GIS-BIM技術在山地城市路網(wǎng)優(yōu)化設計中的應用*

熊桂開，朱麗麗，薛 梅

(重慶市勘測院，重慶 401121)

GIS-BIM技術在山地城市路網(wǎng)優(yōu)化設計中的應用*

熊桂開，朱麗麗，薛 梅

(重慶市勘測院，重慶 401121)

為提高山地城市路網(wǎng)設計的科學性與合理性，將地理信息(GIS)與建筑信息模型(BIM)技術引入到山地城市路網(wǎng)優(yōu)化設計中來，構建了以道路等建構筑物信息為模型, 以三維GIS為模擬分析手段的地理設計方法，實現(xiàn)了在大范圍三維GIS場景中BIM要素的可視化模擬與分析。并以重慶港城工業(yè)園區(qū)B區(qū)路網(wǎng)工程為例，使用GIS與BIM技術對該路網(wǎng)進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)了優(yōu)化后的路網(wǎng)與周邊地形、地貌以及地理環(huán)境的完美融合，且節(jié)省工程投資3.46億元。

道路工程；GIS-BIM；山地城市；路網(wǎng)優(yōu)化

山地城市是指大部分土地分布于山地區(qū)域的城市。包括地理學劃分的山地、丘陵與高原，它們占到我國陸地面積的2/3以上。因其地形、地貌、地質(zhì)條件較為復雜，導致山地城市土地資源分布不均勻，用地緊張[1]。這些不利基礎條件對城市路網(wǎng)布局、用地布局、建筑選址、基礎設施布局等方面有著較大制約，且對工程建設的難易度與工程建安費用的投入有很大影響。因山地城市建設條件的復雜性，其建設難度與工程建安費用遠大于平原城市，所以在城市路網(wǎng)的前期規(guī)劃設計中需對地形地貌進行合理分析，劃定適宜建設的用地范圍，避開地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)，避免大填大挖，減少因基礎設施建設對山地生態(tài)環(huán)境造成的不良影響。

近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，道路規(guī)劃設計正邁向一個三維、集景、動態(tài)的世界。筆者在傳統(tǒng)山地城市路網(wǎng)規(guī)劃設計的基礎上引入GIS與BIM 技術進行山地城市路網(wǎng)優(yōu)化設計[2-3]。將相關基礎條件、自然條件、規(guī)劃方案等不同類型的空間信息與屬性數(shù)據(jù)進行一體化管理，使整個設計過程都處在一個可視化的環(huán)境中。同時可根據(jù)需要對這些數(shù)據(jù)進行實時查詢、分析與模擬，快速實現(xiàn)多方案比選與工程方案優(yōu)化，從而大大提高山地城市路網(wǎng)規(guī)劃設計的效率，縮短設計周期，提高城市路網(wǎng)設計的科學性與合理性[4-5]。

1 GIS-BIM規(guī)劃設計技術體系

GIS-BIM規(guī)劃設計技術體系流程如圖1。

圖1 GIS-BIM規(guī)劃設計技術體系流程Fig. 1 Flow chart of GIS-BIM planning and design technical system

1.1 基于GIS的高精度三維虛擬環(huán)境構建

高精度虛擬地理環(huán)境作為開展山地城市規(guī)劃設計的工作環(huán)境，包括地形地貌、地上建構筑物、地下建構筑物、地下管線、工程地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)等自然地理空間信息和人口、教育、醫(yī)療、廠礦等空間化的社會經(jīng)濟信息。和傳統(tǒng)二維GIS的疊圖法不同，山地城市虛擬地理環(huán)境通過綜合構建地理空間數(shù)據(jù)獲取、建模、集成、表達、分析技術體系，實現(xiàn)設計區(qū)域的高度虛擬化還原。① 在數(shù)據(jù)獲取方面：通過空、天、地等方式，開展多源地理空間數(shù)據(jù)獲取和采集；② 在數(shù)據(jù)建模方面：通過語義化、參數(shù)化的建模方式豐富和拓展傳統(tǒng)測繪地理信息空間建模方法；③ 在數(shù)據(jù)集成方面：突破現(xiàn)有地表空間對象集成方法，開展大規(guī)模、分布式、地上地下一體化、室內(nèi)室外一體化、水上水下一體化空間數(shù)據(jù)集成；④ 在數(shù)據(jù)表達方面：通過圖層疊加、透視、剖切、專題圖渲染等方式，實現(xiàn)虛擬地理環(huán)境的多角度展示與表達；⑤ 在場景分析方面：結合山地城鎮(zhèn)地形地貌特色，支持多種空間分析和地形交互式編輯功能。

