熊桂開，朱麗麗，薛 梅

(重慶市勘測院，重慶 401121)

GIS-BIM技術(shù)在山地城市路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用*

熊桂開，朱麗麗，薛 梅

(重慶市勘測院，重慶 401121)

為提高山地城市路網(wǎng)設(shè)計的科學性與合理性，將地理信息(GIS)與建筑信息模型(BIM)技術(shù)引入到山地城市路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中來，構(gòu)建了以道路等建構(gòu)筑物信息為模型, 以三維GIS為模擬分析手段的地理設(shè)計方法，實現(xiàn)了在大范圍三維GIS場景中BIM要素的可視化模擬與分析。并以重慶港城工業(yè)園區(qū)B區(qū)路網(wǎng)工程為例，使用GIS與BIM技術(shù)對該路網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了優(yōu)化后的路網(wǎng)與周邊地形、地貌以及地理環(huán)境的完美融合，且節(jié)省工程投資3.46億元。

道路工程；GIS-BIM；山地城市；路網(wǎng)優(yōu)化

山地城市是指大部分土地分布于山地區(qū)域的城市。包括地理學劃分的山地、丘陵與高原，它們占到我國陸地面積的2/3以上。因其地形、地貌、地質(zhì)條件較為復雜，導致山地城市土地資源分布不均勻，用地緊張[1]。這些不利基礎(chǔ)條件對城市路網(wǎng)布局、用地布局、建筑選址、基礎(chǔ)設(shè)施布局等方面有著較大制約，且對工程建設(shè)的難易度與工程建安費用的投入有很大影響。因山地城市建設(shè)條件的復雜性，其建設(shè)難度與工程建安費用遠大于平原城市，所以在城市路網(wǎng)的前期規(guī)劃設(shè)計中需對地形地貌進行合理分析，劃定適宜建設(shè)的用地范圍，避開地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)，避免大填大挖，減少因基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對山地生態(tài)環(huán)境造成的不良影響。

近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，道路規(guī)劃設(shè)計正邁向一個三維、集景、動態(tài)的世界。筆者在傳統(tǒng)山地城市路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)上引入GIS與BIM 技術(shù)進行山地城市路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計[2-3]。將相關(guān)基礎(chǔ)條件、自然條件、規(guī)劃方案等不同類型的空間信息與屬性數(shù)據(jù)進行一體化管理，使整個設(shè)計過程都處在一個可視化的環(huán)境中。同時可根據(jù)需要對這些數(shù)據(jù)進行實時查詢、分析與模擬，快速實現(xiàn)多方案比選與工程方案優(yōu)化，從而大大提高山地城市路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的效率，縮短設(shè)計周期，提高城市路網(wǎng)設(shè)計的科學性與合理性[4-5]。

1 GIS-BIM規(guī)劃設(shè)計技術(shù)體系

GIS-BIM規(guī)劃設(shè)計技術(shù)體系流程如圖1。

圖1 GIS-BIM規(guī)劃設(shè)計技術(shù)體系流程Fig. 1 Flow chart of GIS-BIM planning and design technical system

1.1 基于GIS的高精度三維虛擬環(huán)境構(gòu)建

高精度虛擬地理環(huán)境作為開展山地城市規(guī)劃設(shè)計的工作環(huán)境，包括地形地貌、地上建構(gòu)筑物、地下建構(gòu)筑物、地下管線、工程地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)等自然地理空間信息和人口、教育、醫(yī)療、廠礦等空間化的社會經(jīng)濟信息。和傳統(tǒng)二維GIS的疊圖法不同，山地城市虛擬地理環(huán)境通過綜合構(gòu)建地理空間數(shù)據(jù)獲取、建模、集成、表達、分析技術(shù)體系，實現(xiàn)設(shè)計區(qū)域的高度虛擬化還原。① 在數(shù)據(jù)獲取方面：通過空、天、地等方式，開展多源地理空間數(shù)據(jù)獲取和采集；② 在數(shù)據(jù)建模方面：通過語義化、參數(shù)化的建模方式豐富和拓展傳統(tǒng)測繪地理信息空間建模方法；③ 在數(shù)據(jù)集成方面：突破現(xiàn)有地表空間對象集成方法，開展大規(guī)模、分布式、地上地下一體化、室內(nèi)室外一體化、水上水下一體化空間數(shù)據(jù)集成；④ 在數(shù)據(jù)表達方面：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；⑤ 在場景分析方面：結(jié)合山地城鎮(zhèn)地形地貌特色，支持多種空間分析和地形交互式編輯功能。

