基于GIS的BIM技術(shù)在路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用研究

羅睿，黃凱

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

黨的十八大以來，黨中央站在戰(zhàn)略和全局的高度，對生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護提出一系列新思想、新論斷、新要求，為努力建設(shè)美麗中國，實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展，走向社會主義生態(tài)文明新時代，指明了前進方向和實現(xiàn)路徑。推動生態(tài)文明建設(shè)，建設(shè)美麗中國，對傳統(tǒng)的設(shè)計模式和方法提出了更高要求。

隨著計算機技術(shù)的進步，以協(xié)同工作和信息集成為目標的建筑信息模型(BIM)在工程設(shè)計中正逐步得到推廣應(yīng)用。但BIM技術(shù)主要應(yīng)用在單個工程項目的設(shè)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(huán)境因素的影響考慮不足。地理信息系統(tǒng)(GIS)一直致力于宏觀地理環(huán)境的研究，提供各種空間查詢和空間分析的功能[1]。隨著跨領(lǐng)域信息集成研究的深入，GIS與BIM技術(shù)的集成能夠克服BIM技術(shù)對外部宏觀環(huán)境把握不足的缺點。GIS與BIM跨領(lǐng)域信息集成研究受到國內(nèi)外專家學者的廣泛關(guān)注。

陳光[2]等提出以CityGML標準為基礎(chǔ)，研究建立了擴展道路設(shè)計模型，支持道路BIM設(shè)計模型數(shù)據(jù)與三維GIS模型數(shù)據(jù)的集成存儲和表達。王樹臣[3]等對BIM和GIS的通用數(shù)據(jù)模型標準IFC和CityGML兩者在數(shù)據(jù)表達中的差異進行了對比分析，并對BIM與GIS集成技術(shù)的應(yīng)用場景和優(yōu)勢進行了分析。薛梅[4]等針對全生命周期管理應(yīng)用的需求，提出了CAD/GIS/BIM在線集成框架，通過應(yīng)用實踐驗證了技術(shù)框架的可行性。何興富[5]的研究結(jié)果顯示云計算可顯著降低當前地理信息服務(wù)的重復投入和維護成本，提升GIS應(yīng)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?？尚行?，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(diào)整并拼合成新的地形模型，再依次向新構(gòu)建三維場景中加載影像數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、構(gòu)筑物模型等。

本文分析了基于BIM技術(shù)路網(wǎng)設(shè)計的特點與不足，結(jié)合GIS的特點分析了GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)勢，建立了GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計框架體系。最后以重慶市江北區(qū)唐桂新城為工程案例進行應(yīng)用分析，結(jié)果顯示，該方法具有良好的經(jīng)濟和社會效益，提高了城市路網(wǎng)設(shè)計的科學性和合理性，降低了工程建設(shè)對生態(tài)與環(huán)境的影響。

2 基于GIS的BIM技術(shù)路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的方法

2.1 基于BIM技術(shù)的路網(wǎng)設(shè)計的特點與不足

基于BIM技術(shù)的道路設(shè)計主要特點表現(xiàn)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(shù)字化技術(shù)，為模型提供完整的、與實際情況相一致的工程信息庫。將以往的線條式的構(gòu)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(jié)構(gòu)物、景觀等要素三維模型。項目設(shè)計、施工、運營過程的溝通、交流、決策都可在可視化狀態(tài)下進行。

(2)提高了各階段的設(shè)計質(zhì)量。通過動態(tài)設(shè)計、沖突分析、實景模擬等，減少設(shè)計的錯誤率和返工率，增強了設(shè)計方案對地形特征的針對性。

(3)增加了各專業(yè)的協(xié)同。道路工程是多專業(yè)相互配合的，在BIM系統(tǒng)的搭建過程中，各個專業(yè)可以共同建立、使用、豐富平臺，協(xié)同設(shè)計得以實現(xiàn)[7]。

基于BIM技術(shù)的路網(wǎng)設(shè)計的不足：

BIM技術(shù)主要應(yīng)用在單個道路工程項目的設(shè)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(huán)境因素的影響考慮不足。