1.2 基于GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設計方法

傳統(tǒng)GIS軟件雖具有三維展示、空間分析等功能，但與規(guī)劃設計專業(yè)結合深度不夠，若通過在其基礎上集成CAD圖形繪制能力、BIM參數(shù)化設計能力，則能為山地城市路網(wǎng)整體優(yōu)化提供參數(shù)化、智能化支撐手段。

目前市面上集成GIS-BIM技術的規(guī)劃設計軟件主要包括3類：① 通過在CAD環(huán)境擴展GIS分析功能，為傳統(tǒng)規(guī)劃設計軟件增加空間數(shù)據(jù)的分析能力，如ArcCAD，ArcGIS for AutoCAD；② 在傳統(tǒng)GIS軟件中增加設計功能，如ArcSketch,CityEngine,INDEX；③ 根據(jù)規(guī)劃設計行業(yè)特點研發(fā)的地理設計軟件平臺，如Autodesk Infraworks、清華地理設計平臺、集景三維地理設計平臺等。

盡管目前完整支持整體設計流程的規(guī)劃設計平臺還不多見，但綜合GIS-BIM技術優(yōu)勢的新一代軟件已在生態(tài)保護、土地利用、景觀設計等領域展示了巨大的發(fā)展前景，融合多學科知識和技術軟件將會成為未來規(guī)劃設計工作必不可少的工具之一。

1.3 GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設計方法的優(yōu)勢

GIS高精度地理環(huán)境和BIM參數(shù)化設計模擬構建漸進式規(guī)劃設計流程，提高了片區(qū)路網(wǎng)設計整體協(xié)同性。例如，設計師在路網(wǎng)設計成果基礎上已經(jīng)進行了場地設計；如果設計師對路網(wǎng)平面線型、橫斷面、豎向標高進行調(diào)整，軟件將自動按照一定規(guī)則調(diào)整方案。還可隨時對設計方案進行分析、檢驗和評價，從而實現(xiàn)設計與分析的高度融合。

和傳統(tǒng)規(guī)劃設計方式相比，GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設計方法優(yōu)勢主要體現(xiàn)：① 信息交互層面：解決了和后續(xù)規(guī)劃之間信息共享、流轉的技術障礙，促進了不同規(guī)劃設計之間的集成、交互與協(xié)同；② 將GIS分析、評估和模擬嵌入到設計工作中，減少了對外部工具的依賴；③ 減輕了多方案設計的工作強度，通過參數(shù)化設計和建模工具提高了設計效率，規(guī)劃設計人員將主要精力放在方案設計和推敲上，減少了繁瑣的制圖工作；④ 方便設計師對方案的修改深化工作；⑤ 方便項目業(yè)主、公眾等非專業(yè)人士對規(guī)劃設計意圖的理解和交流。

2 工程背景

2.1 工程概況

重慶港城工業(yè)園區(qū)為市級特色工業(yè)園區(qū)，位于江北區(qū)境內(nèi)，南以渝長高速為界，北至江北區(qū)區(qū)界，東以渝鄰高速、黑石子立交為界，西至雙溪河。B區(qū)項目所在區(qū)域總占地面積約200公頃，其中綠地面積約67公頃，市政及建設用地約133公頃(圖2)。

圖2 用地性質(zhì)與路網(wǎng)規(guī)劃Fig. 2 The land use function and road network planning

2.2 地形地貌

項目所在區(qū)域地形起伏較大，遍布山頭與溝谷，地貌以構造剝蝕丘陵、沖溝地貌為主，地形坡度角8°～45°。整體呈東高西低，最西側雙溪河高程為175 m，最東側山頭最高高度425 m，整個區(qū)域高差達250 m。地勢由東至西呈階梯狀分布，可分為3個臺地。基于GIS技術的三維實景地形地貌如圖3。