1.2 基于GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法

傳統(tǒng)GIS軟件雖具有三維展示、空間分析等功能，但與規(guī)劃設(shè)計專業(yè)結(jié)合深度不夠，若通過在其基礎(chǔ)上集成CAD圖形繪制能力、BIM參數(shù)化設(shè)計能力，則能為山地城市路網(wǎng)整體優(yōu)化提供參數(shù)化、智能化支撐手段。

目前市面上集成GIS-BIM技術(shù)的規(guī)劃設(shè)計軟件主要包括3類：① 通過在CAD環(huán)境擴展GIS分析功能，為傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計軟件增加空間數(shù)據(jù)的分析能力，如ArcCAD，ArcGIS for AutoCAD；② 在傳統(tǒng)GIS軟件中增加設(shè)計功能，如ArcSketch,CityEngine,INDEX；③ 根據(jù)規(guī)劃設(shè)計行業(yè)特點研發(fā)的地理設(shè)計軟件平臺，如Autodesk Infraworks、清華地理設(shè)計平臺、集景三維地理設(shè)計平臺等。

盡管目前完整支持整體設(shè)計流程的規(guī)劃設(shè)計平臺還不多見，但綜合GIS-BIM技術(shù)優(yōu)勢的新一代軟件已在生態(tài)保護、土地利用、景觀設(shè)計等領(lǐng)域展示了巨大的發(fā)展前景，融合多學科知識和技術(shù)軟件將會成為未來規(guī)劃設(shè)計工作必不可少的工具之一。

1.3 GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)勢

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。例如，設(shè)計師在路網(wǎng)設(shè)計成果基礎(chǔ)上已經(jīng)進行了場地設(shè)計；如果設(shè)計師對路網(wǎng)平面線型、橫斷面、豎向標高進行調(diào)整，軟件將自動按照一定規(guī)則調(diào)整方案。還可隨時對設(shè)計方案進行分析、檢驗和評價，從而實現(xiàn)設(shè)計與分析的高度融合。

和傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方式相比，GIS-BIM路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方法優(yōu)勢主要體現(xiàn)：① 信息交互層面：解決了和后續(xù)規(guī)劃之間信息共享、流轉(zhuǎn)的技術(shù)障礙，促進了不同規(guī)劃設(shè)計之間的集成、交互與協(xié)同；② 將GIS分析、評估和模擬嵌入到設(shè)計工作中，減少了對外部工具的依賴；③ 減輕了多方案設(shè)計的工作強度，通過參數(shù)化設(shè)計和建模工具提高了設(shè)計效率，規(guī)劃設(shè)計人員將主要精力放在方案設(shè)計和推敲上，減少了繁瑣的制圖工作；④ 方便設(shè)計師對方案的修改深化工作；⑤ 方便項目業(yè)主、公眾等非專業(yè)人士對規(guī)劃設(shè)計意圖的理解和交流。

2 工程背景

2.1 工程概況

重慶港城工業(yè)園區(qū)為市級特色工業(yè)園區(qū)，位于江北區(qū)境內(nèi)，南以渝長高速為界，北至江北區(qū)區(qū)界，東以渝鄰高速、黑石子立交為界，西至雙溪河。B區(qū)項目所在區(qū)域總占地面積約200公頃，其中綠地面積約67公頃，市政及建設(shè)用地約133公頃(圖2)。

圖2 用地性質(zhì)與路網(wǎng)規(guī)劃Fig. 2 The land use function and road network planning

2.2 地形地貌

項目所在區(qū)域地形起伏較大，遍布山頭與溝谷，地貌以構(gòu)造剝蝕丘陵、沖溝地貌為主，地形坡度角8°～45°。整體呈東高西低，最西側(cè)雙溪河高程為175 m，最東側(cè)山頭最高高度425 m，整個區(qū)域高差達250 m。地勢由東至西呈階梯狀分布，可分為3個臺地?；贕IS技術(shù)的三維實景地形地貌如圖3。

圖3 基于GIS技術(shù)的三維實景地形地貌Fig. 3 Real 3D terrain and landform based on GIS technology

2.3 現(xiàn)狀條件

項目區(qū)域范圍內(nèi)有5條鐵路線路〔圖4(a)〕，分別為現(xiàn)狀的渝懷鐵路線，在建的渝利鐵路和渝萬鐵路及兩條鐵路貨運專線；區(qū)域范圍內(nèi)有22條高壓線〔圖4(b)〕，分布凌亂，對地塊分割嚴重，極大影響了地塊的開發(fā)；項目所在區(qū)域西側(cè)有雙溪河自北向南流過，按照規(guī)劃要求，該水系予以保留。

