铁路工程BIM设计成果集成数字化交付技术研究

BIM与GIS分别从两个不同的角度进行三维建模，GIS侧重于真实世界建模，而BIM更侧重于设计过程。BIM与GIS成熟度不同，面向的用户不同，两者区别主要体现在应用场景、空间尺度、坐标系统、语义和几何表达方式、粒度等级、信息存储和访问机制等方面 。随着BIM与GIS内涵与外延的不断拓展，BIM与GIS的交叉重叠度越来越大，如图1所示。

图1 BIM与GIS的关系

BIM数据结构包括几何数据与属性数据，其中几何数据与三维GIS空间数据结构相似，包含空间位置、外观形状等；属性数据包含构件类型、尺寸等方面的参数。三维GIS在数据结构、数据表现形式、数据对象等方面包含了BIM的内容，并与BIM功能有重 叠。在BIM与GIS集成方面，国内外学者已开展了大量研究。总结起来，BIM与GIS的集成可分为三个层次：应用级、过程级、数据级。其中，数据级集成通常可通过建立新标准、修订旧标准或数据格式之间的转换来实现。  

IFC作为BIM领域应用广泛的开放数据标准，主流BIM软件都支持输出IFC标准格式模型，且主流GIS软件也提供了IFC标准格式转换为GIS数据格式的接口，这为BIM与GIS的集成奠定了重要基础。 本文 通过不同数据格式之间的转换实现达索 BIM 模型 到超图 GIS平 台的数据级 集成，其流程如图 2所示。

在BIM设计软件中，按照不同施工坐标系分别导出IFC格式的BIM模型，并进行数据治理，然后从IFC格式批量转换为超图UDB格式后生成切片缓存。利用工作空间组织切片数据及属性数据，并通过SuperMap iServer将其分别发布为三维服务和数据服务。由于标准成熟度问题，从达索平台导出的大部分IFC模型没有材质信息，部分对象类型缺失，因此此处数据治理主要是对BIM模型类型信息进行语义补全和增加材质信息。

图2 BIM模型到超图GIS平台的集成流程

IFC标准是开放、中立的BIM数据标准，主流BIM软件都支持将模型导出为IFC标准格式，这为BIM设计成果集成奠定了基础。为提升集成可视化效果，对IFC标准格式BIM模型进行预处理，根据不同构件类型给模型着色。

坐标参考系（CRS）是GIS支持多源数据模型集成的定位框架。为了实现在GIS平台中集成，将BIM模型转换为超图支持的UDB数据格式，同时给BIM模型赋予空间位置信息，实现模型和地理空间场景的准确匹配。铁路工程一般为带状，长度从几十公里到几百公里，为减小变形影响，在BIM设计过程中，不同段落通常采用不同的工程坐标系，导出的IFC格式模型通常没有附带坐标系信息。因此，首先需要根据不同段落为BIM模型数据 设置投影坐标系， 然后再转换为地理坐标系，实现 BIM 模型与地 形 更好贴合 。 然后，将 BIM 模型切片，生成 S3M（Spatial 3D Model） 格式缓存，提升大体量 BIM 模 型数据的浏览性能与显示效果。

对生成的BIM模型缓存，采用超图iServer其发布为 REST（REpresentational State Transfer，表述性状态转移）类型的三维服务。对于地形影像等GIS数据，生成缓存后也发布为三维服务。在Web端，基于SuperMap iClient 3D for WebGL对发布的三维服务进行集成。BIM模型在达索平台和超图GIS平台的效果对照如图3所示。  

图3 BIM模型在达索平台和超图GIS平台的效果对照

属性信息是用于描述模型单元特征的数据项，是BIM模型数据的重要组成部分，通常包括构件名称、类型、编码、特性等信息。BIM模型属性信息传递主要是通过模型构件的ID来关联几何与属性信息 。在达索 系统中建模时，为每个模型构件都赋 予了 唯一 的 ID属 性 字段，导出的 IFC 标准文件带有该 ID 信息，而 IFC 文 件转换为 UDB 格式之后，模型构件的 ID 信息保持 不 变，这是 BIM 模型属性信息能够跨平台准确传递的 关键。

