BIM+GIS技術在復雜山區公路選線中的應用研究*

沈伯昭 顧大鵬 葉 煒 梁 磊 樊浩銳

(北京市國道通公路設計研究院股份有限公司 北京 100053)

山區高速公路是我國交通運輸的重要組成部分[1]。隨著信息化技術的飛速發展，國家對公路工程項目規劃設計的科學性及生態環保性提出了更高要求[2]。2016年7月，交通運輸部《關于實施綠色公路建設的指導意見》明確指出鼓勵應用BIM(building information modeling)技術。2017年12月，交通運輸部《公路水運品質工程評價標準》中明確將BIM技術列入品質工程加分項。基于先進的技術探索復雜山區公路地形、地質、環保選線的新方法，不僅具有工程實際價值，也對生態環境保護有深遠影響。

目前，傾斜攝影技術可在短時間內建立大規模的山區路線帶GIS(geographic information system)模型，實現山區地理信息空間全方位、高精度的可視化表達[3]。基于BIM精細化建模技術結合可以更準確模擬復雜道路橋梁工程設計方案，形象展現局部工程結構特點[4-5]。將BIM與GIS技術結合應用于實際工程項目，可以有效優化設計方案、保證設計質量、提高交底效率[6-7]。

延崇高速是2022年北京冬奧會的重要賽場聯絡線，也是“綠色公路”“品質工程”示范項目。該項目地形地質條件復雜，涉及特大橋、特長隧道等特殊工程，設計施工難度大，對工程質量及景觀環保性要求較高。本研究將依托延崇高速(山區段)工程開展BIM+GIS技術工程應用研究。

1 BIM+GIS模型建立

1.1 地形模型建立與模型輕量化

1.1.1基于傾斜攝影的三維地理信息模型建立

橋梁、隧道設計對地理環境的依附性很強，需要基于高精度的地理信息模型輔助設計[8]。通過傾斜攝影數據建立GIS模型，可有效整合線路帶周邊信息資源，實現工程范圍全方位、高精度的可視化表達，為選線過程中的空間分析及線路方案決策提供技術支持。傾斜攝影數據建立的地理信息模型平面和水平誤差可滿足大比例尺地圖的精度要求[9]。

本研究基于該技術采集延崇高速山區段路線帶全線地形影像數據，結合實地踏勘數據對采集的影像數據進行初步校核處理和區域聯合平差，并通過圖像拼接及高程點校核，優化處理地理信息數據，快速生成三維數字地理信息模型。

1.1.2地理信息模型輕量化處理

GIS數據的輕量化是縮短BIM+GIS模型加載時間，確保模型可用性的關鍵。本研究在保證路線范圍地理信息模型精度同時，對遠離路線帶區域進行局部輕量化處理。

首先將標準化處理后的GIS數據導入BIM平臺，結合實際地形地貌特征及地物分布狀況進行BIM地理信息模型分區，對遠離路線帶的區域分別采用邊緣收縮及點刪除的方法進行局部三角網格簡化，并對構成三維地模的三角面片進行合并處理及三角網格優化，見圖1。

圖1 地理信息模型網格優化

1.2 復雜地物模型建立

在傳統二維圖紙中，除了等高線、高程點，還有很多信息在建模過程中未被很好利用，如舊路信息、房屋信息、地塊信息等。通過BIM技術可以按類別屬性自動提取地形圖中的地物信息并在BIM平臺集成展示，使設計人員最大化利用現有地理信息數據，優化設計方案。

本項目在BIM+GIS三維數字地模的基礎上，快速提取實測高精度地形圖中的沿線山體、房屋、農田、舊路、陡坡、流域、地塊等信息，通過Map 3D將地形圖信息轉成Sdf格式并導入BIM平臺，快速進行地塊劃分，并按區塊自動建立房屋、農田、舊路等三維實體模型，真實還原沿線實際環境，三維地物模型建立示意見圖2。

圖2 三維地物模型建立

1.3 三維地質模型建立

延崇高速山區段工程地質條件復雜、圍巖等級變化大，選線方案對公路穩定性影響較大。本項目基于BIM技術對地質勘察的鉆孔數據進行三維可視化建模。首先對采集到的鉆孔數據進行分析，結合該樁位的地質縱剖圖，對探測到的地質夾層鉆孔數據進行鉆孔點位補充；接著根據巖性的不同，計算所需提取的地質巖層層數，確定每個地質巖層的厚度；在此基礎上以鉆孔數據為樣本，采用插值法擬合出三維地質層數據，根據不規則三角網格構網方式，將計算得的點有序連接生成地質界層并建立模型實體；最后基于BIM平臺實現地質實體沿路線帶任意斷面的剖切，直觀展現延崇高速路線帶三維地質狀況及任意位置詳細的地質層信息，選取溫泉特大橋三維地質模型示意見圖3。