圖4 基于GIS-BIM技術(shù)的三維實景Fig. 4 Real 3D based on GIS-BIM technology

3 原路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計方案

港城工業(yè)園區(qū)B區(qū)總占地面積約200公頃，用地主要為工業(yè)用地、居住用地、商業(yè)用地及綠化用地。交通劃分成3個等級，分別為主干路、次干路及支路。區(qū)域內(nèi)共有21條道路，道路總里程長為17.9 km，其中主干路長為4.0 km，次干路長為9.2 km，支路長為4.7 km，原規(guī)劃方案設(shè)計如圖5。

圖5 原規(guī)劃方案設(shè)計Fig. 5 Original design plan

由圖5可以看出：傳統(tǒng)的路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計方法在面對山地城市復雜的基礎(chǔ)條件時，由于缺乏精確的數(shù)據(jù)支撐與可視化三維動態(tài)分析，導致規(guī)劃方案不符合現(xiàn)狀條件，可實施性較差。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：① 路網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局不合理，不能充分發(fā)揮服務(wù)該區(qū)域的交通功能；② 城市重塑建設(shè)與現(xiàn)狀結(jié)合較差，大填大挖現(xiàn)象嚴重，不但增大了工程投資，也對環(huán)境造城較大的破壞；③ 道路線位與建構(gòu)筑物存在沖突，道路與鐵路及高壓線路矛盾較大。

4 優(yōu)化設(shè)計及結(jié)果

4.1 優(yōu)化設(shè)計

使用GIS-BIM技術(shù)對現(xiàn)狀地形進行分析(圖6)，確定整個地形高程變化的特征：地勢自西向東逐漸升高。在大的高程控制上，呈現(xiàn)出臺地上升的趨勢。結(jié)合機場高速路的選線，將城市設(shè)計區(qū)場地進行重塑，確定出3個主要建設(shè)臺地。自西向東3個臺的高程范圍依次為215～230 m，260～290 m，300～380 m。

圖6 基于GIS-BIM技術(shù)的現(xiàn)狀地形Fig. 6 Current terrain status based on GIS-BIM technology

根據(jù)重塑后3個臺地的區(qū)位條件，構(gòu)建3個不同的功能片區(qū)：左側(cè)為產(chǎn)業(yè)服務(wù)基地；中間為商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地，因中間臺地地勢相對平坦，又位于整個城市設(shè)計區(qū)的中心位置，可達性較高，適宜于商業(yè)服務(wù)設(shè)施的建設(shè)；右側(cè)為居住用地，因東側(cè)臺地為山地，地形變化大，依山就勢有利于形成山城特色的良好居住景觀，適合打造成居住組團。基于GIS技術(shù)的3個臺地劃分見圖7。

綜合考慮區(qū)域內(nèi)3個臺地區(qū)的用地性質(zhì)及其它因素，優(yōu)化區(qū)域內(nèi)外交通(圖8)，打造順暢之城。對外，使城市設(shè)計區(qū)接入周邊城市路網(wǎng)。優(yōu)化規(guī)劃機場快速路南側(cè)立交，新增立交匝道，同時在北側(cè)加設(shè)立交，使機場快速可以與城市設(shè)計區(qū)內(nèi)的道路相連通；城市設(shè)計區(qū)道路北側(cè)連接到寶石路，南側(cè)接到海爾路，西側(cè)通過海爾路復線與何白路相接。從而打通整個片區(qū)的交通聯(lián)系。對內(nèi)，通過海爾路復線與南側(cè)的區(qū)內(nèi)東西向道路加強整個區(qū)域東西向聯(lián)系。

圖8 區(qū)域內(nèi)外交通聯(lián)系Fig. 8 Transport links between inside and outside regions

由于區(qū)域內(nèi)復雜的地形地貌，區(qū)域內(nèi)部路網(wǎng)存在大量深填高挖的現(xiàn)象〔圖9(a)〕，且由于高壓線路、鐵路的存在，內(nèi)部路網(wǎng)與兩者的沖突較為突出〔圖9(b)〕。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[6]。

圖9 基于GIS-BIM技術(shù)的三維實景Fig. 9 Real 3D based on GIS-BIM technology

綜合以上分析，本次優(yōu)化設(shè)計從以下4個方面進行：① 使用基于衛(wèi)星遙感技術(shù)與地理信息技術(shù)(GIS)對區(qū)域現(xiàn)狀的地形及管線進行三維建模，以便能直觀掌握規(guī)劃設(shè)計時所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時利用我院自主研發(fā)的集景-道路BIM三維設(shè)計軟件，集成道路BIM模型與地理信息模型，實現(xiàn)信息的可視化與結(jié)構(gòu)化[7]；② 充分分析現(xiàn)狀地形、地貌與水