圖3 基于GIS技術的三維實景地形地貌Fig. 3 Real 3D terrain and landform based on GIS technology

2.3 現(xiàn)狀條件

項目區(qū)域范圍內(nèi)有5條鐵路線路〔圖4(a)〕，分別為現(xiàn)狀的渝懷鐵路線，在建的渝利鐵路和渝萬鐵路及兩條鐵路貨運專線；區(qū)域范圍內(nèi)有22條高壓線〔圖4(b)〕，分布凌亂，對地塊分割嚴重，極大影響了地塊的開發(fā)；項目所在區(qū)域西側有雙溪河自北向南流過，按照規(guī)劃要求，該水系予以保留。

圖4 基于GIS-BIM技術的三維實景Fig. 4 Real 3D based on GIS-BIM technology

3 原路網(wǎng)規(guī)劃設計方案

港城工業(yè)園區(qū)B區(qū)總占地面積約200公頃，用地主要為工業(yè)用地、居住用地、商業(yè)用地及綠化用地。交通劃分成3個等級，分別為主干路、次干路及支路。區(qū)域內(nèi)共有21條道路，道路總里程長為17.9 km，其中主干路長為4.0 km，次干路長為9.2 km，支路長為4.7 km，原規(guī)劃方案設計如圖5。

圖5 原規(guī)劃方案設計Fig. 5 Original design plan

由圖5可以看出：傳統(tǒng)的路網(wǎng)規(guī)劃設計方法在面對山地城市復雜的基礎條件時，由于缺乏精確的數(shù)據(jù)支撐與可視化三維動態(tài)分析，導致規(guī)劃方案不符合現(xiàn)狀條件，可實施性較差。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：① 路網(wǎng)結構布局不合理，不能充分發(fā)揮服務該區(qū)域的交通功能；② 城市重塑建設與現(xiàn)狀結合較差，大填大挖現(xiàn)象嚴重，不但增大了工程投資，也對環(huán)境造城較大的破壞；③ 道路線位與建構筑物存在沖突，道路與鐵路及高壓線路矛盾較大。

4 優(yōu)化設計及結果

4.1 優(yōu)化設計

使用GIS-BIM技術對現(xiàn)狀地形進行分析(圖6)，確定整個地形高程變化的特征：地勢自西向東逐漸升高。在大的高程控制上，呈現(xiàn)出臺地上升的趨勢。結合機場高速路的選線，將城市設計區(qū)場地進行重塑，確定出3個主要建設臺地。自西向東3個臺的高程范圍依次為215～230 m，260～290 m，300～380 m。

圖6 基于GIS-BIM技術的現(xiàn)狀地形Fig. 6 Current terrain status based on GIS-BIM technology

根據(jù)重塑后3個臺地的區(qū)位條件，構建3個不同的功能片區(qū)：左側為產(chǎn)業(yè)服務基地；中間為商業(yè)服務設施用地，因中間臺地地勢相對平坦，又位于整個城市設計區(qū)的中心位置，可達性較高，適宜于商業(yè)服務設施的建設；右側為居住用地，因東側臺地為山地，地形變化大，依山就勢有利于形成山城特色的良好居住景觀，適合打造成居住組團?；贕IS技術的3個臺地劃分見圖7。

綜合考慮區(qū)域內(nèi)3個臺地區(qū)的用地性質(zhì)及其它因素，優(yōu)化區(qū)域內(nèi)外交通(圖8)，打造順暢之城。對外，使城市設計區(qū)接入周邊城市路網(wǎng)。優(yōu)化規(guī)劃機場快速路南側立交，新增立交匝道，同時在北側加設立交，使機場快速可以與城市設計區(qū)內(nèi)的道路相連通；城市設計區(qū)道路北側連接到寶石路，南側接到海爾路，西側通過海爾路復線與何白路相接。從而打通整個片區(qū)的交通聯(lián)系。對內(nèi)，通過海爾路復線與南側的區(qū)內(nèi)東西向道路加強整個區(qū)域東西向聯(lián)系。

圖8 區(qū)域內(nèi)外交通聯(lián)系Fig. 8 Transport links between inside and outside regions

