基于BIM的轨道交通三维模型数据管理

基于BIM的轨道交通三维模型数据管理

孙长军12，兰钰昌12，赵智涛12， 陈志强3，朱宁宁3

（1. 北京市轨道交通建设管理有限公司，2. 城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室,北京 100068；3.北京城建勘测设计研究院有限责任公司）

摘要：以 GIS 作为一张图数据底盘,以 BIM 模型为工程管理核心, 将分散的业务数据与 BIM 模型及三维场景结合,对基于多源三维模型数据进行融合和优化组织,实现对轨道交通安全风险工程的数据化、可视化、精细化管理。

关键词：三维模型；数据管理；

0.引言

随着“交通强国”战略的深入发展，轨道交通以其低碳、准时、客流量大、缓解交通拥堵等特点，对城市经济的发展起到了重要作用，其建设规模也在不断的扩大。轨道交通工程具有投资巨大、与地理环境密切相关、参与方众多、工程复杂等特点，因此从建设到运维的全生命周期中涉及大量的过程数据,是一个庞大的系统工程。

在高质量发展的时代背景下，传统以人工为主或单一的信息化的管理手段，已无法满足轨道交通工程建设快、周期短、质量高的要求，深度融合BIM、物联网、大数据、云计算、人工智能等信息化技术，已成为必然趋势。

其中，将BIM平台化应用，可充分发挥可视化、协同性、结构化等特点，不仅可以直观、便捷地查看成果和相关信息,还可以将建设过程中的各项数据与其关联,实现基于BIM 模型的数据共享,降低沟通成本,提高资源利用率,节约成本。

本文通过分析轨道交通工程建设的业务特点，结合北京轨道交通28号线 （CBD线）安全风险工程，以 GIS 作为一张图数据底盘,以 BIM 模型为工程管理核心, 将分散的业务数据与 BIM 模型及三维场景结合,对基于多源三维模型数据进行融合和优化组织,实现对轨道交通安全风险工程的数据化、可视化、精细化管理,建立统一、开放的工程信息化管理系统,形成以资源共享、高效协作为核心的管理模式,推进轨道交通安全风险工程信息化迈向新的阶段。

1.建模细则与编码标准

在充分考虑轨道交通的线性工程特点以及BIM技术特质的前提下，统一模型应用要求，可以提高模型信息的应用效率和管理效益。因此，依据三维GIS+BIM的应用思路，以实现轨道交通安全风险工程智慧管控的三维应用为目标，结合GB/T 51301-2018《建筑信息模型设计交付标准》、《信息分类和编码的基本原则与方法》GB/T 7027-2002等规范标准，编制了BIM建模细则与编码标准。

BIM建模实施细则对模型数据的格式、内容及深度提出详细要求。为各建模单位提供建模标准依据，使得模型成果在项目实施阶段能够传递和有效利用。细则主要包括：建模范围、模型精细度、模型定位、项目基点规定、模型命名、模型材质、模型参数设置、所采用的建模软件及建模原则、建模流程、模型拆分、模型优化等内容。

BIM编码实施细则适用于轨道交通工程施工阶段模型构件的编码、使用和管理。为满足工程建设阶段施工安全、风险、监测等规范化管理的需求，对建立的建筑信息模型进行统一规范实施细则的编码，搭建模型与平台应用之间的“桥梁”，实现基于三维场景与模型的安全风险、安全隐患、应急、盾构和动态分级主要业务数据基于三维模型和场景的表达和管理。细则主要是约定模型的分类分级规则，及相应的编码规则与编码内容等。

BIM编码实施细则，主要包括两方面内容，一方面是编码结构，一方面是编码的具体内容。

代码结构要求内容如下：

（1）除土方模型外的所有模型编码为线路代码-工点代码-分类代码-序列码；采用三层18位数字编码，代码结构如图：

建筑结构模型（除土方模型外）的编码结构图

（2）土方模型编码为线路代码-工点代码-分类代码-序列码；采用三层18位数字编码，代码结构如图：

土方模型的编码结构图

2.多源数据处理

除BIM模型外，倾斜摄影测量技术、3Dsmax模型，以多角度、大规模、高精度、高清晰度的方式全面感知周围环境,可以为轨道交通工程建设提供了丰富的地物纹理及地理信息数据,具有高真实性、可量测性、高效率、易于共享的优势,是三维还原现场真实环境的重要技术支撑。

高精度实景三维模型意味着庞大的数据量,对模型的优化处理将影响到后期的高效加载和显示效果。

在北京轨道交通28号线 （CBD线）安全风险工程中的BIM模型处理，首先对模型的检查是文件命名、模型构件命名，材质命名、三维视口命名、材质颜色、过滤器设置、项目参数设置、项目单位设置、项目基点信息设置等是否按要求设置正确，然后通过超图提供的插件将BIM模型的顶点信息和属性信息按照族分类导出，实现数据转换，再利用超图iDesktop在场景中查看模型位置是否与线路图及影像图匹配，若图层加载缓慢，需要检查模型顶点数目，将大顶点数据集进行模型拆分，进行三角网简化，最后的缓存制作是根据纹理压缩模式，将纹理大小限制在1024*1024以内；改变瓦片长度及阈值大小；实例化、设置LOD值等进行缓存优化；缓存制作完成检查最大s3mb值大小，尽量控制在20M以内；若出现超大的s3mb值，需要重新更改原模型。

