從哈爾濱鐵路站改看BIM等信息化技術的應用

哈爾濱站始建于1899年10月，是東清鐵路（中東鐵路前身）的中心樞紐站，先后經歷了四次站房改造。2017年4月，哈爾濱站進行主站房拆除改造工程。2017年8月31日，北站房和北廣場投入使用。2018年12月25日，南站房投入使用，哈爾濱站主站房至此完成重建。

哈爾濱在我國的省會中算是不同尋常的一個。晚清以前，她不過是松花江邊上散布的幾個小村莊，后來通過鐵路優勢取代齊齊哈爾成為黑龍江省會，可謂“火車拉來的城市”。因為一段半殖民地的歷史，又使她自帶一番歐陸風情。2015年，哈爾濱火車站新一輪改造啟動，線路改造、信號設備改造與站房建設共同推進，同時配套建設周邊路網工程和公交地鐵換乘中心，繼續為城市注入活力。

民國時期哈爾濱站明信片

鐵路模型分類

鐵路信息化模型可以分為三個部分：三維場景模型、車站構筑物模型、鐵路結構和設備模型。

• 三維場景模型主要用于展示車站周邊的地形地貌，以及與周邊交通、建筑、環境間的空間位置分布關系及互通關系；它也是其余模型的載體，可通過精確的空間位置來展示三維場景模型和車站模型的相互關系。航天航空數據、DOM、DEM 是構建三維場景模型的主要數據源。
• 車站構筑物模型主要包括車站相關的建筑物，如站房、雨棚、站臺和相關建筑物（防護圍墻或柵欄、應急通道、限高架等）。車站構筑物模型是樞紐改造的重要組成部分，可分為重新裝修、結構改造、重新設計修建三種情況。車站構筑物模型制作主要采用空、地一體化的方式， 利用航空攝影測量技術獲取立體模型，在立體模型中采集結構線，根據結構線生成“白”模，再將現場拍攝的真彩色紋理照片粘貼在對應的結構面上，從而形成精確的三維單體化模型。
• 鐵路自身結構包括路基、橋梁、隧道、涵洞、救生梯等，相關的設備包括道床、道砟、枕木、軌道板（高鐵），鋼軌、道岔、信號燈、電桿、電線等。鐵路結構和設備模型的構建需借助設計參數（如橋梁、隧道、路基的設計參數）進行三維建模；相關設備設施主要根據設備的幾何結構進行三維建模。

鐵路信息化模型的特點

• 組件化 為了充分利用鐵路信息化模型進行精細管理，必須對模型進行組件化；通常按照工程系統的分解結構（Engineering Breakdown Structure，EBS）進行分解，例如：橋梁的樁基、橋墩、橋臺，鐵路的軌道、軌道板、道床，都應作為單獨的組件嵌入到鐵路信息化模型中。通過對BIM技術下的信息化全壽命周期管理進行優化設計，建立鐵路行業的獨立構件，可提高鐵路中線的附加信息值。
• 信息化 三維模型的每個組件都有對應的屬性信息，可通過語義分析對模型或者模型的組件進行管理。這也是鐵路信息化模型的最主要特征之一。
• 標準化 標準化是鐵路信息化模型的基礎，目前主要參考的標準包括鐵路聯盟發布的鐵路工程信息模型的分類編碼、語義和數據交換三個標準。

• 精確化 精確化是鐵路信息化模型的基本要求之一。所構建三維模型的表面物理結構須與建筑物的實際結構基本一致，其物理尺寸誤差必須控制在一定的范圍之內，紋理結構與實際的紋理結構須保持基本一致，通過輪廓和紋理能夠直觀地區分其明顯特征。

鐵路信息化模型系統構建

三維場景模型構建

構建三維場景模型的主要目的是為鐵路信息化模型搭建基礎地理信息平臺，從宏觀層面展示鐵路信息化模型和周邊環境的空間地理關系及鐵路車站改造 過程的影響范圍；利用航空攝影測量技術（包括數碼航空攝影測量、傾斜攝影測量、激光雷達測量及無人機攝影測量等）獲取研究范圍內的正射及傾斜航空影像數據，通過傳統航空攝影測量技術處理及傾斜攝影技術處理，得到數字正攝影像（DOM）和數字高程模型（DEM），在三維地理信息系統中疊加生成車站周邊三維地理場景模型。

基于傾斜攝影測量的哈爾濱車站三維場景構建

在建筑物密集區，為了更加直觀地展示車站與周邊建筑物的關系，需要構建周邊建筑物的三維模型。根據建筑物的空間位置、影響范圍、重要性以及實際需求，分別建立“白”模和“精”模。

哈站周邊建筑物的“白”模和“精”模

車站構筑物模型構建

車站構筑物模型是車站工程改造的重要組成部分和施工組織管理的重點。車站構筑物主要包括車站相關的建筑物、與鐵路相交橋梁的建筑物等。為了達 到可視化效果和效率的平衡，根據管理需求，構建不同精細程度的車站構筑物模型。上跨或者下鉆的構筑物（如橋梁、隧道等）需要建立精確的物理幾何模型，用于分析構筑物和鐵路之間的空間關系。