文地質(zhì)條件，優(yōu)化路網(wǎng)對外交通，使該規(guī)劃區(qū)域路網(wǎng)能與周邊路網(wǎng)順接；同時優(yōu)化內(nèi)部交通，對路網(wǎng)的平、縱、橫均進行優(yōu)化設(shè)計：路線平面設(shè)計上因地制宜，依山就勢，縱斷面設(shè)計上統(tǒng)籌考慮路線本身填挖工程量與周邊待開發(fā)地塊的填挖工程量，橫斷面設(shè)計根據(jù)現(xiàn)狀地形地物綜合考慮整體式或分離式路基[8-9]；③ 該區(qū)域有較多的鐵路與高壓線路，在優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)充分考慮路網(wǎng)與兩者之間的相互關(guān)系，盡可能降低該區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對鐵路、高壓線路的影響；④ 節(jié)約用地與節(jié)省工程投資。優(yōu)化設(shè)計的整體目標是保證區(qū)域內(nèi)外交通功能的前提下，保護環(huán)境，減少土石方開挖；減少工程投資；解決本區(qū)域路網(wǎng)與鐵路和高壓線路的矛盾；大幅提升區(qū)域用地的價值；塑造良好的城市形象[10]。

通過多方案比選形成最終的優(yōu)化交通路網(wǎng)見圖10(a)；集成路網(wǎng)等建構(gòu)筑物信息模型與地理信息模型的三維圖，見圖10(b)；路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的主要控制指標值見表1。

圖10 優(yōu)化結(jié)果Fig. 10 Optimization results

道路等級控制指標路幅寬度/m設(shè)計速度/(km·h-1)縱坡/%路網(wǎng)密度/(km·km-2)主干路3650≤5≥2次干路2640≤6≥4支路1630≤7≥3

4.2 優(yōu)化結(jié)果

將港城工業(yè)園區(qū)B區(qū)路網(wǎng)優(yōu)化前后的主要工程量及工程費用對比結(jié)果匯總，見表2。路網(wǎng)優(yōu)化前后的整體結(jié)果對比見表3。

表2 路網(wǎng)優(yōu)化前后主要工程量及工程費用對比

表3 路網(wǎng)優(yōu)化前后整體結(jié)果對比

5 結(jié) 語

1)工程設(shè)計與周邊地理信息環(huán)境緊密相關(guān)，筆者通過整合三維地理信息環(huán)境，集成工程設(shè)計、GIS與BIM技術(shù)，將工程設(shè)計與測繪地理信息兩大領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新，在三維地理信息環(huán)境下開展工程設(shè)計工作，大大提高了在復雜環(huán)境下山地城市路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的科學性與可實施性，為港城工業(yè)園區(qū)B區(qū)路網(wǎng)工程節(jié)約工程造價3.46億元。

2)圍繞基于三維地理環(huán)境的設(shè)計成果的三維可視化展示、道路路線三維交互式調(diào)整、平縱橫可視化設(shè)計和道路實時三維模擬、基于三維道路模型的分析與評價等多個方面進行研究，實現(xiàn)道路設(shè)計各項指標自動計算和設(shè)計成果的三維可視化表現(xiàn)，為道路設(shè)計方案評價提供科學的依據(jù)，將為道路規(guī)劃設(shè)計工作提供了全新的思路和技術(shù)手段。

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(責任編輯：劉 韜)

Application of GIS-BIM Technology in the Optimization Design of Road Network in Mountainous City

XIONG Guikai, ZHU Lili, XUE Mei

(Chongqing Survey Institute,Chongqing 401121, P. R. China)

The technology of geographic information system (GIS) and building information model (BIM) was used in the road-network optimization design in mountainous city to improve the design’s science and rationality. A geographic design method with roads and buildings information as model and with three-dimensional GIS as simulation analysis tool was established, which achieved the visualization simulation and analysis of BIM elements in large range of three-dimensional GIS scene. The road-network project of B Zone of Gangcheng Industrial Park in Chongqing was selected as a case study. By using GIS and BIM technology to optimize the design of the above road network, the project achieved the perfect integration among the road network, the surrounding terrain, landform and environmental landscape after the optimization. The application of the proposed technology also saved project investment 346 million Yuan.

road engineering; GIS-BIM; mountainous city; road network optimization

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.16

2016-02-29；

2016-05-23

熊桂開(1983—)，男，湖南益陽人，高級工程師，碩士，主要從事路橋設(shè)計方面的研究。E-mail：xionggk520@qq.com。

U412

A

1674-0696(2017)04-090-06