寒区高速公路路线三维设计优化研究

于洋 石振武 王奇 张洪瑞

摘 要：為突破二维平面在寒区高速公路选线设计中的局限性，将GIS的空间数据分析和BIM的三维可视化功能相结合以实现路线三维设计优化的新框架。依托寒区高速公路—鹤伊高速，首先通过GIS数据采集及规范化处理获取高精度地理数据模型，再将其集成到BIM平台上获取三维地理信息模型，最后借助BIM技术进行分区域选线应用，实现科学高效的寒区路线规划。研究结果表明，利用GIS地理数据和BIM技术生成的深挖路基与隧道模型，从安全和经济方面进行方案对比分析，综合结果与设计方意见一致；与水槽实验模拟结果对比，验证了BIM技术可通过洪水模拟分析对涉水工程不同方案的合理性进行评估；利用该框架对复杂交叉路口进行交通模拟分析，得到的交通数据可为公路工程建设指标的确定提供参考数据。基于GIS与BIM等信息化技术对鹤伊高速公路路线三维设计的应用研究，能够形成示范性成果为后续寒区工程选线优化提供借鉴。

关键词：公路工程；GIS；BIM；路线设计；三维模型

中图分类号：U412.32 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）06-0188-08

Research on 3D Design Optimization of Freeway Route in Cold Regions

YU Yang， SHI Zhenwu， WANG Qi， ZHANG Hongrui

（1.School of Civil Engineering and Transportation， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China; 2. Heilongjiang

Transportation Planning Design and Research Institute Group Co.， Ltd， Harbin 150000， China;

3.Heilongjiang Jiaotou Highway Construction Investment Co.， Ltd， Harbin 150000， China）

Abstract：To break through the limitations of two-dimensional plane in the optimization of highway route design in cold regions， a new framework is proposed that effectively combines the spatial data analysis of GIS with the 3D visualization function of BIM to achieve 3D route design optimization. This paper relies on the cold zone freeway He-Yi， firstly obtaining high precision geographic data model through GIS data collection and normalization processing， then integrating it into the BIM platform to obtain 3D geographic information model， and finally using BIM technology for sub-regional route selection application to achieve scientific and efficient cold zone route planning. The research results show that the deep excavation roadbed and tunnel models generated by using GIS geographic data and BIM technology are compared and analyzed from both safety and economic aspects of the scheme， and the comprehensive results are consistent with the designer's opinion. The comparison with the simulation results of water tank experiments verifies that BIM technology can evaluate the rationality of different schemes of water-related projects through flood simulation analysis. The traffic simulation analysis of complex intersections using this framework and the traffic data obtained can provide reference data for the determination of road construction indexes. The research on the application of GIS+BIM information technology to the three-dimensional design of He-Yi freeway route can form exemplary results to provide reference for the optimization of the subsequent cold region project selection.

Keywords：Highway engineering; GIS; BIM; route design; 3D model

收稿日期：2023-04-18

基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（YQ0202G001）；黑龙江省博士后科研启动金项目（LBH-Q21054）；黑龙江省交通运输厅科技项目（20181215）。

第一作者简介：于洋，硕士研究生。研究方向为工程经济与项目管理和道路工程技术。E-mail： 2451518132@qq.com

*通信作者：石振武，博士，教授。研究方向为工程经济与项目管理和道路工程技术。E-mail： shizhenwu@126.com

引文格式：于洋，石振武，王奇， 等. 寒区高速公路路线三维设计优化研究[J]. 森林工程， 2023， 39（6） ：188-195.

YU Y， SHI Z W， WANG Q， et al. Research on 3D design optimization of freeway route in cold regions[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6） ：188-195.

