基于GIS的BIM技术在路网优化设计中的应用研究

罗睿，黄凯

(重庆市勘测院，重庆 401121)

1 引 言

党的十八大以来，党中央站在战略和全局的高度，对生态文明建设和生态环境保护提出一系列新思想、新论断、新要求，为努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展，走向社会主义生态文明新时代，指明了前进方向和实现路径。推动生态文明建设，建设美丽中国，对传统的设计模式和方法提出了更高要求。

随着计算机技术的进步，以协同工作和信息集成为目标的建筑信息模型(BIM)在工程设计中正逐步得到推广应用。但BIM技术主要应用在单个工程项目的设计、管理中，其核心特点为单体精细化模型，对道路、建筑周边宏观的地理环境因素的影响考虑不足。地理信息系统(GIS)一直致力于宏观地理环境的研究，提供各种空间查询和空间分析的功能[1]。随着跨领域信息集成研究的深入，GIS与BIM技术的集成能够克服BIM技术对外部宏观环境把握不足的缺点。GIS与BIM跨领域信息集成研究受到国内外专家学者的广泛关注。

陈光[2]等提出以CityGML标准为基础，研究建立了扩展道路设计模型，支持道路BIM设计模型数据与三维GIS模型数据的集成存储和表达。王树臣[3]等对BIM和GIS的通用数据模型标准IFC和CityGML两者在数据表达中的差异进行了对比分析，并对BIM与GIS集成技术的应用场景和优势进行了分析。薛梅[4]等针对全生命周期管理应用的需求，提出了CAD/GIS/BIM在线集成框架，通过应用实践验证了技术框架的可行性。何兴富[5]的研究结果显示云计算可显著降低当前地理信息服务的重复投入和维护成本，提升GIS应用搭建和部署的效率。刘钊[6]等分析了基于三维GIS的道路工程快速建模可行性，提出了“分隔-归并”的思想，首先利用道路模型对原始地形进行调整并拼合成新的地形模型，再依次向新构建三维场景中加载影像数据、道路数据、构筑物模型等。

本文分析了基于BIM技术路网设计的特点与不足，结合GIS的特点分析了GIS-BIM路网优化设计的优势，建立了GIS-BIM路网优化设计框架体系。最后以重庆市江北区唐桂新城为工程案例进行应用分析，结果显示，该方法具有良好的经济和社会效益，提高了城市路网设计的科学性和合理性，降低了工程建设对生态与环境的影响。

2 基于GIS的BIM技术路网优化设计的方法

2.1 基于BIM技术的路网设计的特点与不足

基于BIM技术的道路设计主要特点表现在三个方面：

(1)可视化建模。通过建立虚拟的工程三维模型，利用数字化技术，为模型提供完整的、与实际情况相一致的工程信息库。将以往的线条式的构件形成三维立体实物展示，建立道路主线、立交、桥梁、隧道及其附属结构物、景观等要素三维模型。项目设计、施工、运营过程的沟通、交流、决策都可在可视化状态下进行。

(2)提高了各阶段的设计质量。通过动态设计、冲突分析、实景模拟等，减少设计的错误率和返工率，增强了设计方案对地形特征的针对性。

(3)增加了各专业的协同。道路工程是多专业相互配合的，在BIM系统的搭建过程中，各个专业可以共同建立、使用、丰富平台，协同设计得以实现[7]。

基于BIM技术的路网设计的不足：

BIM技术主要应用在单个道路工程项目的设计、管理中，其核心特点为单体精细化模型，对道路、建筑周边宏观的地理环境因素的影响考虑不足。

片区路网设计、新区建设等与大范围的沿线地形、地质、景观及建成区现状等关系密切。在山地城市中大范围的路网设计，针对山地城市复杂的地形、水系、立体交通等特征，单一的BIM技术难以对外部地理信息进行全面的分析，设计的准确度和科学性难以保证。

2.2 GIS-BIM路网优化设计的优势

GIS技术通过三维建模展现项目的地理位置和外部环境，通过对海量地理空间信息数据进行获取、保存、管理、分析，能够真实呈现大范围的地理空间。GIS技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各类环境资源信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和准确的标准评价。目前已广泛应用在资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、交通运输等多个领域。

将GIS与BIM技术集成与各自单独应用相比，在建模质量、分析精度、决策效率、成本控制水平等方面均有明显提高。路网动态优化设计与山体、水体、场地等关系密切，对保护现状自然环境，打造环境友好、美丽山水的城市具有重要意义。将GIS-BIM技术应用在路网动态优化设计中的主要优势有：

(1)克服BIM技术对外部宏观环境把握不足的缺点。GIS通过构建高精度虚拟地理环境，实现了多维、多尺度、多设计对象三维精细化表达及高效集成。实现现状地形、道路、场地、水系、景观等空间对象的三维精细化表达。解决传统平面图在竖向衔接、立体关系上表达较弱的问题。可辅助城市新区规划设计全过程，对建设高品质城市新区具有重要意义。

