BIM+GIS技术在复杂山区公路选线中的应用研究*

沈伯昭 顾大鹏 叶 炜 梁 磊 樊浩锐

(北京市国道通公路设计研究院股份有限公司 北京 100053)

山区高速公路是我国交通运输的重要组成部分[1]。随着信息化技术的飞速发展，国家对公路工程项目规划设计的科学性及生态环保性提出了更高要求[2]。2016年7月，交通运输部《关于实施绿色公路建设的指导意见》明确指出鼓励应用BIM(building information modeling)技术。2017年12月，交通运输部《公路水运品质工程评价标准》中明确将BIM技术列入品质工程加分项。基于先进的技术探索复杂山区公路地形、地质、环保选线的新方法，不仅具有工程实际价值，也对生态环境保护有深远影响。

目前，倾斜摄影技术可在短时间内建立大规模的山区路线带GIS(geographic information system)模型，实现山区地理信息空间全方位、高精度的可视化表达[3]。基于BIM精细化建模技术结合可以更准确模拟复杂道路桥梁工程设计方案，形象展现局部工程结构特点[4-5]。将BIM与GIS技术结合应用于实际工程项目，可以有效优化设计方案、保证设计质量、提高交底效率[6-7]。

延崇高速是2022年北京冬奥会的重要赛场联络线，也是“绿色公路”“品质工程”示范项目。该项目地形地质条件复杂，涉及特大桥、特长隧道等特殊工程，设计施工难度大，对工程质量及景观环保性要求较高。本研究将依托延崇高速(山区段)工程开展BIM+GIS技术工程应用研究。

1 BIM+GIS模型建立

1.1 地形模型建立与模型轻量化

1.1.1基于倾斜摄影的三维地理信息模型建立

桥梁、隧道设计对地理环境的依附性很强，需要基于高精度的地理信息模型辅助设计[8]。通过倾斜摄影数据建立GIS模型，可有效整合线路带周边信息资源，实现工程范围全方位、高精度的可视化表达，为选线过程中的空间分析及线路方案决策提供技术支持。倾斜摄影数据建立的地理信息模型平面和水平误差可满足大比例尺地图的精度要求[9]。

本研究基于该技术采集延崇高速山区段路线带全线地形影像数据，结合实地踏勘数据对采集的影像数据进行初步校核处理和区域联合平差，并通过图像拼接及高程点校核，优化处理地理信息数据，快速生成三维数字地理信息模型。

1.1.2地理信息模型轻量化处理

GIS数据的轻量化是缩短BIM+GIS模型加载时间，确保模型可用性的关键。本研究在保证路线范围地理信息模型精度同时，对远离路线带区域进行局部轻量化处理。

首先将标准化处理后的GIS数据导入BIM平台，结合实际地形地貌特征及地物分布状况进行BIM地理信息模型分区，对远离路线带的区域分别采用边缘收缩及点删除的方法进行局部三角网格简化，并对构成三维地模的三角面片进行合并处理及三角网格优化，见图1。

图1 地理信息模型网格优化

1.2 复杂地物模型建立

在传统二维图纸中，除了等高线、高程点，还有很多信息在建模过程中未被很好利用，如旧路信息、房屋信息、地块信息等。通过BIM技术可以按类别属性自动提取地形图中的地物信息并在BIM平台集成展示，使设计人员最大化利用现有地理信息数据，优化设计方案。

本项目在BIM+GIS三维数字地模的基础上，快速提取实测高精度地形图中的沿线山体、房屋、农田、旧路、陡坡、流域、地块等信息，通过Map 3D将地形图信息转成Sdf格式并导入BIM平台，快速进行地块划分，并按区块自动建立房屋、农田、旧路等三维实体模型，真实还原沿线实际环境，三维地物模型建立示意见图2。

图2 三维地物模型建立

1.3 三维地质模型建立

延崇高速山区段工程地质条件复杂、围岩等级变化大，选线方案对公路稳定性影响较大。本项目基于BIM技术对地质勘察的钻孔数据进行三维可视化建模。首先对采集到的钻孔数据进行分析，结合该桩位的地质纵剖图，对探测到的地质夹层钻孔数据进行钻孔点位补充；接着根据岩性的不同，计算所需提取的地质岩层层数，确定每个地质岩层的厚度；在此基础上以钻孔数据为样本，采用插值法拟合出三维地质层数据，根据不规则三角网格构网方式，将计算得的点有序连接生成地质界层并建立模型实体；最后基于BIM平台实现地质实体沿路线带任意断面的剖切，直观展现延崇高速路线带三维地质状况及任意位置详细的地质层信息，选取温泉特大桥三维地质模型示意见图3。