0 引言

公路選线设计通常指依据公路的使用任务及相关技术标准，与实际水文地质环境条件相结合，从全局出发、细节入手，综合全盘地选择合理的公路路线。随着我国交通公路网的日益完善，寒区高速公路的建设正不断推进，而寒区选线环境往往更为复杂，以二维为主的传统设计，普遍存在勘察难度大、设计效率低、缺乏全域视角带来的平纵指标结合不周密等难题，加大了路线设计难度。因此，在智慧交通时代到来的大背景下，将数字三维模型运用到公路选线设计中，考虑利用无人机航测技术结合GIS数据处理手段，综合BIM平台的优势来进行寒区高速公路选线方案设计是公路勘察设计的全新方法。

BIM作为一种适应于规划、设计、运营于一体的数字化技术，与GIS空间分析功能相结合的应用已具备一定研究基础。国外学者最早在2004年开始尝试将BIM数据格式转化为3DGIS模式的几何语义和信息，目前两者之间数据语义转换的研究已为BIM+GIS技术在实际工程案例中的应用奠定了基础。在国内，BIM+GIS技术的集成最先被应用于城市轨道交通建设中，袁红等对城市中心型轨道站点的规划、建筑和施工的空间整体设计作了前期探索；吴祥龙等以具体的城市轨道交通项目为例，研究并证明了开发多源数据的BIM选线设计平台能够大幅提升设计效率；此外，刘少鹏等利用BIM与GIS数据集成提出了桥隧设计的全过程方法，随着智慧交通发展，推广应用BIM+GIS技术在交通运输领域成为研究热点。在公路工程领域，BIM+GIS技术已进一步应用于公路三维模型的创建、施工安全及建造成本等运维管理中，王伟等以延崇高速公路砖楼特大桥工程为例，验证了在方案变更时利用参数化建模能有效提高施工效率与施工安全；赵月平等构建了基于BIM+GIS的公路工程施工预算管理系统以实现对公路工程施工进度、预算和成本评价等功能；李德宏等开展了从参数化建模到施工信息管理再到模型交互方法的研究，为BIM技术在带状工程中的全寿命周期运用提供了技术支撑。但在选线设计层面，运用GIS+BIM集成技术进行高速公路路线优化的研究还处于起步阶段。

综上所述，当前公路工程领域的GIS与BIM的集成应用研究，还存在如下问题：1）以往研究多专注于两者数据转换问题，作为BIM三维展现基础的GIS数据精度问题未形成规范性解决方法；2）当前应用以模型创建为主，多展示宏观基本形态，体量大、参数少，尚未有效利用GIS数据发挥出BIM技术在微观层面的应用价值；3）现阶段BIM+GIS大多基于概念模型来为施工和运维管理作服务，鲜有翔实、深入地分区域选线具体方案分析。因此，依托选线特点突出的寒区高速公路实例，借助GIS与BIM技术对高速公路路线三维设计优化展开研究显得十分必要。

本研究依据寒区高速项目案例实际情况，整理了该项目路线设计的重难点，提出了解决GIS数据不规范的技术方法，通过设计数据采集流程，对航测数据进行矢量化修正，择优选取理想算法进行网格滤波数据处理以精确控制误差。同时，借助数据集成平台Infraworks将获取的高精度GIS数据集成应用到BIM软件中，在三维地理信息模型中发挥BIM技术优势进行局部选线设计，把控全局路线合理性的同时将众多因素进行分路段选线应用，最终参考既得有效数据实现基于GIS+BIM技术的路线方案的选择与优化，具体处理流程如图1所示。与传统选线相比，该方法既保留了GIS在传统路线设计中的空间分析功能，又具有BIM三维模型可视化智能分析的优势，集成应用能够使设计数据更准、效率更高，最终形成综合性高、可行性强的寒区路线设计方案。

1 项目概况

1.1 工程概况

鹤伊高速位于小兴安岭腹地北部，设计全长164 km，沿线山地重丘起伏绵延，跨越松花江左岸一级支流汤旺河，穿越我国北部季冻区、密林区、高山区，自然区划为I2区，属于典型的寒区高速公路。

