基于GIS 的BIM 技術在路網優化設計中的應用研究

羅 睿，黃 凱

（重慶市勘測院，重慶市401121）

0 引 言

黨的十八大以來，黨中央站在戰略和全局的高度，對生態文明建設和生態環境保護提出一系列新思想、新論斷、新要求，為努力建設美麗中國，實現中華民族永續發展，走向社會主義生態文明新時代，指明了前進方向和實現路徑。推動生態文明建設，建設美麗中國，對傳統的設計模式和方法提出了更高的要求。

隨著計算機技術的進步，以協同工作和信息集成為目標的建筑信息模型（BIM）在工程設計中正逐步得到推廣應用。但BIM 技術主要應用在單個工程項目的設計、管理中，其核心特點為單體精細化模型，對道路、建筑周邊宏觀的地理環境因素的影響考慮不足。地理信息系統（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功能[1]。隨著跨領域信息集成研究的深入，GIS與BIM 技術的集成能夠克服BIM 技術對外部宏觀環境把握不足的缺點。GIS 與BIM 跨領域信息集成研究受到國內外專家學者的廣泛關注。

陳光[2]等提出以CityGML 標準為基礎，研究建立了擴展道路設計模型，支持道路BIM 設計模型數據與三維GIS 模型數據的集成存儲和表達。王樹臣[3]等對BIM 和GIS 的通用數據模型標準IFC和CityGML 兩者在數據表達中的差異進行了對比分析，并對BIM 與GIS 集成技術的應用場景和優勢進行了分析。薛梅[4]等針對全生命周期管理應用的需求，提出了CAD/GIS/BIM 在線集成框架，通過應用實踐驗證了技術框架的可行性。何興富[5]的研究結果顯示云計算可顯著降低當前地理信息服務的重復投入和維護成本，提升GIS 應用搭建和部署的效率。劉釗[6]等分析了基于三維GIS 的道路工程快速建模可行性，提出了“分隔—歸并”的思想，首先利用道路模型對原始地形進行調整并拼合成新的地形模型，再依次向新構建的三維場景中加載影像數據、道路數據、構筑物模型等。

本文分析了基于BIM 技術路網設計的特點與不足，結合GIS 的特點分析了GIS-BIM 路網優化設計的優勢，建立了GIS-BIM 路網優化設計框架體系。最后以重慶市江北區唐桂新城為工程案例進行應用分析，結果顯示，該方法具有良好的經濟和社會效益，提高了城市路網設計的科學性和合理性，降低了工程建設對生態與環境的影響。

1 基于GIS 的BIM 技術路網優化設計的方法

1.1 基于BIM 技術的路網設計的特點與不足

基于BIM 技術的道路設計主要特點表現在三個方面：

（1）可視化建模。通過建立虛擬的工程三維模型，利用數字化技術，為模型提供完整的、與實際情況相一致的工程信息庫。將以往的線條式構件形成三維立體實物展示，建立道路主線、立交、橋梁、隧道及其附屬結構物、景觀等要素三維模型。項目設計、施工、運營過程的溝通、交流、決策都可在可視化狀態下進行。

（2）提高各階段的設計質量。通過動態設計、沖突分析、實景模擬等，減少設計的錯誤率和返工率，增強了設計方案對地形特征的針對性。

（3）增加各專業的協同。道路工程是多專業相互配合的，在BIM 系統的搭建過程中，各個專業可以共同建立、使用、豐富平臺，協同設計得以實現[7]。

基于BIM 技術的路網設計的不足如下：

BIM 技術主要應用在單個道路工程項目的設計、管理中，其核心特點為單體精細化模型，對道路、建筑周邊宏觀的地理環境因素的影響考慮不足。

片區路網設計、新區建設等與大范圍的沿線地形、地質、景觀及建成區現狀等關系密切。在山地城市中大范圍的路網設計，針對山地城市復雜的地形、水系、立體交通等特征，單一的BIM 技術難以對外部地理信息進行全面分析，設計的準確度和科學性難以保證。

1.2 GIS-BIM 路網優化設計的優勢

GIS 技術通過三維建模展現項目的地理位置和外部環境，通過對海量地理空間信息數據進行獲取、保存、管理、分析，能夠真實呈現大范圍的地理空間。GIS 技術不僅可以有效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的分析測試，便于制定決策、進行科學和準確的標準評價。目前已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、交通運輸等多個領域。

將GIS 與BIM 技術集成與各自單獨應用相比，在建模質量、分析精度、決策效率、成本控制水平等方面均有明顯提高。路網動態優化設計與山體、水體、場地等關系密切，對保護現狀自然環境，打造環境友好、美麗山水的城市具有重要意義。將GIS-BIM 技術應用在路網動態優化設計中的主要優勢如下。

（1）克服BIM 技術對外部宏觀環境把握不足的缺點。GIS 通過構建高精度虛擬地理環境，實現多維、多尺度、多設計對象三維精細化表達及高效集成，實現現狀地形、道路、場地、水系、景觀等空間對象的三維精細化表達，解決傳統平面圖在豎向銜接、立體關系上表達較弱的問題，可輔助城市新區規劃設計全過程，對建設高品質城市新區具有重要意義。