考虑软件研发的可扩展性，在IFC文件转换为UDB文件型数据源时，除了ID字段外没有保留其他属性信息。通过研发软件提取IFC文件中的属性信息并写入MySQL数据库，然后通过WebAPI将属性信息传递到前端，实现在Web端模型属性信息集成，如图4所示。

图4 属性信息传递过程

超图GIS的数据组织结构主要包括工作空间、数据源、数据集、地图、场景等，数据组织形式类似于树状层次结构。 工作空间存储了工作环境信息，包括数据源的存储位置、三维场景等。 数据源存储的是空间的基本地物信息，点、线、面的空间信息和属性信息。 UDB数据源是一个跨平台、支持海量数据高效存取的文件型数据源。

在超图GIS平台中，数据是以图层的形式加载到 三 维空间场景中，并以适当风格进行显示 。 三维空间 场景提供了平面场景和球面场景两种模式 。 基于 B/S 模 式的三维场景构建流程如图 5所示，对不同类型的 数 据 分别采用不同的方法进行处理并加载到场景中。 对于 KML 图层，在 Web 端以编写代码的方式进行 加 载 。 为了在 Web 端高效集成线路中心线和用地界等 数 据，采用 KML(Keyhole Markup Language，Keyhole标 记语言 ) 文件格式来表达 。

图5 三维空间场景构建流程

为提高集成了大体量BIM模型、地形影像以及线路中心线等数据的三维空间场景在Web端的显示性能，采取了如下策略：  

策略1：根据模型构件包围盒大小和顶点数量，按照一定规则对IFC标准格式的BIM模型进行拆分重组。每个IFC文件中同一类型构件作为一单独数据集，不同IFC文件中相同类型构件的数据集存储于同一个UDB数据源中。  

策略2：采用四叉树方式对BIM模型进行剖分。模型剖分包括四叉树和八叉树两种方式。四叉树以空间内的一个点为基准将空间划分为四个区域形成四个子树，适用于平面范围较大的三维空间对象。八叉树 以 空 间内的一个点为基准将空间划分为八个区域而形 成 八个子树，适用于高度上值较大但平面范围较小的 三 维 空间物体 。

策略3：在三维场景中，根据模型单元特征设置各图层的可见距离和可见高度，从而提高BIM模型在Web端显示性能。可见距离通过相机与BIM模型的直线距离控制模型对象的可见性；可见高度通过相机与图层的垂直高度控制整个图层的可见性。  

策略4：地形影像等GIS数据服务与BIM模型服务分别部署在不同的服务器上，在Web端实现服务的并行动态LOD调度，同时通过设置多子域提高前端数据请求效率。

策略5：为了在Web端高效集成铁路线路中心线数据，将线路中心线数据划分为百米标、五百米标、公里标、五公里标、十公里标、五十公里标、中心线、标注共8种类型进行组织，并在Web端设置不同类型对象 的显示风格及可视范围。

针对当前BIM设计成果交付难以查看、难以管理 及难以使用的问题，基于BIM+GIS的数字化交付可将多专业大体量BIM模型集成到GIS平台，并与地形影像相融合，实现大场景与精细模型相结合的空间多尺度可视化。对BIM设计成果进行集成化、统一化管理，并从 项目、 线别、工点、分部分项工程等多角度组织模型。

基于SuperMap iClient3D for WebGL开发包搭建B/S架构的铁路工程BIM设计成果集成系统，提供零客户端的数字化集成服务，以提高各参与方沟通交流效率，准确传递设计意图，有效管控风险。系统架构分为三层，由下至上分别为数据层、中间层和应用层，如图6所示。其中，数据层是整个系统集成的基础，包括地形影像、BIM模型、线位数据等。中间层包括数据治理、服务发布及模型信息传递等，前后端信息传递通过 WebAPI来实现 。应用层为用户提供三维展示、工程结构树、属性查询、图层控制等功能，终端用户通过支持WebGL的浏览器即可访问该系统，不需要安装任何 插件。  

