GIS与BIM技术在绿色设计中的应用研究

李志辉

(重庆市勘测院，重庆 401121)

1 引 言

党的十九大以来，习近平总书记对生态文明建设和生态环境保护提出一系列新理念新思想新战略，为做好新时代生态环境保护工作提供了重要指引和根本遵循。为建设美丽中国，对规划设计建设理念和模式提出了新的更高要求。

改革开放以来，我国城镇化进程不断加快，随着城市规模的扩张，建设用地的稀缺性增强，城市建设逐渐打破原有生态格局的约束，对城市外围山体、森林、耕地、河流等开放空间构成功能转换，通过工程措施改造地形作为开发建设用地。因此，在山地城市开发建设中难免会出现开挖山体、沟谷回填等改变自然环境的人为行动。在生态文明建设的大背景下，国内专家学者不断研究利用新技术实现从城市规划前期阶段对城市布局、路网设计、自然山水保护进行协调规划，实现城市的可持续发展。

近年来，GIS+BIM的集成与应用正在逐步发展，陈光[1]等提出了一种市政道路BIM设计模型与GIS集成方法，基于CityGML扩展框架，通过扩展道路设计模型，研究道路BIM数据与GIS数据的集成与表达。熊桂开[2]等研究了通过整合三维地理信息环境，集成工程设计、GIS与BIM技术，在三维地理信息环境下开展工程设计工作，提高了在复杂环境下山地城市路网规划设计的科学性与可实施性。罗睿[3]等提出了基于GIS的BIM技术的路网优化设计方法，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，并应用于实际工程中，取得了良好的效益。

2 GIS与BIM技术在绿色设计中的应用方法

2.1 GIS与BIM技术融合优势

将BIM技术和GIS技术融合形成三维辅助设计技术。GIS(Geographic Information System)地理信息系统是近年来迅速发展起来的一门空间分析技术，在资源与环境应用领域中发挥着技术先导的作用。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地分析测试，便于制定决策、进行科学和准确的标准评价。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、交通运输等多各领域。BIM与GIS的集成被视为数字城市向智慧城市发展的关键技术之一，受到国内外专家学者的广泛关注。但受制于数据来源、软件平台、显示效率等技术难题，现有研究仅仅开展了单个BIM模型向GIS模型的转换与集成，尚未实现BIM数据在三维城市中的集成和应用。

BIM的整个生命周期从设计、施工到运维都是针对BIM微观单体精细化模型，但其不可能脱离周边的宏观环境要素。而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，实现项目实际生态环境直观再现，便于基础数据分析与环境衔接决策。

将GIS与BIM技术融合，把微观领域的BIM信息和宏观领域的GIS信息进行交互，建立三维辅助设计关键技术体系，满足动态设计、展示查询和空间信息分析等功能，克服BIM技术对外部宏观环境把握不足的缺点。BIM与GIS的融合，能够用于大范围路网与环境的协同分析[4]。

2.2 GIS与BIM技术融合分析方法

GIS与BIM技术融合在绿色设计中的应用基本思路为基础数据建设、规划数据分析、优化分析基本设计过程，可通过“分析-优化”相互迭代，实现与方案与环境的友好衔接。在分析过程中创新引入GIS云分析大数据处理功能，大幅提升大范围路网工程的数据处理能力和效率，同时结合GIS的高精度、大场景数据环境以及BIM高精度参数化模型，形成具备环境要素的动态优化调整流程，实现绿色设计在工程中的实际运用。具体流程如图1所示。

图1 主要技术路线

(1)建立高精度三维数字地形模型

通过采集获取研究范围的高程数据和现状影像，构建三维平台，集成现状数据形成高精度的三维数字地形模型。该成果把现状地形数字化，具有真实坐标和高程，反映山、水、林、田等地形地貌，是对项目环境的真实还原。后续可通过数字地形平台进行等高线、坡度等数据分析，为规划数据分析和绿色设计提供基础平台[5]。

(2)规划数据分析

在数据平台基础上，导入规划路网平面、标高、桥梁、隧道、绿化及水系等信息，运用GIS技术对规划信息数字化，为等高线、坡度等分析提供支持和表达，同时形成绿色设计的规划本底数据，以高程曲面表达，为后续大范围的对比分析提供基础支撑。

(3)规划成果BIM制作

在三维数字地形中，建立规划路网的BIM模型，从而实现规划成果与实际环境结合的三维直观展现，通过叠加用地、水系、管线等资料，从生态环境的大场景中分析规划方案与自然地形的衔接情况，设计师可通过平台所表达的规划成果判断项目的填挖情况，以及项目需要设计桥梁、隧道、挡墙等大型结构物的规模情况。

(4)路网优化，绿色设计

结合规划数据分析及模型制作，基于环境因素，在BIM模型基础上对路网进行动态优化调整，运用GIS技术对优化方案进行数字化处理，构成优化设计曲面，与规划本底数据进行对比分析，从而实现大范围路网的整体评估，并迭代反馈，降低工程规模，节约工程投资，实现绿化设计在路网方案的科学性、合理性和环境友好性，降低对生态环境的影响。