由于區(qū)域內(nèi)復雜的地形地貌，區(qū)域內(nèi)部路網(wǎng)存在大量深填高挖的現(xiàn)象〔圖9(a)〕，且由于高壓線路、鐵路的存在，內(nèi)部路網(wǎng)與兩者的沖突較為突出〔圖9(b)〕。本次優(yōu)化設計通過集成現(xiàn)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(yōu)化解決思路[6]。

圖9 基于GIS-BIM技術的三維實景Fig. 9 Real 3D based on GIS-BIM technology

綜合以上分析，本次優(yōu)化設計從以下4個方面進行：① 使用基于衛(wèi)星遙感技術與地理信息技術(GIS)對區(qū)域現(xiàn)狀的地形及管線進行三維建模，以便能直觀掌握規(guī)劃設計時所需要的基礎數(shù)據(jù)，同時利用我院自主研發(fā)的集景-道路BIM三維設計軟件，集成道路BIM模型與地理信息模型，實現(xiàn)信息的可視化與結構化[7]；② 充分分析現(xiàn)狀地形、地貌與水

文地質(zhì)條件，優(yōu)化路網(wǎng)對外交通，使該規(guī)劃區(qū)域路網(wǎng)能與周邊路網(wǎng)順接；同時優(yōu)化內(nèi)部交通，對路網(wǎng)的平、縱、橫均進行優(yōu)化設計：路線平面設計上因地制宜，依山就勢，縱斷面設計上統(tǒng)籌考慮路線本身填挖工程量與周邊待開發(fā)地塊的填挖工程量，橫斷面設計根據(jù)現(xiàn)狀地形地物綜合考慮整體式或分離式路基[8-9]；③ 該區(qū)域有較多的鐵路與高壓線路，在優(yōu)化設計中應充分考慮路網(wǎng)與兩者之間的相互關系，盡可能降低該區(qū)域基礎設施建設對鐵路、高壓線路的影響；④ 節(jié)約用地與節(jié)省工程投資。優(yōu)化設計的整體目標是保證區(qū)域內(nèi)外交通功能的前提下，保護環(huán)境，減少土石方開挖；減少工程投資；解決本區(qū)域路網(wǎng)與鐵路和高壓線路的矛盾；大幅提升區(qū)域用地的價值；塑造良好的城市形象[10]。

通過多方案比選形成最終的優(yōu)化交通路網(wǎng)見圖10(a)；集成路網(wǎng)等建構筑物信息模型與地理信息模型的三維圖，見圖10(b)；路網(wǎng)優(yōu)化設計的主要控制指標值見表1。

圖10 優(yōu)化結果Fig. 10 Optimization results

道路等級控制指標路幅寬度/m設計速度/(km·h-1)縱坡/%路網(wǎng)密度/(km·km-2)主干路3650≤5≥2次干路2640≤6≥4支路1630≤7≥3

4.2 優(yōu)化結果

將港城工業(yè)園區(qū)B區(qū)路網(wǎng)優(yōu)化前后的主要工程量及工程費用對比結果匯總，見表2。路網(wǎng)優(yōu)化前后的整體結果對比見表3。

表2 路網(wǎng)優(yōu)化前后主要工程量及工程費用對比

表3 路網(wǎng)優(yōu)化前后整體結果對比

5 結 語

1)工程設計與周邊地理信息環(huán)境緊密相關，筆者通過整合三維地理信息環(huán)境，集成工程設計、GIS與BIM技術，將工程設計與測繪地理信息兩大領域協(xié)同創(chuàng)新，在三維地理信息環(huán)境下開展工程設計工作，大大提高了在復雜環(huán)境下山地城市路網(wǎng)規(guī)劃設計的科學性與可實施性，為港城工業(yè)園區(qū)B區(qū)路網(wǎng)工程節(jié)約工程造價3.46億元。

2)圍繞基于三維地理環(huán)境的設計成果的三維可視化展示、道路路線三維交互式調(diào)整、平縱橫可視化設計和道路實時三維模擬、基于三維道路模型的分析與評價等多個方面進行研究，實現(xiàn)道路設計各項指標自動計算和設計成果的三維可視化表現(xiàn)，為道路設計方案評價提供科學的依據(jù)，將為道路規(guī)劃設計工作提供了全新的思路和技術手段。

[1] 宋永朝，楊永前.山地城市路網(wǎng)抗震適應性綜合評價研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2015，34(1)：105-109.