图6 铁路工程BIM设计成果集成系统架构

系统可集成多专业大体量BIM模型，并与地形影像相融合，实现大场景与精细模型相结合的空间多尺度可视化。可对 BIM 模型及相关数据进行集成化、统 一化管理，并根据应用需求构建工程结构树。系统可在服务器和本地部署，终端用户只需通过浏览器即可访问发布的服务。系统功能结构如图7所示。

图7 铁路工程BIM设计成果集成系统功能架构

（1）三维集成展示

系统主界面如图8所示。三维场景集成了多专业BIM模型和地形影像数据，整个界面相互交融，没有割裂感。左侧为支持节点关键字检索的工程结构树，右侧为工具图标，都以半透明方式悬浮在整个三维场景上，从而可以使三维场景的显示范围最大化，同时也支持全屏显示，以达到更好的集成可视化效果。

图8 系统主界面

（2）属性查询

属性是BIM模型单元的重要信息，与几何数据一起保证了模型数据的完备性。为了避免模型浏览过程中意外弹出属性信息表，设置了属性查询开关。属性信息包括构件类型(IfcType)、实例ID(IfcInstanceID)、IFD编码、枚举类型、工程数量等。其中，IFD编码是指《铁路工程信息模型分类和编码标准》中定义的构件编码。模型属性查询界面如9所示。

图9 铁路工程BIM设计成果集成系统功能架构

（3）设计问题管理

在GIS平台集成多专业铁路BIM设计成果后，通过审查可以发现设计中存在的一些问题，可通过问题列表，录入问题，记录问题的状态，增加处理过程，并可对问题进行编辑。通过在问题列表与系统登录用户之间建立关联，可以自动追溯问题来源与处理过程，使问题的发现与解决形成闭环。问题列表界面如图10所示。

图10 问题列表界面

集 成系统在广湛高铁、雅万高铁等项目上开展了 应 用 。 广湛高铁按照 “全线、全阶段、全专业”的原则 完成了约 400 km 的 BIM 设计 。 通过集成系统，实现 了广湛高铁全线全专业 BIM 设计成果的高效集成，部 分 BIM 设计成果在集成系统中的可视化效果如图 11 所示 。

图11 广湛高铁部分BIM设计模型在集成系统中的可视化效果

利用集成系统，开展了广湛高铁全线、全专业工程设计检查与优化。重点检查了路基排水、四电所址、电缆上下桥、路桥隧接口等，其中22处工程一旦实施会造成二次征地、站所排水困难、区间积水、工程返工、运营安全隐患等问题。通过BIM设计成果集成系统排查问题并对工程进行优化，为工程实施提供高质量设计成果。图12展示了通过集成系统检查出来的四电所址设计存在的问题。  

图12 四电所址设置在排水沟内的问题

在铁路行业数字化转型背景下，为满足铁路工程数字化集成交付和应用需求，研究了铁路工程BIM设计成果集成数字化交付技术，并研发了铁路BIM集成系统，在打造铁路工程数字化设计交付生态、推动铁路 数字化转型可持续发展等方面做了有益探索。 针对铁路工程设计阶段数据动态变化的特点，研发了从数据治理、数据转换、数据组织到空间表达优化等数据高效传递软件，建立了基本自动化的数据处理流程，解决了BIM设计成果难以走出BIM软件的问题。 铁路工程BIM设计成果集成数字化交付技术的研发与应用，为用户提供了零客户端的BIM成果应用，打开了从BIM软件到终端用户的通路，为BIM技术的推广提供了技术支撑。 基于集成系统的工作汇报、沟通交流、设计审查、问题管理已成功应用于雅万高铁、广湛高铁等项目，并不断根据应用反馈做优化和完善。