GIS與BIM技術在綠色設計中的應用研究

李志輝

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

黨的十九大以來，習近平總書記對生態文明建設和生態環境保護提出一系列新理念新思想新戰略，為做好新時代生態環境保護工作提供了重要指引和根本遵循。為建設美麗中國，對規劃設計建設理念和模式提出了新的更高要求。

改革開放以來，我國城鎮化進程不斷加快，隨著城市規模的擴張，建設用地的稀缺性增強，城市建設逐漸打破原有生態格局的約束，對城市外圍山體、森林、耕地、河流等開放空間構成功能轉換，通過工程措施改造地形作為開發建設用地。因此，在山地城市開發建設中難免會出現開挖山體、溝谷回填等改變自然環境的人為行動。在生態文明建設的大背景下，國內專家學者不斷研究利用新技術實現從城市規劃前期階段對城市布局、路網設計、自然山水保護進行協調規劃，實現城市的可持續發展。

近年來，GIS+BIM的集成與應用正在逐步發展，陳光[1]等提出了一種市政道路BIM設計模型與GIS集成方法，基于CityGML擴展框架，通過擴展道路設計模型，研究道路BIM數據與GIS數據的集成與表達。熊桂開[2]等研究了通過整合三維地理信息環境，集成工程設計、GIS與BIM技術，在三維地理信息環境下開展工程設計工作，提高了在復雜環境下山地城市路網規劃設計的科學性與可實施性。羅睿[3]等提出了基于GIS的BIM技術的路網優化設計方法，通過整合研究區域的三維地形模型，集成路網設計數據文件，提出了“模擬-評估-反饋-優化”的漸進式優化思路，并應用于實際工程中，取得了良好的效益。

2 GIS與BIM技術在綠色設計中的應用方法

2.1 GIS與BIM技術融合優勢

將BIM技術和GIS技術融合形成三維輔助設計技術。GIS(Geographic Information System)地理信息系統是近年來迅速發展起來的一門空間分析技術，在資源與環境應用領域中發揮著技術先導的作用。GIS技術不僅可以有效地管理具有空間屬性的各類環境資源信息，對資源環境管理和實踐模式進行快速和重復地分析測試，便于制定決策、進行科學和準確的標準評價。廣泛應用在資源調查、環境評估、災害預測、國土管理、城市規劃、交通運輸等多各領域。BIM與GIS的集成被視為數字城市向智慧城市發展的關鍵技術之一，受到國內外專家學者的廣泛關注。但受制于數據來源、軟件平臺、顯示效率等技術難題，現有研究僅僅開展了單個BIM模型向GIS模型的轉換與集成，尚未實現BIM數據在三維城市中的集成和應用。

BIM的整個生命周期從設計、施工到運維都是針對BIM微觀單體精細化模型，但其不可能脫離周邊的宏觀環境要素。而GIS一直致力于宏觀地理環境的研究，提供各種空間查詢和空間分析的功能，實現項目實際生態環境直觀再現，便于基礎數據分析與環境銜接決策。

將GIS與BIM技術融合，把微觀領域的BIM信息和宏觀領域的GIS信息進行交互，建立三維輔助設計關鍵技術體系，滿足動態設計、展示查詢和空間信息分析等功能，克服BIM技術對外部宏觀環境把握不足的缺點。BIM與GIS的融合，能夠用于大范圍路網與環境的協同分析[4]。

2.2 GIS與BIM技術融合分析方法

GIS與BIM技術融合在綠色設計中的應用基本思路為基礎數據建設、規劃數據分析、優化分析基本設計過程，可通過“分析-優化”相互迭代，實現與方案與環境的友好銜接。在分析過程中創新引入GIS云分析大數據處理功能，大幅提升大范圍路網工程的數據處理能力和效率，同時結合GIS的高精度、大場景數據環境以及BIM高精度參數化模型，形成具備環境要素的動態優化調整流程，實現綠色設計在工程中的實際運用。具體流程如圖1所示。

圖1 主要技術路線

(1)建立高精度三維數字地形模型

通過采集獲取研究范圍的高程數據和現狀影像，構建三維平臺，集成現狀數據形成高精度的三維數字地形模型。該成果把現狀地形數字化，具有真實坐標和高程，反映山、水、林、田等地形地貌，是對項目環境的真實還原。后續可通過數字地形平臺進行等高線、坡度等數據分析，為規劃數據分析和綠色設計提供基礎平臺[5]。

(2)規劃數據分析

在數據平臺基礎上，導入規劃路網平面、標高、橋梁、隧道、綠化及水系等信息，運用GIS技術對規劃信息數字化，為等高線、坡度等分析提供支持和表達，同時形成綠色設計的規劃本底數據，以高程曲面表達，為后續大范圍的對比分析提供基礎支撐。

(3)規劃成果BIM制作

在三維數字地形中，建立規劃路網的BIM模型，從而實現規劃成果與實際環境結合的三維直觀展現，通過疊加用地、水系、管線等資料，從生態環境的大場景中分析規劃方案與自然地形的銜接情況，設計師可通過平臺所表達的規劃成果判斷項目的填挖情況，以及項目需要設計橋梁、隧道、擋墻等大型結構物的規模情況。

(4)路網優化，綠色設計

結合規劃數據分析及模型制作，基于環境因素，在BIM模型基礎上對路網進行動態優化調整，運用GIS技術對優化方案進行數字化處理，構成優化設計曲面，與規劃本底數據進行對比分析，從而實現大范圍路網的整體評估，并迭代反饋，降低工程規模，節約工程投資，實現綠化設計在路網方案的科學性、合理性和環境友好性，降低對生態環境的影響。