片區(qū)路網(wǎng)設(shè)計、新區(qū)建設(shè)等與大范圍的沿線地形、地質(zhì)、景觀及建成區(qū)現(xiàn)狀等關(guān)系密切。在山地城市中大范圍的路網(wǎng)設(shè)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(shù)難以對外部地理信息進行全面的分析，設(shè)計的準確度和科學性難以保證。

2.2 GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)勢

GIS技術(shù)通過三維建模展現(xiàn)項目的地理位置和外部環(huán)境，通過對海量地理空間信息數(shù)據(jù)進行獲取、保存、管理、分析，能夠真實呈現(xiàn)大范圍的地理空間。GIS技術(shù)不僅可以有效地管理具有空間屬性的各類環(huán)境資源信息，對資源環(huán)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(yīng)用在資源調(diào)查、環(huán)境評估、災(zāi)害預測、國土管理、城市規(guī)劃、交通運輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域。

將GIS與BIM技術(shù)集成與各自單獨應(yīng)用相比，在建模質(zhì)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(wǎng)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計與山體、水體、場地等關(guān)系密切，對保護現(xiàn)狀自然環(huán)境，打造環(huán)境友好、美麗山水的城市具有重要意義。將GIS-BIM技術(shù)應(yīng)用在路網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計中的主要優(yōu)勢有：

(1)克服BIM技術(shù)對外部宏觀環(huán)境把握不足的缺點。GIS通過構(gòu)建高精度虛擬地理環(huán)境，實現(xiàn)了多維、多尺度、多設(shè)計對象三維精細化表達及高效集成。實現(xiàn)現(xiàn)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(tǒng)平面圖在豎向銜接、立體關(guān)系上表達較弱的問題?？奢o助城市新區(qū)規(guī)劃設(shè)計全過程，對建設(shè)高品質(zhì)城市新區(qū)具有重要意義。

(2)實現(xiàn)三維地理環(huán)境下設(shè)計方案草繪、模擬、調(diào)整、評估、優(yōu)化全過程服務(wù)。實現(xiàn)道路、場地、水體等對象的快速建模、評估與反饋，通過多次優(yōu)化降低路網(wǎng)土石方工程量和總體工程規(guī)模，節(jié)約建設(shè)投資。

(3)解決了傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計工作交互性差、方案比選效率低、無法開展動態(tài)分析等問題，在GIS-BIM集成模型使用過程中保持數(shù)據(jù)源文件的位置相對穩(wěn)定，已經(jīng)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(diào)用數(shù)據(jù)。當設(shè)計方案和數(shù)據(jù)發(fā)生變動時，只需更換變動部分的數(shù)據(jù)文件，無須對整個場景進行重建，有效提高建模速度和效率。

2.3 GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計框架體系

GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的基本思路為“模擬-評估-反饋-優(yōu)化”的漸進式優(yōu)化過程，通過反復推敲設(shè)計成果的合理性，最終促成設(shè)計成果的落地。GIS高精度地理環(huán)境和BIM參數(shù)化設(shè)計模擬構(gòu)建漸進式規(guī)劃設(shè)計流程，提高了片區(qū)路網(wǎng)設(shè)計整體協(xié)同性。GIS-BIM動態(tài)路網(wǎng)上設(shè)計優(yōu)化的流程如下：

(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(shè)計成果必須使用平面精度和垂直精度都大于1m的DEM進行存儲。通過采集或獲取片區(qū)范圍的現(xiàn)狀影像、數(shù)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(xiàn)狀三維地形模型成果。三維場景的地形數(shù)據(jù)DEM柵格數(shù)據(jù)的生成有兩種方法，一是先生成三角網(wǎng)TIN(Triangulated Irregular Network)再轉(zhuǎn)為DEM；另一種是由點線面數(shù)據(jù)直接生成DEM。前者的精度更高，本研究采用基于TIN的高精度數(shù)字地形模型構(gòu)建。該地形成果是對現(xiàn)狀地形地貌的真實還原，能夠代表山勢起伏，作為規(guī)劃設(shè)計的“底板”。在此基礎(chǔ)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(xiàn)虛擬地理環(huán)境的多角度展示與表達，為片區(qū)規(guī)劃研究、豎向設(shè)計、路網(wǎng)優(yōu)化提供了地形基礎(chǔ)[8]。

