第一章 绪论
1.1 研究背景及意
“交通强国，铁路先行”。随着中国铁路建设的高速发展，预计到 2025 年，铁路网规模达到 17.5 万公里左右，其中高速铁路 3.8 万公里左右，网络覆盖进一步扩大。铁路行业的高速发展也对铁路车站的建设提出了更高的要求[4]。铁路车站作为车辆调度、乘客集散的重要场所，是铁路运输中的重要环节，为保证车站的高质量建设、高效率运维，高水平的资料管理必不可少。铁路车站工程的体量巨大，涵盖了建筑、结构、暖通、给排水、信号等专业，其在设计、施工、运维、改扩建等过程中产生了大量错综复杂的工程资料，且铁路车站工程具有的多专业协调、多部门管理、多环节决策等特点，加剧了车站工程的资料的复杂程度。资料缺失、信息断层、管理脱节、应用标准不统一等问题在该类工程中尤为突出，各专业间相互制约，无法对资料进行统一合理的调配，目前对数字化信息管理研究尚不够深入，导致工程资料调取的效率和质量较低，这给工程的资料管理带来了巨大的挑战。传统管理方式中使用的二维平面图纸、单一的管理模式和缺乏交互的信息化手段等，使得信息在车站的全生命周期的各阶段之间的传递不顺畅、信息沟通时效性差，无法顺应现代化铁路车站资料管理的工作需求，因此需要应用新技术和新方式来提升铁路车站的管理水平[5]。
铁路车站的工程资料管理对车站的信息溯源、施工监督、运营维护，以及处置突发事件等都有积极的意义。铁路车站工程资料信息管理的周期长、标准高、专业多，在工程资料管理中引入 BIM 技术，不仅可以满足工程资料管理中的各项需求，减少工作人员的工作量，实现资料的交互共享，提高信息的准确性、完整性、即时性，还能在保证工程资料的真实性、时效性、客观性，从而提升铁路车站信息的管理水平。本文在前期理论研究与实际项目应用的基础上，将理论分析和实践检验相结合，依据BIM 在可视化、标准化、信息化、参数化等方面的优势特点，并结合 VR、AR、云数据库等技术，将多种技术与 BIM 融合，综合运用于铁路车站工程资料管理中。基于 BIM 技术的铁路车站工程资料管理是一种创新的工程管理理念，也是高效、互动、系统的资料管理体系，这种管理模式与现代的可视化技术、管理技术、信息技术相结合，以资料管理为核心，解决了资料在铁路车站工程管理全过程中的应用痛点。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 BIM 的发展应用
BIM（建筑信息模型），是一种三维数字化工具和理念，具有可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性五大特点。为建筑在行业全生命周期的管理提供了一种全新的解决方案。BIM 最初是在 2002 年根据 Autodesk 公司的 Visual Building（虚拟建筑）概念和 Bentley 公司的 Signal Building Information 的概念上提出的。BIM 是以三维模型为基础，将工程的相关信息集成到模型中，利用数字信息模拟仿真建筑物的真实信息[6]。
（1）BIM 技术国内外发展现状
国外研究现状：BIM 技术发源于美国，伴随着全球化的发展，越来越多的国家已经开始运用 BIM 技术。目前，大型项目的全生命周期管理中离不开 BIM 技术，BIM也为建筑产业信息化奠定坚实的基础。BIM 技术在全生命周期管理中的应用分类如下表 1-1 所示。
表 1-1 BIM 技术在全生命周期管理中的应用分类
第二章 铁路车站工程信息模型相关理论技术研究
2.1 基于 BIM 的铁路车站工程资料管理内涵
基于 BIM 的铁路车站工程资料管理是一种将 BIM 技术与全生命周期中的信息相结合的新理论，新方法和新技术，将铁路车站工程以模型数据对象的形式表现，实现铁路车站工程管理过程中的数据共享、信息传递、专业协同。利用 BIM 技术，在铁路车站工程的规划阶段根据规划信息初步建立铁路车站工程信息模型、在设计阶段对承载铁路车站工程信息的三维模型进行深化、在施工阶段将铁路车站的信息模型中的数据进行丰富和优化、在运维阶段对竣工交付的信息模型添加基础设施运行和维护信息，从而建立覆盖铁路车站工程全生命周期的资料综合管理体系。实现各阶段、各专业和各参与方的协同工作，保证了铁路车站工程全生命周期中各阶段之间的信息流转及共享，解决了铁路车站工程资料管理中的痛点问题，推进了铁路信息管理数字化、信息化发展。
基于 BIM 的铁路车站工程资料管理内涵包括信息、过程和价值三个方面的维度。