1.2 选线重难点

1）山高林密，地形地势复杂，经过地区多为次生林、塔头地和湿地等生态敏感区，人工勘察地形难度高且数据量级低，无法全面精准反映复杂地形情况。

2）冻土区域丰富，地质情况复杂，途径区域有低山缓坡湿地、河谷湿地、季节性冻土和岛状多年冻土等，土质含水率高，经过反复冻融结构易失稳，布线方案受冻土影响大。

3）多次穿越汤旺河，属于封冻性河流，其径流主要靠降水（雨、雪）和凍融冰雪补给，具有明显的季节性，所经区域地势较低极易引发流水聚集。

4）沿线经济区域众多、矿产资源丰富，路线布置处分布有大量水库、畜牧区、煤石矿和油井等，对其交通预测难度增大。

综上所述，该项目选线情况复杂、国内参考样例不足，本研究应用GIS+BIM的前沿技术手段，选取设计难度高且争议较大的路段对寒区公路路线三维设计优化进行了探究。

2 材料与方法

2.1 数据采集

本研究利用无人机搭载三维激光扫描仪和多光谱高清摄像机，对鹤伊高速线路地形进行全域数据采集。在航测过程中，保证60%侧面重叠，80%正向重叠，在密林区将重叠率提高至85%以上，通过平均分散地面控制点（GCPS）的方式，保证几何精度和地理参考精度满足项目要求，本项目航测参考以投影坐标系CGCS 2 000（China Geodetic Coordinate System 2 000）为准。

2.2 数据分析

2.2.1 数据影像分析

通过Metashpe软件处理保存为多通道（单页）TIFF文件的多光谱图像，并确保每幅图像都有足够精准的有理多项式系数（RPC）数据。处理步骤包括：对齐照片、构建密集云、构建DEM、构建正交图像，在正波输出过程中，其余光谱带一同处理，形成与源图像通道相同的多光谱正波输出。2.2.2 植被指数计算及矢量成果修正

通过航测技术采集的地理信息数据，往往是对原地形的无差别采集，为剔除小兴安岭腹地大量植被对原始地貌影响，利用植被指数用以分析植被覆盖率，并计算不同光谱通道操作结果。植被指数包含归一化植被指数（NDVI，式中用N表示）、增强植被指数（BVI）、绿色归一化植被指数（GNDVI）等。本研究计算采用归一化植被差异指数（NDVI）是一种无量纲指数，反应植被覆盖的可见光和近红外反射率之间的差异，公式如下

N=（N－R）/（N+R）。     （1）

式中：N为光谱中近红外区域的反射率；R为光谱中红色区域的红光反射率。

在成果文件矢量层中指定具有边界形状的区域，并按光栅变化规则进行转换计算，根据NDVI计算值，对矢量文件进行定值修正。

2.2.3 GIS数据滤波修正

网格滤波是一种处理三维表面数据的技术手段，主要依据象元邻域内的众数值替换象元的原理，可以将质量参差不齐的GIS数据 “噪声”象元进行平滑的预处理操作。因鹤伊高速途径区域环境复杂，形成的成果数据存在大量冗余，经象元纠正、网格滤波等方式进行修正和校对，可以生成更为精准的数字地面模型。通过获取GIS数据实际情况，筛选出现行应用较广泛的滤波算法有距离加权法、一阶导数滤波和高斯低通滤波，比较研究各自优缺点，高斯低通滤波能够依据鹤伊高速选线地址的地势情况保留异常高值和异常低值，而对于一些零散的干扰则基本滤去，属于效果比较理想的一种滤波算法。本研究采用高斯低通滤波算法。

高斯低通滤波是通过对整个S×T的数据域进行加权平均，每一计算点的值均由其自身及领域内的其他值加权平均得到。其计算公式如下

式中：S、T为计算点区位距离；W（i，j） 为各点权重值；α为自定义常量。

在数据处理过程中，依照计算公式将高斯低通滤波算法转换成代码，对接到QGIS软件平台中，完成GIS数据的滤波修正，导出tif文件，得到了更为规范的GIS数据图，如图2—图3所示，从而有效控制了因地理环境、无人机差速、天气和信号干扰等不稳定因素引起的误差。

