道路工程信息化特征，提出基于LandXML 的道路信息模型與三維GIS 數(shù)據(jù)的集成方式。本文以濟(jì)南軌道交通R1 線為工程背景，結(jié)合軌道交通BIM 的結(jié)構(gòu)模型和GIS 的空間信息地理模型，研發(fā)出濟(jì)南軌道交通R1 線工程建設(shè)信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM+GIS 平臺(tái)的軌道交通工程信息化管理。

1 軌道交通工程信息化分析

1.1 軌道交通工程信息化必要性

工程項(xiàng)目具有復(fù)雜性和非標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，隨著建設(shè)參加單位的增多，各單位之間的溝通協(xié)調(diào)難度也相應(yīng)增加，而各單位相互之間的協(xié)同效應(yīng)對工程建設(shè)的效果也有非常重要的影響。在項(xiàng)目實(shí)施過程中各單位實(shí)時(shí)得到項(xiàng)目的海量數(shù)據(jù)難度較大，不能抓取實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，只能根據(jù)之前的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。各種原因共同造成工程項(xiàng)目進(jìn)度滯后、資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重[4-6]。

針對此類工程特點(diǎn)，BIM 和GIS 技術(shù)的應(yīng)用可以在很大程度上解決該類問題。GIS 以直觀的地理圖形方式獲取、儲(chǔ)存、管理、計(jì)算、分析和顯示與地球表面位置有關(guān)的各類信息和數(shù)據(jù)[7-8]；BIM 技術(shù)具備數(shù)字化、可視化、真實(shí)化的特征，對于工程項(xiàng)目的可視化管理、信息共享以及決策支持具有極大的幫助[9-10]。

在充分研究分析傳統(tǒng)軌道交通工程管理模式的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納BIM+ GIS 工程信息化管理方法的優(yōu)點(diǎn)：（1）促進(jìn)不同參與單位、不同層級之間關(guān)于項(xiàng)目數(shù)據(jù)信息的共享，提高了不同單位、層級之間溝通效率；（2）將GIS和BIM 的分析特點(diǎn)和工作模式融入到工作中，對外在工具和手段的依賴程度降低；（3）工作流程和顯示效果簡單明了，方便業(yè)主和外部人員等非專業(yè)人士查看和理解。

圖1 總體框架圖

1.2 軌道交通信息化建設(shè)總體框架

軌道交通信息化總體建設(shè)思路是以互聯(lián)網(wǎng)為傳遞平臺(tái)，以信息化為手段，通過引入BIM、GIS 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能夠保證各參建方對于信息有效共享的工程管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示，架構(gòu)層次從下往上依次為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層以及功能層，數(shù)據(jù)層以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，運(yùn)用系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)綜合處理BIM 數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)、工程資料信息等。服務(wù)層包含BIM 模型服務(wù)、地圖應(yīng)用服務(wù)、操作日志服務(wù)等。功能層結(jié)合軌道交通業(yè)務(wù)以界面模塊的形式展現(xiàn)給用戶，包含碰撞檢測、工程檔案管理、設(shè)計(jì)管理、進(jìn)度計(jì)劃管理等功能。

2 BIM+GIS 與軌道交通融合技術(shù)

2.1 BIM 與GIS 融合建立工程建設(shè)場景

三維GIS 以數(shù)據(jù)庫技術(shù)為依托，能夠?qū)崿F(xiàn)對宏觀場景的綜合管理，其中包含海量三維地理信息相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為BIM 模型的構(gòu)建與展示提供有力支持[11]。

首先，結(jié)合項(xiàng)目內(nèi)容與現(xiàn)有GIS 平臺(tái)構(gòu)建全線地理信息場景，同時(shí)在該基礎(chǔ)上與BIM 模型相對應(yīng)搭建高精度數(shù)字高程模型，形成三維地理信息數(shù)據(jù)庫，并添加附近建筑物、河流、地形以及區(qū)域名稱等信息。然后在平面坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換BIM 模型坐標(biāo)參數(shù)，并根據(jù)調(diào)整完畢后的BIM 模型偏移以及方位數(shù)據(jù)，將BIM 模型批量添加至GIS 里。

2.2 基于BIM 的工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理

BIM 技術(shù)在軌道交通工程項(xiàng)目應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)項(xiàng)目情況對BIM 模型所涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新編排，并從勘察、設(shè)計(jì)階段開始不斷完善豐富數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對象和模型對象的統(tǒng)一。通過工程建設(shè)模型結(jié)構(gòu)分解、屬性編碼及生成結(jié)構(gòu)樹，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)及應(yīng)用。

按照軌道交通項(xiàng)目工程的設(shè)計(jì)、施工等計(jì)劃對BIM模型進(jìn)行充分、細(xì)致的單元分解，直到能夠到達(dá)BIM 建模管理精度的要求。以軌道交通隧道工程作為示范，軌道交通建設(shè)過程會(huì)涉及多個(gè)隧道工程的開挖、支護(hù)等，隧道工程往往又包含多個(gè)隧道區(qū)間，隧道區(qū)間由初支、洞門、管片等不同對象構(gòu)成，每一個(gè)對象又能夠按照相關(guān)文件更近一步的劃分。

2.3 BIM 模型輕量化技術(shù)

對于大型工程而言其BIM 模型體量也十分龐大，需要高配置的計(jì)算機(jī)進(jìn)行渲染、處理，存在加載速度慢、占用資源多等問題，故需要對BIM 模型進(jìn)行輕量化處理。