(2)实现三维地理环境下设计方案草绘、模拟、调整、评估、优化全过程服务。实现道路、场地、水体等对象的快速建模、评估与反馈，通过多次优化降低路网土石方工程量和总体工程规模，节约建设投资。

(3)解决了传统规划设计工作交互性差、方案比选效率低、无法开展动态分析等问题，在GIS-BIM集成模型使用过程中保持数据源文件的位置相对稳定，已经生成的三维场景文件被保存在工作空间中，直到打开场景时才调用数据。当设计方案和数据发生变动时，只需更换变动部分的数据文件，无须对整个场景进行重建，有效提高建模速度和效率。

2.3 GIS-BIM路网优化设计框架体系

GIS-BIM路网优化设计的基本思路为“模拟-评估-反馈-优化”的渐进式优化过程，通过反复推敲设计成果的合理性，最终促成设计成果的落地。GIS高精度地理环境和BIM参数化设计模拟构建渐进式规划设计流程，提高了片区路网设计整体协同性。GIS-BIM动态路网上设计优化的流程如下：

(1)高精度三维地形模型建立

道路边坡马道平台、路缘石、路边石等细部设计成果必须使用平面精度和垂直精度都大于1m的DEM进行存储。通过采集或获取片区范围的现状影像、数字高程模型、 1∶500地形图等地形资料，建立集景三维地形模型平台，融合形成高精度的现状三维地形模型成果。三维场景的地形数据DEM栅格数据的生成有两种方法，一是先生成三角网TIN(Triangulated Irregular Network)再转为DEM；另一种是由点线面数据直接生成DEM。前者的精度更高，本研究采用基于TIN的高精度数字地形模型构建。该地形成果是对现状地形地貌的真实还原，能够代表山势起伏，作为规划设计的“底板”。在此基础上进行高程、坡度、坡向、等高线等分析，通过图层叠加、透视、剖切、专题图渲染等方式，实现虚拟地理环境的多角度展示与表达，为片区规划研究、竖向设计、路网优化提供了地形基础[8]。

(2)规划资料整合分析

在BIM设计平台进行规划路网方案的平面线形设计、纵断面设计、横断面装配设计、桥梁、隧道、立交等三维道路设计模型制作，实现市政设计成果的三维可视化。将道路设计文件导入集景三维地理设计平台中，在三维可视化的基础上，结合平台的GIS技术实现三维模型的外部环境分析功能。并在平台中叠加水系规划、用地规划等规划资料，平台可直观展示规划路网与现状山体、湖泊等自然景观的关系，设计人员可根据三维模拟结果判断道路是否存在大填大挖，是否存在大型构筑物。

(3)路网动态优化调整

结合三维模拟结果，对道路选线进行动态调整，优化道路平面、纵断面、交叉口形式，减少隧道工程、桥梁工程、支挡结构工程，降低片区开发的基础设施建设成本。协调好城市路网、湖泊水系、城市绿地与保留大型山体、水体，减少对自然生态环境的破坏。

(4)土石方工程计算

对项目研究范围内，竖向进行全局把控，利用三维地理设计平台进行道路、场地土石方快速计算，减少道路和场地平整土石方，合理调配土石方。结合道路建设时序和周边地块开发，预先选好弃土场，降低后期开发成本。

(5)综合分析与评价

通过渐进式的优化流程，逐步优化道路设计方案。综合评价方案的经济性、科学性、合理性。

3 工程案例——唐桂新城路网优化

3.1 项目概况

唐桂新城地处重庆两江新区发展核心区、江北区中段，如图1所示，是重庆主城区的东水门户，是江北区“十三五”期间的主要发展区域，规划面积约 8.1 km2。根据唐桂新城最新2018版土地利用规划及2014版道路交通规划，片区用地规划与交通规划存在差异，道路交通体系不健全，路网系统有待深化。

图1 项目区位

3.2 控制因素分析

唐桂片区位于城市发展新区，其中片区核心区域位于栋梁半岛，区内有两岔河、栋梁河两条河流，区域高差超过 100 m，具有地形起伏大、水域多、地貌条件复杂、基础设施建设难度大的特点。区内有渝长高速、渝长高速复线、渝怀铁路及其复线、渝利铁路联络线以及2条轨道交通，控制条件较多。

3.3 高精度三维地形模型建立

本项目采用无人机对研究区域进行低空航空摄影，采用航空摄影测量的方法进行像控点测量、空中三角测量、立体采集、单片纠正等步骤生产高精度数字正射影像图和数字高程模型，集成得到地形三维模型数据。建立基于GIS的三维实景地形地貌如图2所示：