信息维度：铁路车站工程信息模型一般由模型单元构成，而实体几何表达和属性信息是模型单元的重要组成部分。1）模型单元结合了铁路车站工程信息模型及其相关属性，满足了信息输入、交付和管理的基本要求。2）几何精度可以准确衡量出模型单元实体几何表达的真实程度，能够根据实际的工程需求对模型精度进行相应的调整，以满足不同场景、不同阶段的需求。3）信息深度是主要用于评测模型单元信息的详细程度，与几何精度一样，也可按照不同的需求进行信息深度的定义。
应用维度：为了实现对铁路工程项目资料的高效管理，且为全生命周期中的进度、质量、安全、成本等管理提供服务。在项目规划阶段，基于 BIM 进行包含基本立项信息、环境信息、投资信息等的三维正向概念设计；在设计阶段，可以基于 BIM 的可视化设计，在铁路车站工程信息模型中表达出铁路车站项目的成本、工期以及规范要求等内容。在施工阶段，开展基于 BIM 的进度、质量、安全和成本等可视化的项目管理应用，可以依据设计阶段的成果文件集成工程实体的人员、机械、设备、工艺工法等建设信息形成竣工交付 BIM 模型并移交运维阶段。在此基础上，为了能够有效开展基于铁路工程信息模型进行运维管理和资产管理等应用，仍要附加铁路基础设施及设备信息，从而形成完整的可指导运维管理的铁路车站工程信息模型。
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2.2 铁路车站工程信息模型建模技术
铁路工程车站包括线路、四电、建筑、结构等多个专业，与其他建筑工程项目相比建模难度较大，且铁路专业相关的模型族库相对缺乏。没有专业建模软件可全部满足铁路车站工程各专业建模的需要，为达到基于 BIM 的铁路车站工程的应用要求，在铁路车站工程建模过程中，通常要根据不同专业而采用多种建模方式。现如今，主流复杂模型的三维建模技术由几何参数化建模和三维扫描成型建模组成。在几何参数化建模领域，已经取得了一定的成就：Xuao F [54]对 Revit 建模软件中，模型 2D 到 3D的转换展开了深入的研究；刘彦明[55]通过 Bentley 系列软件对铁路桥梁构件进行参数化设计；蒋慧[56]介绍了 Bentley 软件在建筑设计中的三维应用。同时，在三维扫描建模领域：向祎[57]为了满足各种主流 WebGL 的应用需求，将点云数据文件转换成例如JSON、3DTiles 等通用的轻量化数据模式，加快了传输的速度；李开伟等人[59]结合了最小曲率插值网格化与加权反距离插值网格化等方法，对点云进行网格化处理。
2.2.1 面向铁路的 BIM 几何建模技术
（1）建模软件简介
目前适用于铁路工程领域的专业几何建模软件有 Revit、3Dmax 等及参数化建模辅助工具，国内会采用 Unity3D+3Dmax（简称 U3D 技术），该技术也得到了广泛的应用，但 3Dmax 在建模的专业性上与 Revit 相比，并不是针对工程项目的建模软件，对于铁路车站工程而言 Revit 建模要比 3Dmax 更加高效便捷，因此选用 Revit 进行铁路车站模型的搭建，再将其转换成.FBX 格式后导入进 Unity3D 中，这样的方式，建模的效率高并且可以大量的减少工作量，对铁路车站模型的快速成型、各专业的拼接有着积极的作用。
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第三章 铁路车站工程信息数据库的开发....................................32
3.1 铁路车站工程资料梳理分类..........................................32
3.2 铁路车站工程资料归档标准研究.........................................34
第四章 多技术融合的工程资料管理可视化研究.......................... 40
4.1 基于 BIM+VR 技术的工程资料管理.................................40
4.1.1 BIM 与 VR 技术结合的优势....................................... 40
4.1.2 BIM+VR 技术结合的方案研究.............................. 41
第五章 铁路车站资料与模型的系统集成.....................56
5.1 铁路车站工程模型优化技术......................................57
5.2 BIM5D 可视化显示............................................ 60
第五章 铁路车站资料与模型的系统集成
5.1 铁路车站工程模型优化技术