（1）數(shù)模分離

一個(gè)完整的BIM 模型通常包括幾何數(shù)據(jù)和非幾何數(shù)據(jù)，幾何數(shù)據(jù)為二維、三維數(shù)據(jù)等；非幾何數(shù)據(jù)包括構(gòu)件屬性等數(shù)據(jù)。通過對模型中的幾何數(shù)據(jù)和非幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，將非幾何數(shù)據(jù)剝離出去，導(dǎo)出為JSON、IFC 等格式，供BIM 應(yīng)用開發(fā)使用。

（2）幾何數(shù)據(jù)優(yōu)化

一個(gè)BIM 模型中往往存在較多尺寸大小相同的結(jié)構(gòu)，若這些結(jié)構(gòu)在模型中都逐一生成，難免會(huì)增加模型的數(shù)據(jù)量，如果只保留一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其它通過引用+空間坐標(biāo)相結(jié)合的方式進(jìn)行調(diào)用，避免相同數(shù)據(jù)重復(fù)加載，提高模型生成及渲染效率。

（3）模型數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染

利用電腦內(nèi)存和GPU 實(shí)現(xiàn)模型邊下載邊渲染的效果，通過自動(dòng)計(jì)算視點(diǎn)與模型的距離，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的輪廓模型和精細(xì)模型的加載與渲染，節(jié)省模型下載到本地的時(shí)間，提高系統(tǒng)對模型的渲染效率。

圖2 機(jī)電管線設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

圖3 軌道交通虛擬建造

3 R1 線工程信息化平臺(tái)建設(shè)

3.1 工程背景

濟(jì)南市軌道交通R1 號(hào)線正線全長26.1 公里，其中高架線16.2 公里，地下線7.9 公里。共設(shè)11 座車站，其中換乘車站4 座，擁有車輛基地1 座。

3.2 碰撞檢測及設(shè)計(jì)優(yōu)化

目前軌道交通相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但不同專業(yè)的設(shè)計(jì)內(nèi)容可能會(huì)產(chǎn)生沖突。濟(jì)南軌道交通1 號(hào)線全部專業(yè)的模型整體出來后，根據(jù)三維模型本身的特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)碰撞檢測，并采用漫游方式對已經(jīng)做出的模型進(jìn)行邏輯規(guī)則檢測，預(yù)先對管線開展碰撞檢測，提早暴露問題既能夠幫助在之后的工作過程中改善效率，也能夠把其當(dāng)做2D 向3D 變化的過程。在設(shè)計(jì)變更階段，當(dāng)某一環(huán)節(jié)發(fā)生改變，能夠一目了然的發(fā)現(xiàn)該環(huán)節(jié)對其它環(huán)節(jié)在工程進(jìn)度以及造價(jià)方面的影響。

3.3 隧道管片管理

通過GIS 技術(shù)直觀展示隧道管片所在范圍，選中相關(guān)范圍后科調(diào)出隧道管理BIM 模型，實(shí)現(xiàn)軌道交通在GIS 技術(shù)與BIM 模型的有機(jī)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到項(xiàng)目結(jié)束的最終完成效果，從而幫助建設(shè)方案進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化。基于BIM 模型以及GIS 技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)建使工程項(xiàng)目二維進(jìn)度表現(xiàn)形式向三維可視化形式轉(zhuǎn)換，從而更有利于相關(guān)單位或工作人員查閱、掌握工程信息特征，并且在沒有增加相關(guān)單位工作任務(wù)的基礎(chǔ)上，使系統(tǒng)能夠較為可靠的將上報(bào)數(shù)據(jù)與BIM 模型進(jìn)行雙向關(guān)聯(lián)與融合。

3.4 工程檔案管理

基于BIM+GIS 融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道交通協(xié)同管理，依據(jù)BIM 數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)、工程管理信息搭建明確的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系。系統(tǒng)可按照使用人員的需求把規(guī)劃設(shè)計(jì)、過程資料、歸檔資料等內(nèi)容歸并在一起形成相應(yīng)的工程檔案管理模塊。并且能夠幫助工作人員實(shí)時(shí)掌控項(xiàng)目情況，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、監(jiān)測、施工等多部門統(tǒng)一管理，減少各部門因溝通困難造成的經(jīng)濟(jì)以及時(shí)間損失。各部門通過系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查看設(shè)計(jì)方案等相關(guān)資料，提出疑問，提高工作效率，并把全部設(shè)計(jì)、施工資料錄入系統(tǒng)中，為之后變更、改造提供可靠的技術(shù)支撐。

4 結(jié)束語

在該軌道交通項(xiàng)目建設(shè)中融合BIM+GIS 技術(shù)，保證項(xiàng)目整體建設(shè)過程能夠?qū)崿F(xiàn)信息的關(guān)聯(lián)、互通，全方位、多角度的表達(dá)了R1 線路整體和局部內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)集成下軌道交通的信息協(xié)同，大大提交了工程管理的效率，也為以軌道交通為代表的長線項(xiàng)目以及大規(guī)模區(qū)域性工程建設(shè)提供了良好的示范，主要解決了以下兩方面的問題：

（1）BIM+GIS 技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)工程建設(shè)時(shí)單體工程與整體項(xiàng)目信息管理無法有效兼顧的問題。通過融合BIM 和GIS 技術(shù)構(gòu)建軌道交通工程項(xiàng)目場景，系統(tǒng)用戶能夠直觀、全面的了解項(xiàng)目建設(shè)情況，為管理者決策提供有力支持。

（2）以互聯(lián)網(wǎng)為搭建基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目參建各方信息共享、協(xié)同辦公，為各單位提供一個(gè)協(xié)同處理項(xiàng)目工作的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)信息的及時(shí)共享與高效傳達(dá)。