基于开源3DGIS引擎的铁路工程BIM建造数字化平台应用研究.pdf

2023年第4期专业应用专业应用基于开源3DGIS引擎的铁路工程BIM建造数字化平台应用研究倪苇1，2，许兴旺1，2，张坤1，2（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043；2.中国铁建BIM工程实验室，陕西 西安 710043）摘要：为提高铁路工程建设过程中的信息化管理水平，对基于开源3DGIS引擎的BIM建造数字化平台进行研究，形成平台基础数据处理方案、开发总体架构，实现基于BIM技术的铁路工程建设项目三维进度展示、图纸管理、质量管理、安全管理等功能，满足铁路工程建设数据的综合可视化和分析应用，有效提高工程建设管理的质量和效率。关键词：开源3DGIS；BIM；铁路工程；数字化平台中图分类号：U215.1 文献标识码：A 文章编号：1672-061X（2023）04-0079-05DOI：10.19550/j.issn.1672-061x.2023.04.10.0040 引言随着我国高速铁路建设规模不断扩大，高速铁路工程涉及站场、桥梁、隧道、路基等多个专业1，且建设过程中地质条件复杂多变、风险隐患众多，存在信息化管理和现场管理“2张皮”的现象2-3。针对高速铁路工程跨度大、线性带状等特点4，借助BIM模型精细化优点和GIS宏观三维场景分析的优势，铁路工程BIM与GIS结合应用日趋紧密5。近年来，满足BIM+GIS应用需求的WebGL引擎发展迅速，如国外Bentley公司推出的imodeljs，国内基于Cesium 改造的 WebGIS 平台包括超图 iClient for Cesium6-9、图新地球Wish3DEarth等。同时，实景三维中国、CIM、数字孪生等重大项目的全面推进，以及WebAssembly、WebGPU、WebXR 等 Web3D 技术的创新，为三维BIM+GIS技术和产品的创新带来了新的可能。随着5G、云计算等新技术的全面推广10-11，Web端海量空间信息的高效传输、协同共享具备了坚实基础。基于三维开源GIS引擎Cesium，对铁路工程BIM建造数字化平台关键技术进行研究，以实现BIM+GIS在铁路施工建设过程中的综合应用。基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（N2020G038）；中铁第一勘察设计院集团有限公司科技研发项目（院软2021RJ35）第一作者：倪苇（1988），男，高级工程师。E-mail：792023年第4期专业应用专业应用1 基础数据处理GIS三维场景中主要涉及的多源数据包括地形影像数据、矢量专题数据、BIM模型数据，对应数据处理流程见图1。（1）地形影像数据处理：高精度DEM地形通过CesiumLab切片为terrain格式、高分辨率DOM影像切片为png格式、倾斜实景模型数据通过CesiumLab工具将osgb转为3D tiles格式，然后通过CesiumLab进行网络发布，即可在前台加载显示倾斜实景模型。（2）矢量专题数据处理：不良地质、线路中线等矢量数据均为标准的shp格式文件，Cesium中不能直接加载，需通过GDAL 工具转换为geojson 格式，Cesium前端实时进行自定义风格样式绘制加载显示。（3）BIM 模型数据处理：通过上传 rvt、dgn 格式文件到服务器后台，调用 BimAngle 插件转换处理为3D tiles格式瓦片文件，支持任意中央子午线经度和带投影面高的工程坐标系。BIM数据处理包括原始模型文件上传和后台轻量化2步操作，其中采用RabbitMQ作为消息队列中间件解决多用户上传模型排队问题，后台服务器实时监听文件上传状态。后台服务器指定目录下预先创建 Input 和 Output 两个文件夹，其中 Input存储客户端本地上传的原始BIM设计文件，Output下面存放经过轻量化转换生成的3D tiles瓦片文件。借助BIM轻量化服务平台，系统用户可实时在线预览转换后的 BIM 模型，BIM 轻量化服务发布平台界面见图2。2 平台技术架构设计平台GIS+BIM开发主要是运用Cesium开源引擎和BimAngle框架，通过Cesium的Viewer进行影像、地形、矢量数据的加载；利用BimAngle工具对BIM模型进行轻量化处理，最后通过Cesium3DTileset加载BIM模型的三维瓦片数据包。基于开源3DGIS引擎的铁路工程BIM建造数字化平台采用B/S的N层架构体系，包括数据层、微服务层、呈现层和应用层，平台总体架构见图3。（1）数据层。数据层采用MySQL数据库存放业务数据，Redis作为数据库缓存，通过JDBC（Java DataBase Connectivity）提供Java API进行增删改查操作 12。文件管理采用FastDFS作为轻量级分布式文件系统，用来实现文件的存储、访问、同步等操作，解决大容量存储和负载均衡问题。（2）微服务层。微服务层主要基于SpringCloud框架，包括熔断保护、安全控制、日志收集、服务治理、服务发现、统一配置等监控保护服务组件，为平台前端提供所需的接口服务。（3）呈现层。呈现层采用VUE+Element作为前端UI框架，Cesium作为3DGIS引擎实现Web在线浏览三维场景。（4）应用层。应用层直接面向用户，包括移动端和网页端访问及BIM轻量化工具。3 平台功能应用3.1首页展示首页以驾驶舱界面形式展示，包括地图数据切换（影像、地形、倾斜）、地形开挖、模型移动、地膜透明及显示、模型裁剪、模型显示样式、场景漫游、属性查询等基础操作。图1多源数据处理流程图2BIM轻量化服务发布平台界面802023年第4期专业应用专业应用3.2质量安全（1）超前地质预报数据展示：包括展示掌子面素描、地震波反射、电磁波反射3类数据，在三维场景中以不同颜色带里程标签的插旗表示，单击插旗查询返回成果报告（见图5）。（2）现场拌合站数据展示：通过在场景中添加拌合站 BIM 模型，并对拌机添加身份标识等属性信息，展示对应拌合站的工单信息。（3）接触网检测数据展示：通过场景中查询接触网杆编号ID属性信息，与接触网检测系统中编号一致，从而返回接触网检测结果数据。3.3图纸管理图纸管理将二维PDF设计图纸与BIM模型构件关联，方便进行查阅对照。包括添加图纸、编辑图纸信息、按条件进行检索、查看图纸附件等功能。同时，图3平台总体架构图4首页展示界面图5超前地质预报查询812023年第4期专业应用专业应用支持查看图纸对应的工程部位，点击工程部位会跳转到三维场景中相应模型位置。