(2)規(guī)劃資料整合分析

在BIM設(shè)計平臺進行規(guī)劃路網(wǎng)方案的平面線形設(shè)計、縱斷面設(shè)計、橫斷面裝配設(shè)計、橋梁、隧道、立交等三維道路設(shè)計模型制作，實現(xiàn)市政設(shè)計成果的三維可視化。將道路設(shè)計文件導入集景三維地理設(shè)計平臺中，在三維可視化的基礎(chǔ)上，結(jié)合平臺的GIS技術(shù)實現(xiàn)三維模型的外部環(huán)境分析功能。并在平臺中疊加水系規(guī)劃、用地規(guī)劃等規(guī)劃資料，平臺可直觀展示規(guī)劃路網(wǎng)與現(xiàn)狀山體、湖泊等自然景觀的關(guān)系，設(shè)計人員可根據(jù)三維模擬結(jié)果判斷道路是否存在大填大挖，是否存在大型構(gòu)筑物。

(3)路網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化調(diào)整

結(jié)合三維模擬結(jié)果，對道路選線進行動態(tài)調(diào)整，優(yōu)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(jié)構(gòu)工程，降低片區(qū)開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。協(xié)調(diào)好城市路網(wǎng)、湖泊水系、城市綠地與保留大型山體、水體，減少對自然生態(tài)環(huán)境的破壞。

(4)土石方工程計算

對項目研究范圍內(nèi)，豎向進行全局把控，利用三維地理設(shè)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(diào)配土石方。結(jié)合道路建設(shè)時序和周邊地塊開發(fā)，預先選好棄土場，降低后期開發(fā)成本。

(5)綜合分析與評價

通過漸進式的優(yōu)化流程，逐步優(yōu)化道路設(shè)計方案。綜合評價方案的經(jīng)濟性、科學性、合理性。

3 工程案例——唐桂新城路網(wǎng)優(yōu)化

3.1 項目概況

唐桂新城地處重慶兩江新區(qū)發(fā)展核心區(qū)、江北區(qū)中段，如圖1所示，是重慶主城區(qū)的東水門戶，是江北區(qū)“十三五”期間的主要發(fā)展區(qū)域，規(guī)劃面積約 8.1 km2。根據(jù)唐桂新城最新2018版土地利用規(guī)劃及2014版道路交通規(guī)劃，片區(qū)用地規(guī)劃與交通規(guī)劃存在差異，道路交通體系不健全，路網(wǎng)系統(tǒng)有待深化。

圖1 項目區(qū)位

3.2 控制因素分析

唐桂片區(qū)位于城市發(fā)展新區(qū)，其中片區(qū)核心區(qū)域位于棟梁半島，區(qū)內(nèi)有兩岔河、棟梁河兩條河流，區(qū)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度大的特點。區(qū)內(nèi)有渝長高速、渝長高速復線、渝懷鐵路及其復線、渝利鐵路聯(lián)絡(luò)線以及2條軌道交通，控制條件較多。

3.3 高精度三維地形模型建立

本項目采用無人機對研究區(qū)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(chǎn)高精度數(shù)字正射影像圖和數(shù)字高程模型，集成得到地形三維模型數(shù)據(jù)。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

本次研究區(qū)域為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，總體呈現(xiàn)東高西低、北高南低。其中棟梁半島片區(qū)受棟梁河、兩岔河分割，呈現(xiàn)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。

3.4 路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計方案分析

既有路網(wǎng)規(guī)劃與地形結(jié)合較差，有待進一步優(yōu)化。項目范圍內(nèi)規(guī)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(guī)劃地塊共計93塊。根據(jù)地形特點，道路主要沿等高線、河道布設(shè)，呈自由式網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。將規(guī)劃方案的道路設(shè)計參數(shù)導入集成周邊GIS信息的三維模型中，分析路網(wǎng)與外部環(huán)境的相互關(guān)系。

圖3 基于GIS-BIM技術(shù)的規(guī)劃路網(wǎng)分析圖

由規(guī)劃路網(wǎng)方案三維模擬可以看出道路整體呈現(xiàn)大填方的特征，對區(qū)內(nèi)現(xiàn)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(guī)劃路網(wǎng)方案在道路平、縱兩個方面存在以下問題：