通过对铁路车站工程的二维图纸的分析后，建立完善铁路车站的专业族库以及铁路车站的三维模型。在此系统中，BIM 模型可通过后台调取相关数据，与其他的管理模块互通、共享，方便对工程资料的整体管理。目前 BIM 模型面对大体量的工程的优化方案有众多的解决方案，选用高效的模型渲染软件以及在渲染引擎中进一步优化模型都是常用的方案。在铁路车站工程模型项目时，优化模型的程度将大大决定系统的运行效率。因此需要对模型进行优化，本研究采用了多种优化方案进行模型的优化设计。
一是将铁路车站工程中相同的静态模型定义为预制（prefab）对象。利用预设对象制作可复用的组件，这对于具有大量重复构件的铁路车站工程项目的模型修改与优化都是非常高效的一种方式；
二是压缩模型的片面数，针对铁路专业的特殊性，很多模型构件的面数会非常多，例如钢轨、扣件等，而且此类模型数量庞大，因此需要简化其模型面片数，针对截面线型较多的钢轨等物体通过对截面线型的优化达到减少面数的效果，针对形状比较复杂的模型来说，可以通过以平面代曲面。
三是对周围环境中的建筑使用 Unity3D 中的光照贴图，在 Unity3D 中光源数量会影响模型的渲染效率，使用光照贴图可减少光源的添加。光照贴图技术是一种增强静态场景光照效果的技术，优点：占用较少的系统资源，同时可使静态场景看上去更加真实、有立体感；缺点：不能用来实时地处理动态光照。铁路车站模型中包含了大量的多边形，利用实时光源和阴影会大幅降低场景渲染的性能，在铁路车站的模型优化中使用 Light mapping 技术，将光线效果预渲染成贴图使用到多边形上模拟光影效果。
图 2-6 部分 MEP 专业模型最终渲染图
第六章 结论与展望
6.1 主要研究工作与结论
目前，铁路车站管理的信息化程度不高，给铁路车站的资料管理带来了较大的的困难，本研究为解决铁路车站在全生命周期的管理中容易出现资料缺失、信息断层、管理脱节等痛点问题。选取京沪线上的某车站作为研究的对象，建立模型化信息管理系统，并结合 AR、VR 等技术对车站工程资料的可视化管理进行了深入的研究，研究得出主要结论如下：
（1）提出基于 BIM 的铁路建设资料管理的内涵，主要从信息维度、过程维度和价值维度三个方面进行阐述。对铁路工程信息模型的几何建模技术、三维扫描成型技术等相关建模技术进行了专项研究，探寻通过多方式进行建模的方式。对软件功能的分析后，选择适用于本研究的建模软件，并针对 U3D 的建模方案进行探索，利用铁路车站的实例进行可行性研究。本章同时介绍了三维扫描技术的建模方案，基于手持式三维扫描仪，对车站的复杂位置进行了逆向建模，利用钢轨连接处的结构部分为例进行了其方案实施过程的展示。最后对铁路工程信息模型与 AR/VR 之间的信息融合相关技术进行研究，介绍了 VR、AR 技术发展历程、技术原理、工作步骤等，该研究为后续开展相关与 BIM 进行融合的工作提供了理论技术支撑。
（2）根据研究目的需求对铁路车站工程的资料进行整理，运用科学的方法，对所获得的资料进行检验、分类、汇总等初步加工，将资料按照文件格式，以及资料对应车站的区域进行系统化的处理。由于铁路车站工程的多部门管理、多标准实施的特点，其工程资料的归档也需要参考多个标准和规范。本研究以京沪线上的某高铁站的改扩建工程为例，依据《铁路工程信息模型分类和编码标准》、《上海铁路局建设项目档案管理暂行办法》、《江苏省房屋建筑和市政基础设施工程档案资料管理规范》进行资料的归档标准研究，针对这些标准以及铁路车站改扩建工程的特点，进行了适合本工程标准化资料归档的研究，并将工程资料进行标准化归档。按照铁路 BIM 联盟的IFD 标准作为基础，结合其他相关规范的要求，并联系工程实际，采用铁路工程工项、铁路工程组织角色、铁路工程人员角色、铁路工程产品这四种分类方式，并结合铁路车站的具体情况对工程资料进行标准化归档。最后进行铁路车站工程数据库搭建，完成资料的文档数据库、属性数据库的搭建，并基于云平台搭建完成云数据库。
（3）研究 BIM 与 VR、AR 技术结合的优势，并研究 BIM+VR 以及 BIM+AR 技术结合的方案，最后进行基于 BIM+VR、BIM+AR 技术的铁路车站工程资料管理应用。基于 Unity3D 平台利用 VR/AR 技术与 BIM 的结合，完成对铁路车站工程资料的可视化功能的开发，工程数据库的非几何信息管理是关联在三维模块的几何信息上的。通过编码映射，以三维模型为接口，按构件划分对工程数据库进行增、删、改、查操作。在设计与建设阶段，实现结构及其响应的可视化虚拟呈现；在运维阶段，使工程结构随处可及，同时以模型为核心实现多源信息的叠加融合。
参考文献（略）