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城市軌道交通BIM-GIS融合技術研究與實現
摘要:分析了城市軌道交通BIM-GIS融合技術的研究路線、數據分類、建模標準、模型構建、多源異構數據標準化處理, 并通過實例研究了BIM-GIS數據庫平臺的實現目標、技術路線、系統構架和功能。實踐證明,融合BIM和GIS技術進行平臺實現,提升了城市軌道交通系統復雜數據信息的智能化應用水平。
關鍵詞:BIM;GIS;融合;城市軌道交通;數據庫平臺
目前,BIM技術在我國已廣泛應用于建筑行業(yè),尤其是在民用建筑領域、BIM標準、基礎軟件及管理平臺均較成熟。城市軌道交通工程因屬于線性工程,不僅跨線長、跨區(qū)多、涉及專業(yè)多、協調難度大,而且周邊環(huán)境復雜,安全要求高,因此其建設運營一體化應用的需求較為集中。但現階段,城市軌道交通工程應用BIM技術還存在諸多問題:
① 城市軌道交通工程的基礎BIM軟件尚不成熟,未能形成統一的數據標準;
② 城市軌道交通工程建設涉及的環(huán)境因素多、條件復雜,傳統的 BIM技術無法集成所有的數據信息;
③ BIM模型數據量大,模型輕量化技術和移動互聯技術落后,限制了其在設計、施工中的便捷應用。為此,筆者借助GIS技術的空間數據管理、大場景調度等優(yōu)勢,將BIM與其融合開發(fā)了基礎的BIM-GIS數據庫平臺,進行了基于BIM的建設、運維、管理的技術應用研究DT。
1.1 研究路線
BIM-GIS融合技術的研究路線是:首先,分析城市軌道交通工程建設過程中的BIM數據種類及來源;其次,確定BIM模型數據的構建標準;最后,研究模型數 據處理工具,將BIM模型標準化處理為GIS數據,以便于基礎數據庫平臺加載。BIM-GIS融合技術研究路線見圖1。
1.2 BIM數據分類
城市軌道交通工程涵蓋的BIM數據按應用場景可分為空間基礎數據和業(yè)務專題數據2類,其具體分類見表1。
同類型的數據具有不同的采集方法和技術要求,具體情況見表2。
1.3 BIM建模標準
BIM建模的標準包括一般規(guī)定(總體要求、建模目標、建模依據、軟硬件資源配置)、基本要求(基本原則、 建模范圍、模型拆分原則、命名規(guī)則、模型配色)、建模方法(項目基點設置、標高系統設置、模型繪制、附加信息的錄入、模型繪制注意事項、模型深化)、模型自檢(模型檢查方法與要點、模型檢查內容)、模型輕量化處理(清除外部鏈接文件、清除多余的內部構件、清除多余視圖樣板)等幾方面內容。BIM 建模采用了 Autodesk Revit 2015/2016 系列、 NavisWorks 2015/2016 系列和 Autodesk 3D Max 2015/ 2016系列等基礎軟件,同時對項目文件夾、模型文件、 模型構件、構件材質等均提出了命名要求。其中,項目 文件夾的命名要求見圖2。
1.4 BIM模型構建
根據BIM建模標準制定城市軌道交通工程的專業(yè)項目樣板,所有專業(yè)的BIM工程師均需在統一的項目樣板下工作,以確保所有構件信息統一。BIM模型構 建工作流程見圖3。
1.5 多源異構數據標準化處理
為了使不同來源、不同格式、不同時期的結構化和非結構化的多源異構數據能夠融合、集成,數據調度采用虛擬空間數據引擎的方式實現多源異構數據的直接訪問。數據處理工具可使不同類型、不同格式的原始數 據在進入數據庫之前即被轉化為數據庫平臺支持的 統一格式數據,并能夠根據勘測數據展現三維地質模 型,不僅保證了數據的一致性和準確性,而且經過處理 的數據可以方便地直接導入數據庫平臺。數據處理工 具介紹見表3。
2.1 實現目標
該平臺實現的總體目標是建立基于BIM-GIS的 基礎數據庫平臺,以使城市軌道交通工程的多源數字模型及相關數據能夠更好地融合,實現三維可視化集成展示及快速瀏覽查看。
1) 支持多源模型數據的三維融合展示,能夠對合并的模型數據進行檢查,支持具有真實感的大場景動態(tài)調度;
2) 支持PC端、移動端、大屏幕等多種方式的模型漫游瀏覽;
3) 支持三維可視化漫游瀏覽、屬性查詢及大數量的查詢調度;
4) 可集成視頻監(jiān)控、實時監(jiān)測等外部業(yè)務系統, 并可在三維場景中對施工建設過程進行實時監(jiān)測,積極防范安全風險。
2.2 技術路線
數據庫平臺的總體技術路線包括模型數據采集和數據庫平臺建設。針對不同類型的模型數據采用不同的采集方法,最終導入數據庫中,實現多源數據的融合,并構建基于三維GIS引擎的數據庫平臺。BIM-GIS數據庫平臺實現的技術路線見圖4。