3.4施组仿真施组仿真对接现场施工日志进度数据，分别对桥梁、隧道在二维形象进度图的基础上进行三维可视化。其中，隧道形象进度展示主要是初期支护、仰拱、二次衬砌，根据施工状态分为4类：未施工的构件不显示，初支施工完成的为红色半透明显示，仰拱施工完成的显示黄色，二次衬砌施工完成的按实体原材质显示。桥梁形象进度展示上部结构（梁段）和下部结构（墩身、承台和钻孔桩）。通过不同颜色样式渲染表达状态，绿色表示已经施工完成，蓝色表示正在施工中，原始外观表示未开始施工。桥梁三维形象进度展示见图7。3.5系统设置系统设置主要包括施工标段管理、单位管理、工点管理、用户和角色权限管理及模型变更等，其中工点管理用于绑定工点对应BIM模型服务地址。3.6移动端APP移动端继承了网页端的三维场景浏览及操作功能，主要用于施工现场质量、安全问题填报和设计图纸查看。移动端APP功能界面见图8。4 总结与展望BIM建造数字化平台结合站前工程施工管理及BIM应用等业务需求，通过对地形和BIM模型进行格式转换及发布服务，实现基于开源3DGIS引擎的三维场景Web端浏览。并在三维场景的基础上实现基于BIM的工程形象进度展示和施组仿真、质量安全管理、图纸管理等典型应用，探索并验证BIM从设计阶段往施工阶段的部分典型应用，有助于提升BIM全生命周期的使用价值。在实施过程中，仍存在以下问题：GIS平台在线加载精细化 BIM 模型和大范围高精度倾斜实景模型时，显示效率仍待优化；开源GIS引擎Cesium对比Unity3D、UE4等游戏引擎，显示效果仍存在不足；有些业务数据在BIM三维平台上展现仍然存在困难，如隧道围岩量测数据（断面拱点、收敛线）仍需借助传统二维表单形式进行表达。参考文献1 杨喆，付功云，袁文祥，等.基于WebGL三维引擎的轨道交通工程BIM+GIS平台研究 J.土木建筑工程信息技术，2020，12（5）：46-52.2 李宗建，刘晓奇，刘彦明.基于BIM的铁路工程建造管理平台研究 J.铁路技术创新，2021（4）：图6图纸管理界面图7桥梁三维形象进度展示图8移动端APP功能界面822023年第4期专业应用专业应用37-44.3 赵飞飞，苏林，渠涧涛，等.铁路工程BIM设计成果集成数字化交付技术研究 J.铁道工程学报，2022，39（12）：97-103.4 倪苇.基于GIS+BIM的西十高铁设计成果综合应用平台研究 J.铁道标准设计，2022，66（1）：13-16，25.5 赵杏英，陈沉，杨礼国.BIM与GIS数据融合关键技术研究 J.大坝与安全，2019（2）：7-10.6 张海兵，操锋.面向SuperMap的BIM模型轻量化处理研究 J.铁路技术创新，2021（5）：49-54.7 鲍英基，刘俊，邓庆奥.基于WebGL的预制梁场BIM 轻量化应用研究J.工程建设与设计，2021（9）：103-104，112.8 任晨宇，臧永立，刘珍珍.基于Cesium引擎铁路信号运维平台的可视化研究 J.铁道标准设计，2021（7）：172-178.9 王坭，王淑营，曾文驱.基于WebGL的轨道交通BIM 轻量化应用方案J.铁路计算机应用，2021（10）：30-34.10 郭泽，谭衢霖，秦晓春，等.基于Cesium的铁路线路三维场景空间信息服务J.测绘通报，2022（11）：144-148.11 郭神福，赵孔阳，王孝龙，等.基于WebGL的高速列车在线运行及沿线虚拟地理环境仿真 J.铁道科学与工程学报，2020，17（3）：573-581.12 张敬涵，李佳玉，解亚龙.BIM+铁路精细化管控平台的设计和应用 J.铁路计算机应用，2022，31（12）：42-46.责任编辑 明芳收稿日期 2023-04-10Research on Application of Railway Engineering BIM Construction Digital Platform Based on Open Source 3DGIS EngineNI Wei1,2,XU Xingwang1,2,ZHANG Kun1,2(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi an Shaanxi 710043,China;2.CRCC BIM Engineering Laboratory,Xi an Shaanxi 710043,China)Abstract:In recent years,the railway industry has vigorously promoted the research and exploration of BIM+GIS technology and achieved preliminary results in several pilot projects.In order to improve the informatization management level in the process of railway engineering construction,the BIM construction digital platform based on open source 3DGIS engine is studied to form a basic data processing scheme and an overall development architecture for the platform,achieve functions such as three-dimensional progress display,drawing management,quality management and safety management of railway engineering construction projects based on BIM technology,and realize comprehensive visualization,analysis and application of railway engineering construction data,thus effectively improving the quality and efficiency of project construction management.Keywords:open source 3DGIS;BIM;railway engineering;digital platform83