3 工程案例

3.1 項目概況

惠民新城位于重慶市巴南區，緊鄰南岸茶園建成區及未來重慶東站高鐵經濟區，是聯系東部生態城西側集中建設區和東側廣域生態腹地的重要節點，是“十四五”期間產業發展和城市拓展的主戰場，規劃范圍約 18.22 km2，研究區位如圖2所示。

圖2 研究區位

3.2 建設條件

惠民新城地處“兩山夾一谷，一水縱南北”的槽谷地帶，兩山即樵坪山和明月山，一水為漁溪河穿流其間。整體來看，整個地塊中間低，周邊高，區內地形起伏較大，地形地貌建設條件復雜。此外，區內有惠民老鎮、繞城高速、渝湘高鐵、軌道和市域鐵路，控制條件較多。

3.3 三維數字模型建立

本項目采用無人機對規劃范圍低空航空攝影，并集成構建高精度三維數字模型平臺，如圖3所示。

圖3 三維數字模型

在平臺基礎上，進行等高線分析、坡度、坡向分析，直觀、真實反映了區域地形地貌現狀，為后續規劃分析和優化設計提供了基礎數據支撐。如圖4所示。

圖4 三維地形分析

3.4 路網規劃方案分析

規劃范圍內主要為居住、商業、教科研及綠化用地，交通等級分為四個層級，為高(快)速路、主干路、次干路和支路，路網總長約 59.3 km，規劃地塊約154塊。結合地形，路網呈自由式及方格網式組合布局。將規劃路網平面及高程等技術參數導入GIS信息模型中，分析規劃路網與現在自然環境的關系。

圖5 規劃填挖GIS表達(左-原始地形，右-考慮地下空間)

通過規劃路網與原始地形的填挖結合情況的GIS表達(圖5)，呈現出挖方區域較多且挖方深度較大的特征，經過規劃路網的三維模擬，規劃范圍總挖方 3 381萬方，總填方 1 972萬方，棄方 1 409萬方。如分析地塊地下空間開發則出現區內整體挖方，且挖方量巨大。

3.5 路網優化

運用三維平臺對現狀地形進行分析，確定區內地形變化走勢、水系岸坡變化規律，結合現狀建設條件，構建規劃路網BIM模型，直觀展示路網與GIS大場景生態環境的銜接狀況，針對地形起伏較大、路網及地塊挖填較大的區域，開展科學合理的優化調整。

本次優化調整主要從以下幾個方面進行：

(1)優化路網格局

結合現狀地形、路網結構及用地開發強度，適當優化路網貫通銜接，便于交通轉換和建設用地開發利用，路網銜接優化如圖6所示。

圖6 路網銜接優化

(2)優化路網節點豎向

根據現狀地形環境，結合規劃路網填挖數據GIS分析，優化重點區域路網交叉口高程，本文選擇規劃區南部(圖7、圖8)及東部片區(圖9、圖10)進行節點豎向優化，在滿足規范和交通功能有序運行的前提下，統籌相交道路銜接，優化節點高程。

南部片區優化調整了19個節點高程，平均抬高 2 m～8 m。優化后，該片區挖方減少約196萬方(減少幅度達47%)，棄方減少約260萬方，減少了對生態環境的開挖影響。

圖7 南部片區節點豎向優化

圖8 節點豎向優化前后生態環境適應性對比

圖9 東部片區節點豎向優化

圖10 節點豎向優化前后生態環境適應性對比

東部片區優化調整了13個節點高程，平均抬高2 m～10 m。優化后，該片區挖方減少約84萬方(減少幅度達42%)，填缺48萬方，片區開發土石方趨于平衡，東部片區受繞城高速阻隔，優化方案避免了跨繞城調運土方的不利局面，與現狀結合更優，與生態環境的關系更和諧。

3.6 優化結果

運用GIS與BIM技術優化后的路網與現狀結合更佳，山地城市中具有的山體、水系、湖體等生態環境得到充分保護，避免大填大挖的開發模式，為打造山清水秀美麗之地創造基礎建設條件，也從以下幾個方面提升了路網功能、節約了工程投資。

(1)合理路網布局。在現狀基礎上，綜合分析建設用地開發強度，路網通達程度，及受水系阻隔影響等因素，合理貫通路網，加強交通服務功能。

(2)合理土石方開發。本項目通過綠色設計思維，規劃范圍南部片區和東部片區挖方得到大幅度減小，幅度均達40%以上，同時避免了土石方的跨區調運，也緩解了土石方運輸對城市品質的影響，降低了土石方開發成本，僅土石方節約投資2.6億元。

4 結 語

工程建設與生態環境密切相關，隨著GIS與BIM技術的融合發展，基于大場景的三維可視化及BIM參數化技術在工程規劃建設過程中應用越來越受關注。本文提出了GIS與BIM技術在綠色設計中的應用方法，GIS技術不但提供了大范圍場景的三維可視化功能，還提供了不同設計曲面大范圍路網和場地分析，快速直觀地展示與地形環境的結合情況，為路網優化指明準確研究方向。通過三維數字地形平臺，集成BIM技術數據文件，形成動態優化，實時評估反饋，實現環境友好的綠色設計成果。最后以惠民新城的路網優化為例，驗證了該方法的科學性、合理性，為工程建設取得良好的經濟效益，為生態環境取得良好的環境效益，為社會發展取得良好的社會效益，踐行“綠水青山就是金山銀山”的生態保護、可持續發展理念。