基于空間數據庫、業(yè)務數據庫和外部業(yè)務系統數據,采用三維GIS技術構建數據庫平臺,實現了以三維可視化的方式提供模型數據的漫游瀏覽、信息檢索、視頻監(jiān)控、實時數據監(jiān)測等功能。該數據庫平臺支持C/S結構和B/S結構混合模式,其中C/S結構可實現模型數據的采集和編輯,B/S結構可實現模型數據的瀏覽、 查詢和監(jiān)測。
2.3 系統架構
數據庫的建設不僅要滿足當前項目的模型數據和應用功能要求,而且還要滿足后續(xù)地鐵線路模型數據和應用功能的拓展,因此該平臺的體系架構要具有較好的靈活性、擴展性和開放性。BIM-GIS數據庫平臺采用分層模塊化的SOA架構思想,實現了跨系統、 跨平臺、跨語言的信息互聯互通。BIM-GIS數據庫平臺的體系架構見圖5。
2.4 功能設計
2. 4.1 漫游瀏覽
B1M-GIS數據庫平臺可以進行工程實施范圍內的模型瀏覽和地形瀏覽。BIM-GIS數據庫平臺場景瀏覽見圖6。
2. 4.2 分解結構樹
分解結構樹(Subway Breakdown Structure,以下簡 稱SBS)是以樹形結構的方式展示場景模型的組織結構,可用線路、專業(yè)、類型、構件名稱等漸進式層級結構來展現。該樹形結構的每個節(jié)點均具有復選框,以此來控制該構件的顯示或隱藏。SBS的瀏覽方式見表4。
2. 4.3 圖檔瀏覽
可以快速瀏覽與工點、部位相關聯的0伍ce文檔、 DWG圖紙和視頻資料等。BIM-GIS數據庫平臺的視頻資料在線瀏覽見圖7。
2. 4.4 二、三維聯動
BIM-GIS數據庫平臺中的二維DWG圖紙可與BIM模型進行聯動操作。BIM-GIS數據庫平臺的二、三維聯動操作見圖8。
2. 4.5 空間分析
可以在BIM-GIS數據庫平臺的三維模型中對構件的空間信息進行分析,包括計算空間距離、實時操作面剖切和體剖切等。BIM-GIS數據庫平臺的實時面剖切見圖9。
某地鐵工程線路全長22.4km,全部為地下線。該工程共設10座車站,車輛段1座,計劃于2020年底建成通車。該工程現已全線開工,正在進行場地臨建和臨時結構的施工,包括豎井、橫通道開挖、基坑、圍護結構等。該工程全線采用BIM-GIS融合技術,并進行了平臺實現。
3.1 全線模型構建
根據勘察資料、地形圖、地下市政管線圖等資料, 該工程采用了統一的坐標系構建全線環(huán)境模型。其建模范圍為車站邊界200m范圍內、區(qū)間邊界外100m范圍;其建模精度為車站周邊建筑模型精度0.1m,區(qū)間周邊建筑模型0.2m。
3.2 全線數據集成
該工程集成各標段工程自身的土建模型、周邊環(huán)境模型、施工場地模型共計245個,經輕量化處理后, 將模型信息分解為幾何空間信息和業(yè)務屬性信息,實現了同一場景中漫游瀏覽,為后續(xù)BIM技術應用提供了基礎數據。
3.3 BIM-GIS數據庫平臺實現
該工程的BIM-GIS數據庫平臺具有以下功能:
①數據集成和大場景顯示功能;
②在線剖切、測量、標 注、出圖功能;
③強大的構件庫調用和編輯功能;
④重點關注點的設置與管理功能;
⑤交通導改、管線改移、 征占地、地上物移除、房屋拆遷、園林伐移、周邊風險分析、周邊建筑分析等8項匯總分析能力;
⑥換乘路線、交通接駁和線路巡游等分析能力;
⑦關鍵、復雜節(jié)點的模擬能力;
⑧工程4D進度輔助管理能力;
⑨移動端接入,輔助現場巡視功能。該工程BIM-GIS數據庫平臺移動端訪問輔助質量管理見圖10。
該平臺較好地實現了工程全線數據的集成化和數字化、前期環(huán)境分析、方案在線研討、現場復雜和關鍵節(jié)點方案分析、虛擬現場快速構建、進度和現場狀態(tài)掌控、質量和安全輔助管理等。
結語:
BIM-GIS數據庫平臺采用工程級數據模型技術、 多源異構模型數據融合技術和大場景動態(tài)調度技術進行BIM和GIS的融合,實現了數據精度分級管理、 空間索引和LOD算法優(yōu)化,并可在數據庫平臺中進行三維場景數據動態(tài)組織、三維地形地貌數據動態(tài)簡化, 使該平臺具備了長線、大區(qū)域、大數據量空間信息的 處理能力。
通過某地鐵工程的實際應用,證明BIM-GIS數據庫平臺不僅較好地實現了各工點BIM模型數據的集成處理,而且可以流暢地漫游瀏覽,完成基礎性操作,為后續(xù)工程建設管理的應用、開發(fā)打下了堅實基礎。
作者簡介:
高錢鷹,女,高級工程師,碩士,北京市軌道交通建設管理有限公司&城市軌道交通全自動運行系統與安全監(jiān)控北京市重點實驗室,主要從事城市軌道交通規(guī)劃設計管理及新技術研究應用工作。
王輝,城市軌道交通全自動運行系統與安全監(jiān)控北京市重點實驗室
宋宗霞,北京市軌道交通設計研究院有限公司
趙爽,蘭州市軌道交通有限公司
路清泉,北京市軌道交通建設管理有限公司&城市軌道交通全自動運行系統與安全監(jiān)控北京市重點實驗室
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