圖3 溫泉特大橋三維地質模型建立

1.4 多專業模型建立與集成整合

本項目基于BIM技術建立了多專業協同設計平臺，并提出了多專業協同設計流程方法，其流程框架見圖4。

圖4 多專業協同設計流程框架

在項目準備階段，制定各專業統一的建模標準，由路線專業人員制定線位基準(項目基準)并上傳至中心文件；在方案階段，各專業設計人員(橋梁、隧道、機電、排水、交通專業)基于統一的BIM中心文件建立各自的本地文件，先后完成專業模型建模，并及時在中心文件中進行模型同步上傳；在施工圖階段，各專業人員將設計好的路橋隧、機電、交通模型通過固定點坐標的方式與地理信息模型進行集成整合，并進行多專業“一張圖”碰撞檢查、深化設計和設計方案可視化展示，多專業一張圖設計成果見圖5。

圖5 多專業一張圖設計

2 山區公路設計方案綜合論證比選

項目組結合實際工程需要，綜合考慮地形因素、地質條件、環保要求，分別提出基于BIM模型的公路工程地形、地質、環保選線的思路方法。

2.1 地形選線

基于BIM技術對初步選線結果進行展示及對比分析：根據起終點、線位走廊帶內各種地形、需避讓地物等控制因素，在初設階段確定的走廊帶內選出6條經濟可行的路線方案，并在三維地理信息模型中進行可視化集成展示，有效輔助設計人員快速確定推薦線位和重要節點局部比較線位。

基于BIM+GIS精確的地理信息模型對重要節點線位比選分析，在精細化的地理信息模型中清晰展現不同設計方案三維設計效果，其可視化展示見圖6，具體評價指標見表1。由圖6可見，工可設計方案穿越山脊、線位高程高、結構類型復雜(采用多段短隧道連接形式)；BIM推薦方案有效避讓了山脊，降低了高程，同時簡化了結構類型(采用橋梁跨越形式)。

圖6 地形選線方案可視化展示

表1 地形選線考慮因素

在復雜公路橋梁、隧道等控制性節點方案設計中，基于真實三維地理信息模型，可以更清晰地展現設計方案，更準確地統計設計工程量，更直觀地進行線位優化調整，有效減少設計變更，提高復雜山區公路設計方案論證必選效率。

2.2 地質選線

本項目所在區域地勢起伏較大，設計方案擬采用穿山隧道的方式，需要選擇地質條件較好、縱坡平緩區域完成穿越。項目基于BIM+GIS技術對沿線地質鉆孔數據進行分析建模，更清晰地展現了場地東部K3+700附近大斷裂與原設計線位相對位置關系。

在初步查明的地質病害走廊帶內，以地質病害區域范圍作為紅線點，以盡量避讓災害點為原則，通過三維可視化模型，輔助設計人員更快速對設計方案進行分析比選，最終選擇盡避讓方案見圖7，具體評價指標見表2。

圖7 地質選線方案可視化

表2 地形選線考慮因素

2.3 環保選線

在選線過程中，應將公路線位對自然景觀的影響降到最小。本工程路線帶穿越百花山國家級自然保護區，依據國務院修訂的《中華人民共和國自然保護區條例》規定，在自然保護區的核心區和緩沖區內，不得建設任何生產設施。因此在工程環保選線中首先需判斷線位是否跨越自然保護區的核心區和緩沖區。基于高精度的BIM+GIS地理信息模型，可以更準確地量化核心區、緩沖區與設計線位的相對距離，確保設計線位的準確有效。

在滿足國家自然保護條例的基礎上，本項目從環境影響角度，分別考慮不同方案對沿線生態環境、水環境、聲環境等方面的影響程度，建立了環保選線評價指標，并基于高精度BIM模型對各指標進行量化，具體評價指標見表3。基于表3綜合指標重要性、指標影響程度、規劃協調性給出比選結論。

表3 環保選線考慮因素

3 結語

本研究以延崇高速公路(山區段)工程為例，提出了多專業協同設計方法，并進行了BIM+GIS技術在山區公路地形、地質、環保選線中的應用研究。研究結果表明：

1) 將GIS數據與BIM平臺融合，可以有效整合空間地理信息，更直觀形象地展現設計方案，更準確進行工程量統計校核，從多角度輔助設計決策。

2) 多專業人員基于統一的BIM+GIS模型進行協同設計，可以有效加快設計進度，減少設計變更，提高設計質量。

3) 基于BIM+GIS模型進行環保選線，可以更準確量化各評價指標，對于局部方案量化比選、優化空間線形等方面具有重要作用。