(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(jié)合差，形成大填大挖，對現(xiàn)狀山地破壞較大。部分交叉口設(shè)計在河道保護范圍線內(nèi)。

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

③規(guī)劃道路與現(xiàn)狀地塊高差大，道路對地塊的服務(wù)功能差。

(2)縱段面存在的問題：

①交叉口標高不合理。規(guī)劃高程與地形結(jié)合差，填挖大。

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

圖4 規(guī)劃方案與河道關(guān)系圖

③縱坡超限?？匾?guī)方案未嚴格控制交叉口和道路縱坡，超過設(shè)計規(guī)范值，存在安全隱患。

3.5 優(yōu)化設(shè)計

使用GIS-BIM技術(shù)對現(xiàn)狀地形進行分析，確定整個地形高程變化的特征。結(jié)合山體、河道、鐵路、高速公路等限制條件，將區(qū)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(wǎng)脈絡(luò)。由于區(qū)域內(nèi)地形地貌起伏較大，規(guī)劃方案存在較多大填大挖現(xiàn)象。本次優(yōu)化設(shè)計通過集成現(xiàn)狀地理信息GIS與道路等建構(gòu)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。

綜合以上分析，本次優(yōu)化設(shè)計從以下三個方面進行：

(1)優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)

結(jié)合現(xiàn)狀地形，減少大填大挖、避免與現(xiàn)狀鐵路橋墩等沖突，減少對現(xiàn)狀水系的破壞。規(guī)劃中道路總計37條，本次共計優(yōu)化道路平面線形12條，取消道路5條，增加道路5條。

(2)優(yōu)化道路豎向及交叉口

結(jié)合三維地形模型動態(tài)優(yōu)化交叉口高程，以棟梁河、兩岔河、渝長高速、渝懷鐵路等為關(guān)鍵控制因素，統(tǒng)籌考慮與相交道路的關(guān)系，本次共計優(yōu)化25處交叉口。在滿足區(qū)域交通功能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)對河道的影響，優(yōu)化后方案與河道關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后方案與河道關(guān)系圖

(3)優(yōu)化土石方工程量

統(tǒng)籌道路工程土石方和周邊地塊場平土石方工程量?；诘缆吩O(shè)計高程進行場地平土石方測算。本次對唐桂新城47條道路進行道路土石方測算，結(jié)合道路豎向設(shè)計高程，對唐桂新城35個地塊進行豎向設(shè)計，優(yōu)化后地塊場平計算圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后地塊場平計算圖

3.6 結(jié)果分析與評價

優(yōu)化后路網(wǎng)與地形結(jié)合更優(yōu)，濱河路親水性更佳。沿河地帶景觀品質(zhì)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(xiàn)了“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。優(yōu)化后的豎向設(shè)計為打造高品質(zhì)城市建設(shè)創(chuàng)造基礎(chǔ)條件，工程建安投資大幅優(yōu)化。

(1)土石方工程。道路土石方由原控規(guī)的挖方917萬方優(yōu)化為681萬方，減少挖方236萬方；填方由原控規(guī)的 2 436萬方優(yōu)化為462萬方，減少填方 1 974萬方。

(2)結(jié)構(gòu)工程。減少濱河路沿岸支擋結(jié)構(gòu) 3.5 km，約32.6萬方；增加橋梁長度 450 m，增加道路長度 1 020 m。

節(jié)約建安投資約5.67億元，經(jīng)濟效益明顯。

4 結(jié) 語

隨著計算機技術(shù)的進步和發(fā)展，三維可視化技術(shù)在工程應(yīng)用領(lǐng)域扮演了越來越重要的角色。本文提出了基于GIS的BIM技術(shù)的路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法，GIS技術(shù)提供整個空間的三維可視化分析，極大地改善了BIM技術(shù)對外部環(huán)境信息分析不足的問題，實現(xiàn)從微觀到宏觀的三維框架體系，通過整合研究區(qū)域的三維地形模型，集成路網(wǎng)設(shè)計數(shù)據(jù)文件，提出了“模擬-評估-反饋-優(yōu)化”的漸進式優(yōu)化思路。最后以重慶市江北區(qū)唐桂新城路網(wǎng)優(yōu)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(jīng)濟效益與環(huán)境效益，踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。