2.3 GIS+BIM集成模型建立

经过规范化处理的GIS数据可以更精确地加载地质、冻土区、自然保护区、河谷地带和行政区划等矢量数据，通过将GIS矢量文件导入BIM软件，转换成具有拓扑关系的曲面图形文件，本研究利用通用的BIM道路设计软件Civil 3D，基于曲面图形文件创建道路放坡模型，如图4所示，利用Dynamo（Revit软件内嵌可视化编程工具）工具创建桥梁方案模型，如图5所示。

当前，主流设计软件在BIM与GIS数据融合转换方面已相当成熟，本研究选取欧特克公司开发集成性较强的平台软件Infraworks进行数据模型发布与集成，将GIS数据和BIM模型发布至Infraworks云平台，如图6所示，按格式分类存储，在集成应用和模拟演示时可随用随取，依据鹤伊选线特点，重点通过土石方统计、洪水模拟和交通模拟对不同路段路线规划进行模拟分析。

3 结果与分析

3.1 土石方统计

鹤伊高速在K52+000—K62+000段经过丰林林场，由于地形限制会穿越2个山包，于K57+800—K58+194处山体高度约30 m，山体高度既可采取深挖方案又满足隧道穿行方案要求，路线方案的设计将直接影响项目总工程造价。借助BIM技术快速生成道路模型、边坡放坡范围、模拟土石方开挖与回填，对2种路线规划方案的工程量、地质条件等实际情况快速预估，以选择最优方案。

结合GIS地理数据，通过参数化设定，创建了融合地质、地物、地形的深挖边坡道路模型和隧道模型，对深挖方案（图7）与短隧道方案（图8）进行对比分析。

通过土石方统计模拟结果可知，对深挖方案进行土石方量统计得，该处挖方量为3 356. 533 m，填方量为11. 657 m，开挖土质较好，可用作附近填方路基回填土，利用率高，造價成本较低。对短隧道方案进行空间分析时，隧道方案里程较短，且距离下一座隧道仅1.2 km，在行车过程中容易造成明

暗频繁交替现象，对行车安全造成不利影响，建设成本高。同时，根据BIM模型区域标识，隧道方案的冻融土层厚度约为2.5 m，容易引起隧道上方土层结构失稳、洞顶渗水等问题。综合设计方意见，基于行车安全和经济建设方面考虑，深挖设计方案更具优势，与利用BIM技术的土方统计方案结论一致。

3.2 洪水模拟

本项目在K91+000—K105+000段左右逢山，山间为汤旺河水系，受地势及气候影响，七八月份冰雪消融伴随雨季来临，汤旺河将迎来为期45 d的主汛期，洪水速度高达18～22 m/s。根据实际情况，通过BIM技术对该路段2种不同设计方案的区域水线状况、洪水位高度和淹没范围进行模拟，以更精准、高效地确定公路线型的位置、排水构造物的形式及规模等。

在Infraworks软件中利用浅水方程模型进行洪水模拟，使用定义的降雨和潮汐变化参数，该模型可准确地预测并模拟内陆或海岸洪水，并结合洪水的水力演算提供水位参数值。本次模拟选取路线A、B两处跨河方案，采用洪水单流入方式，类型设置为静态流，即流入为固定且一致的速率，流速（Q）为100 m/s；流出设置采用分布式曼宁值，河道区域默认系数采用0.02，其余区域采用0.035，设置模拟地形三角网节点间距为20 m，确保精度的同时，提高模拟效率，进行时长为6 h的模拟。

A、B两处均设计采用10孔、每孔30 m布孔形式，双幅分离式、圆形墩柱式下部结构，A处桥梁与河道交叉角度为20°，桥梁下部与水流方向平行，通航净空8.5 m，B处其角度为45°，桥梁下部与路线成正交角度布设，通航净空8.2 m。从洪水模拟分析图9—10可以直观看出，A线位桥梁对水流干扰较小，未因桥梁布设，对河道水流形成明显干扰；B线位桥梁结构对水流流速造成较为明显的干扰，在河道上游出现明显壅水现象，下游形成紊流。同时，通过梯度色度值获取A、B两处桥梁对水文影响的结果，对应得到不同时段河道中心桥墩处的壅水高度，形成分析折线，如图11所示，反映出A方案壅水高度相较B方案在全时段内平均差值低0.506 m。通过对比水槽实验模拟结果，可以看出A、B两处主河道的墩柱所对应的紊动能趋势，如图12所示，同一时刻不同水位处A方案紊动能数值低于B方案，差值在0.001～0.011 m/s，与BIM洪水模拟结果相符。