图2 三维实景地形

本次研究区域为构造剥蚀丘陵地貌，总体呈现东高西低、北高南低。其中栋梁半岛片区受栋梁河、两岔河分割，呈现三个台地的地形特点。最高点海拔高度约 335.3 m，最低点海拔高度约 160.2 m，相对高差 175.1 m。

3.4 路网规划设计方案分析

既有路网规划与地形结合较差，有待进一步优化。项目范围内规划道路长度总计 54.68 km，其中主干路 7.45 km，次干路 19.2 km，支路 28.03 km。规划地块共计93块。根据地形特点，道路主要沿等高线、河道布设，呈自由式网络，如图3所示。将规划方案的道路设计参数导入集成周边GIS信息的三维模型中，分析路网与外部环境的相互关系。

图3 基于GIS-BIM技术的规划路网分析图

由规划路网方案三维模拟可以看出道路整体呈现大填方的特征，对区内现状河流两岔河、栋梁河影响较大，自然放坡进入河道保护范围线。规划路网方案在道路平、纵两个方面存在以下问题：

(1)平面存在的问题：

①平面线位不合理。部分道路线位与地形结合差，形成大填大挖，对现状山地破坏较大。部分交叉口设计在河道保护范围线内。

②规划线位与现状存在明显冲突，如桂花湾片区北侧，跨栋梁河次干路与现状铁路桥墩存在冲突。

③规划道路与现状地块高差大，道路对地块的服务功能差。

(2)纵段面存在的问题：

①交叉口标高不合理。规划高程与地形结合差，填挖大。

②与水系高差大。栋梁河两侧道路规划高程与水系高差大，支挡结构、填方边坡高度过大。三维模拟分析结果显示道路放坡侵入河道，如图4所示。

图4 规划方案与河道关系图

③纵坡超限。控规方案未严格控制交叉口和道路纵坡，超过设计规范值，存在安全隐患。

3.5 优化设计

使用GIS-BIM技术对现状地形进行分析，确定整个地形高程变化的特征。结合山体、河道、铁路、高速公路等限制条件，将区域场地进行重塑，降低全线滨河路标高，局部由平面交叉改为分离式交叉，重塑路网脉络。由于区域内地形地貌起伏较大，规划方案存在较多大填大挖现象。本次优化设计通过集成现状地理信息GIS与道路等建构筑物信息BIM，直观展示分析存在的矛盾并提供合理的优化解决思路。

综合以上分析，本次优化设计从以下三个方面进行：

(1)优化路网结构

结合现状地形，减少大填大挖、避免与现状铁路桥墩等冲突，减少对现状水系的破坏。规划中道路总计37条，本次共计优化道路平面线形12条，取消道路5条，增加道路5条。

(2)优化道路竖向及交叉口

结合三维地形模型动态优化交叉口高程，以栋梁河、两岔河、渝长高速、渝怀铁路等为关键控制因素，统筹考虑与相交道路的关系，本次共计优化25处交叉口。在满足区域交通功能转换的前提下，将对栋梁河两岸部分交叉口由平面交叉改为分离式交叉口，降低滨河路的平均高程，减少道路填方高度，减少边坡及支挡结构对河道的影响，优化后方案与河道关系图如图5所示。

图5 优化后方案与河道关系图

(3)优化土石方工程量

统筹道路工程土石方和周边地块场平土石方工程量。基于道路设计高程进行场地平土石方测算。本次对唐桂新城47条道路进行道路土石方测算，结合道路竖向设计高程，对唐桂新城35个地块进行竖向设计，优化后地块场平计算图如图6所示。

图6 优化后地块场平计算图

3.6 结果分析与评价

优化后路网与地形结合更优，滨河路亲水性更佳。沿河地带景观品质得到大幅提升。山体、水系自然景观得到保护，避免大填大挖，实现了“绿水青山就是金山银山”的发展理念。优化后的竖向设计为打造高品质城市建设创造基础条件，工程建安投资大幅优化。

(1)土石方工程。道路土石方由原控规的挖方917万方优化为681万方，减少挖方236万方；填方由原控规的 2 436万方优化为462万方，减少填方 1 974万方。

(2)结构工程。减少滨河路沿岸支挡结构 3.5 km，约32.6万方；增加桥梁长度 450 m，增加道路长度 1 020 m。

节约建安投资约5.67亿元，经济效益明显。

4 结 语

随着计算机技术的进步和发展，三维可视化技术在工程应用领域扮演了越来越重要的角色。本文提出了基于GIS的BIM技术的路网优化设计方法，GIS技术提供整个空间的三维可视化分析，极大地改善了BIM技术对外部环境信息分析不足的问题，实现从微观到宏观的三维框架体系，通过整合研究区域的三维地形模型，集成路网设计数据文件，提出了“模拟-评估-反馈-优化”的渐进式优化思路。最后以重庆市江北区唐桂新城路网优化为工程案例，验证了该方法的可实施性和科学性，取得了良好的经济效益与环境效益，践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念。