基于地面激光掃描技術的霽虹橋精細模型

對于車站，需要利用設計資料和BIM設計軟件建立站房BIM模型，用于施工組織管理、 空間分析及應急管理等。

站房BIM模型（部分）

鐵路結構和設備模型

鐵路結構和設備模型是鐵路信息化的重點。這類模型都有嚴格的設計參數和物理幾何尺寸，也是改造過程中的重點對象，需要將其空間地理位置、幾何尺寸、安裝姿態及與線路之間的相對位置關系精確地展現出來。

基于參數的信號機和軌道模型構建及其空間相對位置關系

在建模過程中或者建模后，需要對鐵路結構和設備模型進行信息化，即編輯模型以及模型組件的屬性信息。同類數據需要建立統一的屬性集，比如建筑物需要根據收集到的資料建立諸如建筑物名、建造年代、建筑物面積、權屬人等屬性字段，以方便在鐵路綜合信息管理系統中對各種模型進行查詢管理。

鐵路信息化模型系統集成

模型集成是展示站場環境整體效果的基礎。BIM和GIS都有其自身的局限性,需要將二者結合使用。目前，通用的集成方法是以三維地理信息平臺為管理平臺，將各種地理信息數據和模型數據集成在 一起，并開發相應的管理功能。三維場景模型都帶有精確的地理坐標，可以直接按照地理 坐標導入三維地理信息系統中。對于單體化的模型來說，可采用模型矢量導入表對各種模型進行組織、顯示和管理。以BIM模型為例，制作模型導入表，包括模型編號、地理坐標、姿態參數等；采用BIM建模時的模型編碼作為模型的唯一標識。地理坐標計算包括從三維模型坐標到三維地理空間坐標的轉換、三個姿態參數（Yaw、Pitch、Roll）的計算。通過對地理坐標（X、Y、Z）和姿態參數的準確計算，可將建筑物三維模型構件無縫集成到在3DGIS平臺中。

建筑物模型與3DGIS 集成

在集成后的鐵路信息化模型系統中，針對鐵路車站改造工程的需求，可定制開發各種管理功能，如資料查詢、地物量測、安全監控、施組計劃編寫、安全檢查、進度管理等功能。

鐵路信息化模型的應用

基于信息化模型構建的鐵路信息化管理系統能 夠實現車站改造管理的信息化、智能化，提高管理效率。以下從最常用的施工組織、形象進度管理、征拆管理等方面對鐵路信息化模型在車站改造中的應用進行探討。

施工組織管理

傳統的工程管理軟件信息化水平較低,制約了鐵路工程管理水平的提高。這種方式制定的施工計劃與工程對象模型、地理信息等沒有關聯，無法實現對 工程進度形象化的預演，也不能直觀地查詢任意時間點的工程全貌。為了實現進度計劃的可視化、形象化管理，需將信息化模型與工程分解子項關聯起來。為了實現對海量工程信息的有效管理，采用二維圖形符號與三維模 型相結合的方式來表達工程的進展。

工程對象的圖形化表達

工程對象的三維實體模型表達

形象進度管理

施工計劃的形象化表達分兩個方面：一是施工計劃編制時的工程對象形象化表達，二是施工計劃查詢時的形象化表達。形象化計劃編制和查詢都需要建立圖形、模型對象與工程元素的一一對應關系。在數據制作階段，根據施工計劃拆分和裁切二維圖形和模型，對每個圖元和模型進行編碼，建立該編碼和EBS編碼的對應關系以及形象化圖形模型數據和施工計劃邏輯數據的對應關系，通過圖元和模型來修改施組計劃邏輯數據，也可使用施組計劃邏輯數據來驅動圖形和模型。通過拖動時間條，可實時查看任意時間點的計劃 進度，由此實現3D模型向4D模型的轉變。

4D模型進度的四格示意圖

征拆管理

通常情況下，車站改造建設時間長，總投資大，參與建設部門多，而且大部分車站都處于城市中心，改造困難較大，對項目管理水平提出了更高的要求。利用鐵路信息模型系統建立拆改方案管理數據庫，對站房拆改方案進行綜合展示、管理和分析，為參建各 方提供一個公共、形象直觀的溝通交流平臺；另一方面，可對方案進行模擬、對比分析等，結合三維矢量和BIM 模型進行新建工程與拆改工程的時空關系表達，可優化拆改方案，提高項目管理水平和效益。

站場軌道拆改方案對比（藍色為既有線路軌道，紅色為新建方案）

資料管理

圍繞質量、安全、進度、投資等管理內容開展信息化系統子模塊的應用，記錄和存儲工程實施過程中產生的各類數據，為建設管理提供信息化服務。在工程竣工時，從過程數據中提取重要信息，與 GIS數據、BIM模型一起進行資料移交，為后續的運維管理提供數據。

應用總結

通過將鐵路車站改造范圍內的構筑物（部件）數字化，加入屬性信息，構建鐵路信息化模型，并將三維地理模型、鐵路信息化模型通過3DGIS 進行集成管理，按照施工組織對施工建設過程進行精細化管理；利用三維實景模型與虛擬模型相結合的方式，真實還原建設過程，推演施工組織過程的合理性，發現存在的各種風險，優化施工組織，防范施工風險，提高現場管理信息化水平。