3.3 交通模拟

本研究于K15+000处与鹤岗至苔青方向的二级路相交，该处被交公路的路基宽度为12 m，双向两车道，设计速度为60 km/h，相交处为直线段，路线两侧为重要的实业区与经济带，交通形式复杂，交通量难以预测。因此，通过BIM技术对该路段多处交叉路口，以及不同时段交通量进行实况分析，以验证路线规划建设指标的合理性，使线路在保证行车畅通的情况下更加经济合理。

选择该路段唯一的单喇叭互通A/D/E 3条匝道汇流处为交通模拟对象，其中A匝道为双向两车道，设计速度为60 km/h，D/E匝道为单向单车道，设计速度为40 km/h。以预测特征年2025年，年平均日交通量预测结果数据为依据，经推算得鹤岗至伊春方向预测交通量为4 294 PCU/h，鹤岗至哈尔滨方向预测交通量为5 233 PCU/h，为交通模拟提供基础数据。在Infraworks软件中模拟不同时段各种车辆行车的通畅性，如图13—图14所示。

得到交通模拟分析报表见表1，该报表明确反映出各类车辆在行经路段所用时长，从而得到平均行车速度，由表1可以看出，大型车辆行驶速度约在30 km/h，中型车辆行驶速度约为37 km/h，小型客车行车速度约为42 km/h，与设计速度差值范围为-10～2 km/h。

通过交通模拟结果分析得到，以2030年预测交通量为基础的情况下，该项目设计路线建设规模基本满足车辆运行要求，但考虑到黑龙江省经济总体水平不高，正处于建设发展期，交通量预测弹性系数将略高于应用值，因此建议提高道路建设指标。本路段交通模拟情况与实际设计指导要求基本吻合，验证了在复杂交叉路口利用BIM技术进行交通模拟实现路线规划的可行性。

4 结论

本研究以寒区高速公路鹤伊高速为案例，探究了GIS与BIM技术在寒区高速公路路线方案三维设计中的应用，研究结果表明如下。

1）提出的GIS数据修正方法能有效进行地理空间数据整合，通过数据影像分析、GIS数据的矢量成果及滤波修正，不仅控制了航测技术下的GIS数据精度，也保留了数据的真实有效性，减少了传统寒区高速路线规划设计数据的误差，有利于提升公路选线的设计质量。

2）在土石方统计中，利用BIM技术建立深挖路基与短隧道方案，结合GIS技术进行空间分析快速得到深挖路基方案挖方量为3 356. 533 m，与隧道方案相比预计降低约0. 9亿元建设成本，同时可直观全面地对比不同方案地质条件等信息，能够有效提升选线设计的效率与质量。

3）利用GIS与BIM集成模型对涉水工程进行洪水模拟，针对2组交叉角度相差25°的桥梁模型方案进行模拟对比分析，其桥梁上游壅水高度平均差值为0. 506 m，与传统水槽实验紊动能差值范围0. 001～0. 011 m/s的分析结论一致，故模拟结果提供的洪水水位、淹没范围和壅水高度等数据能够作为设计参考，以降低决策风险，提高选线设计的安全性和科学性。

4）借助BIM技术对复杂交叉路段进行交通模拟，交通模拟分析报表明确得到了各类车辆在行经路段的平均行车速度与设计速度的差值范围为-10～2 km/h，反映出该段路线的预设交通量趋于饱和状态，依据地区交通运输行业的发展需求应提高道路建设指标，这为此类场景下交通设计提供了更精确的数据参考，利于改进路线规划设计中交通数据的处理效率。

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