图3 温泉特大桥三维地质模型建立

1.4 多专业模型建立与集成整合

本项目基于BIM技术建立了多专业协同设计平台，并提出了多专业协同设计流程方法，其流程框架见图4。

图4 多专业协同设计流程框架

在项目准备阶段，制定各专业统一的建模标准，由路线专业人员制定线位基准(项目基准)并上传至中心文件；在方案阶段，各专业设计人员(桥梁、隧道、机电、排水、交通专业)基于统一的BIM中心文件建立各自的本地文件，先后完成专业模型建模，并及时在中心文件中进行模型同步上传；在施工图阶段，各专业人员将设计好的路桥隧、机电、交通模型通过固定点坐标的方式与地理信息模型进行集成整合，并进行多专业“一张图”碰撞检查、深化设计和设计方案可视化展示，多专业一张图设计成果见图5。

图5 多专业一张图设计

2 山区公路设计方案综合论证比选

项目组结合实际工程需要，综合考虑地形因素、地质条件、环保要求，分别提出基于BIM模型的公路工程地形、地质、环保选线的思路方法。

2.1 地形选线

基于BIM技术对初步选线结果进行展示及对比分析：根据起终点、线位走廊带内各种地形、需避让地物等控制因素，在初设阶段确定的走廊带内选出6条经济可行的路线方案，并在三维地理信息模型中进行可视化集成展示，有效辅助设计人员快速确定推荐线位和重要节点局部比较线位。

基于BIM+GIS精确的地理信息模型对重要节点线位比选分析，在精细化的地理信息模型中清晰展现不同设计方案三维设计效果，其可视化展示见图6，具体评价指标见表1。由图6可见，工可设计方案穿越山脊、线位高程高、结构类型复杂(采用多段短隧道连接形式)；BIM推荐方案有效避让了山脊，降低了高程，同时简化了结构类型(采用桥梁跨越形式)。

图6 地形选线方案可视化展示

表1 地形选线考虑因素

在复杂公路桥梁、隧道等控制性节点方案设计中，基于真实三维地理信息模型，可以更清晰地展现设计方案，更准确地统计设计工程量，更直观地进行线位优化调整，有效减少设计变更，提高复杂山区公路设计方案论证必选效率。

2.2 地质选线

本项目所在区域地势起伏较大，设计方案拟采用穿山隧道的方式，需要选择地质条件较好、纵坡平缓区域完成穿越。项目基于BIM+GIS技术对沿线地质钻孔数据进行分析建模，更清晰地展现了场地东部K3+700附近大断裂与原设计线位相对位置关系。

在初步查明的地质病害走廊带内，以地质病害区域范围作为红线点，以尽量避让灾害点为原则，通过三维可视化模型，辅助设计人员更快速对设计方案进行分析比选，最终选择尽避让方案见图7，具体评价指标见表2。

图7 地质选线方案可视化

表2 地形选线考虑因素

2.3 环保选线

在选线过程中，应将公路线位对自然景观的影响降到最小。本工程路线带穿越百花山国家级自然保护区，依据国务院修订的《中华人民共和国自然保护区条例》规定，在自然保护区的核心区和缓冲区内，不得建设任何生产设施。因此在工程环保选线中首先需判断线位是否跨越自然保护区的核心区和缓冲区。基于高精度的BIM+GIS地理信息模型，可以更准确地量化核心区、缓冲区与设计线位的相对距离，确保设计线位的准确有效。

在满足国家自然保护条例的基础上，本项目从环境影响角度，分别考虑不同方案对沿线生态环境、水环境、声环境等方面的影响程度，建立了环保选线评价指标，并基于高精度BIM模型对各指标进行量化，具体评价指标见表3。基于表3综合指标重要性、指标影响程度、规划协调性给出比选结论。

表3 环保选线考虑因素

3 结语

本研究以延崇高速公路(山区段)工程为例，提出了多专业协同设计方法，并进行了BIM+GIS技术在山区公路地形、地质、环保选线中的应用研究。研究结果表明：

1) 将GIS数据与BIM平台融合，可以有效整合空间地理信息，更直观形象地展现设计方案，更准确进行工程量统计校核，从多角度辅助设计决策。

2) 多专业人员基于统一的BIM+GIS模型进行协同设计，可以有效加快设计进度，减少设计变更，提高设计质量。

3) 基于BIM+GIS模型进行环保选线，可以更准确量化各评价指标，对于局部方案量化比选、优化空间线形等方面具有重要作用。