SONG Yongchao, YANG Yongqian. Comprehensive evaluation study on seismic adaptability of mountainous city road network[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2015, 34(1)：105-109.

[2] 印明.市政工程設計中BIM技術的發(fā)展前景[J].城市道橋與防洪，2012(7)：347-349.

YIN Ming. Development prospects of BIM technology in municipal engineering design[J].UrbanRoadsBridges&FloodControl, 2012(7)：347-349.

[3] 王歆.基于GIS技術的西北地區(qū)山地城市道路優(yōu)化設計初探[D].西安：西安建筑科技大學，2013.

WANG Xin.ResearchonOptimizationDesignoftheNorthwestMountainCityRoadNetworkBasedonGeographicInformationSystem[D]. Xi’an：Xi’an University of Architecture and Technology, 2013.

[4] 聶長文.山地城市道路設計關鍵技術研究[D].北京：北京建筑大學，2013.

NIE Changwen.TheKeyTechnologyofMountainousUrbanRoadsDesign[D]. Beijing：Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 2013.

[5] 林孝松，許錫賓，周富春，等.GIS在瀾滄江-湄公河港口航道管理中的應用[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2009，28(1)：134-138.

LIN Xiaosong, XU Xibin, ZHOU Fuchun, et al. Application of GIS to port and waterway management of Lancang-Mekong river[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2009, 28(1)：134-138.

[6] 李德超，張瑞芝.BIM技術在數(shù)字城市三維建模中的應用研究[J].土木建筑工程信息技術，2012，4(1)：47-51.

LI Dechao, ZHANG Ruizhi. Research on applying BIM to build three-dimensional model of digital city[J].JournalofInformationTechnologyinCivilEngineeringandArchitecture, 2012, 4(1)：47-51.

[7] 薛梅，李鋒.面向建設工程全生命周期應用的CAD/GIS/BIM在線集成框架[J].地理與地理信息科學，2015，31(6)：30-34.

XUE Mei, LI Feng. A framework for CAD/GIS/BIM online integration in project life-cycle management[J].GeographyandGeo-InformationScience, 2015, 31(6)：30-34.

[8] 陳元濤.基于GIS的道路智能化選線方法研究[D].重慶：重慶交通大學，2012.

CHEN Yuantao.MethodsofSelectingRoadRouteIntelligentlyBasedonGIS[D]. Chongqing：Chongqing Jiaotong University, 2012.

[9] 李石科.基于GIS的道路選線及城市交通路網(wǎng)評價研究[D].重慶：重慶大學，2005.

LI Shike.ResearchofGISMethodsonRoadAlignmentandEvaluatingofUrbanRoadNetworkPlanning[D]. Chongqing：Chongqing University, 2005.

[10] 韓玲，姚紅云.城市交通與土地利用互動關系研究綜述[J].重慶交通大學學報(自然科學版)，2012，31(增刊1)：589-593. HAN Ling, YAO Hongyun. Interaction review of city transportation and land use[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2012, 31(Sup1)：589-593.

(責任編輯：劉 韜)

Application of GIS-BIM Technology in the Optimization Design of Road Network in Mountainous City

XIONG Guikai, ZHU Lili, XUE Mei

(Chongqing Survey Institute,Chongqing 401121, P. R. China)

The technology of geographic information system (GIS) and building information model (BIM) was used in the road-network optimization design in mountainous city to improve the design’s science and rationality. A geographic design method with roads and buildings information as model and with three-dimensional GIS as simulation analysis tool was established, which achieved the visualization simulation and analysis of BIM elements in large range of three-dimensional GIS scene. The road-network project of B Zone of Gangcheng Industrial Park in Chongqing was selected as a case study. By using GIS and BIM technology to optimize the design of the above road network, the project achieved the perfect integration among the road network, the surrounding terrain, landform and environmental landscape after the optimization. The application of the proposed technology also saved project investment 346 million Yuan.

road engineering; GIS-BIM; mountainous city; road network optimization

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.16

2016-02-29；

2016-05-23

熊桂開(1983—)，男，湖南益陽人，高級工程師，碩士，主要從事路橋設計方面的研究。E-mail：xionggk520@qq.com。

U412

A

1674-0696(2017)04-090-06