3 工程案例

3.1 项目概况

惠民新城位于重庆市巴南区，紧邻南岸茶园建成区及未来重庆东站高铁经济区，是联系东部生态城西侧集中建设区和东侧广域生态腹地的重要节点，是“十四五”期间产业发展和城市拓展的主战场，规划范围约 18.22 km2，研究区位如图2所示。

图2 研究区位

3.2 建设条件

惠民新城地处“两山夹一谷，一水纵南北”的槽谷地带，两山即樵坪山和明月山，一水为渔溪河穿流其间。整体来看，整个地块中间低，周边高，区内地形起伏较大，地形地貌建设条件复杂。此外，区内有惠民老镇、绕城高速、渝湘高铁、轨道和市域铁路，控制条件较多。

3.3 三维数字模型建立

本项目采用无人机对规划范围低空航空摄影，并集成构建高精度三维数字模型平台，如图3所示。

图3 三维数字模型

在平台基础上，进行等高线分析、坡度、坡向分析，直观、真实反映了区域地形地貌现状，为后续规划分析和优化设计提供了基础数据支撑。如图4所示。

图4 三维地形分析

3.4 路网规划方案分析

规划范围内主要为居住、商业、教科研及绿化用地，交通等级分为四个层级，为高(快)速路、主干路、次干路和支路，路网总长约 59.3 km，规划地块约154块。结合地形，路网呈自由式及方格网式组合布局。将规划路网平面及高程等技术参数导入GIS信息模型中，分析规划路网与现在自然环境的关系。

图5 规划填挖GIS表达(左-原始地形，右-考虑地下空间)

通过规划路网与原始地形的填挖结合情况的GIS表达(图5)，呈现出挖方区域较多且挖方深度较大的特征，经过规划路网的三维模拟，规划范围总挖方 3 381万方，总填方 1 972万方，弃方 1 409万方。如分析地块地下空间开发则出现区内整体挖方，且挖方量巨大。

3.5 路网优化

运用三维平台对现状地形进行分析，确定区内地形变化走势、水系岸坡变化规律，结合现状建设条件，构建规划路网BIM模型，直观展示路网与GIS大场景生态环境的衔接状况，针对地形起伏较大、路网及地块挖填较大的区域，开展科学合理的优化调整。

本次优化调整主要从以下几个方面进行：

(1)优化路网格局

结合现状地形、路网结构及用地开发强度，适当优化路网贯通衔接，便于交通转换和建设用地开发利用，路网衔接优化如图6所示。

图6 路网衔接优化

(2)优化路网节点竖向

根据现状地形环境，结合规划路网填挖数据GIS分析，优化重点区域路网交叉口高程，本文选择规划区南部(图7、图8)及东部片区(图9、图10)进行节点竖向优化，在满足规范和交通功能有序运行的前提下，统筹相交道路衔接，优化节点高程。

南部片区优化调整了19个节点高程，平均抬高 2 m～8 m。优化后，该片区挖方减少约196万方(减少幅度达47%)，弃方减少约260万方，减少了对生态环境的开挖影响。

图7 南部片区节点竖向优化

图8 节点竖向优化前后生态环境适应性对比

图9 东部片区节点竖向优化

图10 节点竖向优化前后生态环境适应性对比

东部片区优化调整了13个节点高程，平均抬高2 m～10 m。优化后，该片区挖方减少约84万方(减少幅度达42%)，填缺48万方，片区开发土石方趋于平衡，东部片区受绕城高速阻隔，优化方案避免了跨绕城调运土方的不利局面，与现状结合更优，与生态环境的关系更和谐。

3.6 优化结果

运用GIS与BIM技术优化后的路网与现状结合更佳，山地城市中具有的山体、水系、湖体等生态环境得到充分保护，避免大填大挖的开发模式，为打造山清水秀美丽之地创造基础建设条件，也从以下几个方面提升了路网功能、节约了工程投资。

(1)合理路网布局。在现状基础上，综合分析建设用地开发强度，路网通达程度，及受水系阻隔影响等因素，合理贯通路网，加强交通服务功能。

(2)合理土石方开发。本项目通过绿色设计思维，规划范围南部片区和东部片区挖方得到大幅度减小，幅度均达40%以上，同时避免了土石方的跨区调运，也缓解了土石方运输对城市品质的影响，降低了土石方开发成本，仅土石方节约投资2.6亿元。

4 结 语

工程建设与生态环境密切相关，随着GIS与BIM技术的融合发展，基于大场景的三维可视化及BIM参数化技术在工程规划建设过程中应用越来越受关注。本文提出了GIS与BIM技术在绿色设计中的应用方法，GIS技术不但提供了大范围场景的三维可视化功能，还提供了不同设计曲面大范围路网和场地分析，快速直观地展示与地形环境的结合情况，为路网优化指明准确研究方向。通过三维数字地形平台，集成BIM技术数据文件，形成动态优化，实时评估反馈，实现环境友好的绿色设计成果。最后以惠民新城的路网优化为例，验证了该方法的科学性、合理性，为工程建设取得良好的经济效益，为生态环境取得良好的环境效益，为社会发展取得良好的社会效益，践行“绿水青山就是金山银山”的生态保护、可持续发展理念。