3Dsmax数据处理，首先是数据提资按照系统用户要求，分站点和区间分块提供，对模型的单位设置、贴图设置、文件大小、坐标系参数等内容进行检查。再利用数据转换插件进行数据转换。然后，在超图iDesktop检查模型位置是否与影像图匹配，最后数据检查无误后进行缓存制作。

数据处理流程图表1.1

3.数据坐标转换

数据的坐标系分为三类：平面坐标系、地理坐标系、投影坐标系。

3.1平面坐标系

一般用来作为与地理位置无关的数据的坐标参考，也是默认新建数据的坐标参考，平面坐标系是一个二维坐标系，原点坐标为（0，0），数据中每一个点的坐标是由其距水平和垂直的 X 轴和 Y 轴的距离确定。

3.2平面坐标系

使用经纬度坐标来表示椭球上任意一点的坐标。地理坐标系中，通常包含对水平基准、中央子午线和角度单位的定义。常用的地理坐标系如：WGS 1984、Beijing1954、西安80 、CGCS2000等。

3.3投影坐标系

通过某种投影方式和投影类型，将椭球上的任意一点投影到平面上。使用二维平面坐标(X、Y） 来表示点线面地物的位置。投影坐标系中，通常包含对地理坐标系、地图投影、投影参数及距离单位的定义。常用的投影坐标系例如：Gauss Kruger、Albers、Lambert、Robinson 等。

由于数据的获取方式不同，在数据处理过程中，经常会遇到数据的坐标系不同的问题。同时，又要保证各个专业的 BIM 模型在同一场景的无缝集成，模型之间的相对位置,全线真实环境下的空间位置等。

在北京轨道交通28号线 （CBD线）工程的安全风险智慧管控平台中，采用了七参数转换法，如为 Position Vector、Coordinate Frame 或 Bursa-wolf，需要设置七个参数，即三个线性平移参数（ΔX，ΔY，ΔZ）、绕轴旋转的三个角度参数（Rx，Ry，Rz）和比例差（S）。平移参数以“米”为单位；旋转参数以“角度秒”为单位；而比例差为百万分之一（ppm）。七参数文件获取一般通过测绘软件计算像控点坐标得出。通过加载投影文件将 BIM 模型动态投影到球面上,实现与倾斜三维实景环境集成。

4.海量的三维模型管理

在轨道交通的建设过程中，由于专业众多及场景需要，会涉及到倾斜摄影、3Dsmax、BIM等各类模型，同时关联影像数据、DEM高程、矢量数据、图件、文字报告等大量数据，对模型进行统一入库管理、分类存储、信息关联等，为项目建设期及运维期的系统业务功能提供数据支撑。

北京轨道交通28号线 （CBD线）安全风险工程的数据组织和设计遵循了先进性与实用性相结合、规范性与兼容性相结合、安全性与可维护性相结合、集中管理与分散管理相结合的原则，兼容三维模型、矢量数据、栅格数据、图片、文档等多源数据格式，并针对模型数据、空间数据等不同数据类型有相应的存储区域设计。

具体的分类管理如下：

（1）基础地理信息数据管理：基于地方地理坐标系及高清航拍图、基础地形、轨道交通矢量线路图等基础信息；

（2）倾斜摄影模型数据管理：通过在飞行平台传感器从不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息，再由倾斜影像来生成全要素、可量测三维模型，主要是针对轨道线周围一定范围内的采集；

（3）地下综合管线现状管理：根据沿线地下综合管线的勘测数据，基于基础地理坐标系，统一到GIS平台中进行管理，为轨道设计、施工提供支持；

（4）轨道线路管理：基于统一基础地理坐标系，对轨道线路的站点、区间段精确走向、标高等规划方案进行管理，建立图形空间规划要素的数据引擎，为后续与BIM集成、属性表格管理等提供依据，并提供规划设计方案的版本管理功能。

（5）轨道沿线地上周边环境管理：对于与轨道交通密切相关的轨道沿线周边环境建筑信息，包括一些基础市政信息、植被、道路、水系，以及与轨道交通密切相关的轨道沿线物业综合开发用地、物业等规划信息，实现综合性管理；

（6）三维地质模型管理：利用各种相关地质资料中提取出来的地质要素信息，对地质现象进行三维重建，可展现地层、岩体、构造、水文等地质现象的空间几何特征、内部属性特征以及相互关系等地质信息。

5.结语

北京轨道交通28号线 （CBD线）安全风险工程，依托多源数据的体系建设、模型的组织与管理、数据的结构化应用等底盘支撑，通过将管理业务和 BIM 模型进行深度融合，形成面向建设过程的三维可视化表达，实现项目生产组织与技术管理，满足信息化管理需求, 有效提高工程的管理效率。

随着智慧轨道交通的快速发展，将围绕全生命周期的管理理念，进一步拓展 5G、AI、BIM等技术的融合应用，积极探索更先进、更高效、更智能的轨道交通数字化管理模式，推进轨道交通工程管理向数字化、智能化的转变。

参  考  文  献

[1]石硕 GIS+BIM 技术在轨道交通工程建造管理中的应用研究 ［J］铁道标准设计，2022（11）：30-42 ．

[2]汪永强，曹晓辉，胡佳宁 海量倾斜实景三维数据管理系统设计与实现［J］．测绘与空间地理信息，2023，（6）：113-115．

[3]张俊尧 1，郭鹏飞 2，王志华 2，智鹏 2，李飞 1，杨兴磊 1，鲁玉龙1 基于 5G+BIM 的铁路基础设施智能运维管理平台设计及应用 ［J］铁道标准设计，2023（11）：2-8

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