（2）實現三維地理環境下設計方案草繪、模擬、調整、評估、優化全過程服務。實現道路、場地、水體等對象的快速建模、評估與反饋，通過多次優化降低路網土石方工程量和總體工程規模，節約建設投資。

（3）解決傳統規劃設計工作交互性差、方案比選效率低、無法開展動態分析等問題，在GIS-BIM集成模型使用過程中保持數據源文件的位置相對穩定，已經生成的三維場景文件被保存在工作空間中，直到打開場景時才調用數據。當設計方案和數據發生變動時，只需更換變動部分的數據文件，無須對整個場景進行重建，有效提高建模速度和效率。

1.3 GIS-BIM 路網優化設計框架體系

GIS-BIM 路網優化設計的基本思路為“模擬—評估—反饋—優化”的漸進式優化過程，通過反復推敲設計成果的合理性，最終促成設計成果的落地。GIS 高精度地理環境和BIM 參數化設計模擬構建漸進式規劃設計流程，提高了片區路網整體協同性。GIS-BIM 動態路網上設計優化流程如下。

1.3.1 高精度三維地形模型建立

道路邊坡馬道平臺、路緣石、路邊石等細部設計成果必須使用平面精度和垂直精度都大于1 m的DEM 進行存儲。通過采集或獲取片區范圍的現狀影像、數字高程模型、1∶500 地形圖等地形資料，建立集景三維地形模型平臺，融合形成高精度的現狀三維地形模型成果。三維場景的地形數據DEM 柵格數據，DEM 的生成有兩種方法：一是先生成三角網TIN（triangulated irregular network），再轉為DEM；另一種是由點線面數據直接生成DEM。前者的精度更高，該研究采用基于TIN 的高精度數字地形模型構建。該地形成果是對現狀地形地貌的真實還原，能夠代表山勢起伏，作為規劃設計的“底板”。在此基礎上進行高程、坡度、坡向、等高線等分析，通過圖層疊加、透視、剖切、專題圖渲染等方式，實現虛擬地理環境的多角度展示與表達，為片區規劃研究、豎向設計、路網優化提供了地形基礎[8]。

1.3.2 規劃資料整合分析

在BIM 設計平臺進行規劃路網方案的平面線形設計，縱斷面設計，橫斷面裝配設計，橋梁、隧道、立交等三維道路設計模型制作，實現市政設計成果的三維可視化。將道路設計文件導入集景三維地理設計平臺中，在三維可視化的基礎上，結合平臺的GIS 技術實現三維模型的外部環境分析功能。并在平臺中疊加水系規劃、用地規劃等規劃資料，平臺可直觀展示規劃路網與現狀山體、湖泊等自然景觀的關系，設計人員可根據三維模擬結果判斷道路是否存在大填大挖，是否存在大型構筑物。

1.3.3 路網動態優化調整

結合三維模擬結果，對道路選線進行動態調整，優化道路平面、縱斷面、交叉口形式，減少隧道工程、橋梁工程、支擋結構工程，降低片區開發的基礎設施建設成本。協調好城市路網、湖泊水系、城市綠地與保留大型山體、水體，減少對自然生態環境的破壞。

1.3.4 土石方工程計算

在項目研究范圍內，豎向進行全局把控，利用三維地理設計平臺進行道路、場地土石方快速計算，減少道路和場地平整土石方，合理調配土石方。結合道路建設時序和周邊地塊開發，預先選好棄土場，降低后期開發成本。

1.3.5 綜合分析與評價

通過漸進式的優化流程，逐步優化道路設計方案。綜合評價方案的經濟性、科學性、合理性。

2 工程案例——唐桂新城路網優化

2.1 項目概況

唐桂新城地處重慶兩江新區發展核心區、江北區中段，是重慶主城區的東水門戶，是江北區“十三五”期間的主要發展區域（見圖1）。規劃面積約8.1 km2。根據唐桂新城最新2018 版土地利用規劃及2014 版道路交通規劃，片區用地規劃與交通規劃存在差異，道路交通體系不健全，路網系統有待深化。

圖1 項目區位

2.2 控制因素分析

唐桂片區位于城市發展新區，其中片區核心區域位于棟梁半島，區內有兩岔河、棟梁河兩條河流，區域高差超過100 m，具有地形起伏大、水域多、地貌條件復雜、基礎設施建設難度大的特點。區內有渝長高速、渝長高速復線、渝懷鐵路及其復線、渝利鐵路聯絡線以及兩條軌道交通，控制條件較多。

2.3 高精度三維地形模型建立

該項目采用無人機對研究區域進行低空航空攝影，采用航空攝影測量的方法進行像控點測量、空中三角測量、立體采集、單片糾正等步驟生產高精度數字正射影像圖和數字高程模型，集成得到地形三維模型數據。建立基于GIS 的三維實景地形地貌，如圖2 所示。

圖2 三維實景地形

此次研究區域為構造剝蝕丘陵地貌，總體呈現東高西低、北高南低。其中棟梁半島片區受棟梁河、兩岔河分割，呈現三個臺地的地形特點。最高點海拔高度約335.3 m，最低點海拔高度約160.2 m，相對高差175.1 m。

2.4 路網規劃設計方案分析

既有路網規劃與地形結合較差，有待進一步優化。項目范圍內規劃道路長度總計54.68 km，其中主干路7.45 km，次干路19.2 km，支路28.03 km。規劃地塊共計93 塊。根據地形特點，道路主要沿等高線、河道布設，呈自由式網絡。將規劃方案的道路設計參數導入集成周邊GIS 信息的三維模型中，分析路網與外部環境的相互關系（見圖3）。

圖3 基于GIS-BIM 技術的規劃路網分析圖

由規劃路網方案三維模擬可以看出道路整體呈現大填方的特征，對區內現狀河流兩岔河、棟梁河影響較大，自然放坡進入河道保護范圍線。規劃路網方案在道路平、縱兩個方面存在以下問題。

2.4.1 平面存在的問題

（1）平面線位不合理。部分道路線位與地形結合差，形成大填大挖，對現狀山地破壞較大。部分交叉口設計在河道保護范圍線內。

（2）規劃線位與現狀存在明顯沖突，如桂花灣片區北側，跨棟梁河次干路與現狀鐵路橋墩存在沖突。

（3）規劃道路與現狀地塊高差大，道路對地塊的服務功能差。

2.4.2 縱段面存在的問題

（1）交叉口標高不合理。規劃高程與地形結合差、填挖大。

（2）與水系高差大。棟梁河兩側道路規劃高程與水系高差大，支擋結構、填方邊坡高度過大。三維模擬分析結果顯示道路放坡侵入河道，如圖4所示。

圖4 規劃方案與河道關系圖

（3）縱坡超限。控規方案未嚴格控制交叉口和道路縱坡，超過設計規范值，存在安全隱患。

2.5 優化設計

使用GIS-BIM 技術對現狀地形進行分析，確定整個地形高程變化的特征。結合山體、河道、鐵路、高速公路等限制條件，將區域場地進行重塑，降低全線濱河路標高，局部由平面交叉改為分離式交叉，重塑路網脈絡。由于區域內地形地貌起伏較大，規劃方案存在較多大填大挖現象。此次優化設計通過集成現狀地理信息GIS 與道路等建構筑物信息BIM，直觀展示分析存在的矛盾并提供合理的優化解決思路。

綜合以上分析，此次優化設計從以下三個方面進行。

2.5.1 優化路網結構

結合現狀地形，減少大填大挖，避免與現狀鐵路橋墩等沖突，減少對現狀水系的破壞。規劃中道路總計37 條，此次共計優化道路平面線形12 條，取消道路5 條，增加道路5 條。

2.5.2 優化道路豎向及交叉口

結合三維地形模型動態優化交叉口高程，以棟梁河、兩岔河、渝長高速、渝懷鐵路等為關鍵控制因素，統籌考慮與相交道路的關系，此次共計優化25 處交叉口。在滿足區域交通功能轉換的前提下，將對棟梁河兩岸部分交叉口由平面交叉改為分離式交叉口，降低濱河路的平均高程，減少道路填方高度，減少邊坡及支擋結構對河道的影響（見圖5）。

圖5 優化后方案與河道關系圖

2.5.3 優化土石方工程量

統籌道路工程土石方和周邊地塊場平土石方工程量。基于道路設計高程進行場平土石方測算。此次對唐桂新城47 條道路進行道路土石方測算，結合道路豎向設計高程，對唐桂新城35 個地塊進行豎向設計（見圖6）。

圖6 優化后地塊場平計算圖

2.6 結果分析與評價

優化后路網與地形結合更優，濱河路親水性更佳。沿河地帶景觀品質得到大幅提升。山體、水系自然景觀得到保護，避免大填大挖，實現了“綠水青山就是金山銀山”的發展理念。優化后的豎向設計為打造高品質城市建設創造基礎條件，工程建安投資大幅優化。

（1）土石方工程。道路土石方由原控規的挖方917 萬方優化為681 萬方，減少挖方236 萬方；填方由原控規的2436 萬方優化為462 萬方，減少填方1974 萬方。

（2）結構工程。減少濱河路沿岸支擋結構3.5 km，約32.6 萬方；增加橋梁長度450 m，增加道路長度1020 m。

節約建安投資約5.67 億元，經濟效益明顯。

3 結 語

隨著計算機技術的進步和發展，三維可視化技術在工程應用領域扮演了越來越重要的角色。本文提出了基于GIS 的BIM 技術的路網優化設計方法，GIS 技術提供整個空間的三維可視化分析，極大地改善了BIM 技術對外部環境信息分析不足的問題，實現從微觀到宏觀的三維框架體系，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。最后以重慶市江北區唐桂新城路網優化為工程案例，驗證了該方法的可實施性和科學性，取得了良好的經濟效益與環境效益，踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念。