熊桂开，朱丽丽，薛 梅

(重庆市勘测院，重庆 401121)

GIS-BIM技术在山地城市路网优化设计中的应用*

熊桂开，朱丽丽，薛 梅

(重庆市勘测院，重庆 401121)

为提高山地城市路网设计的科学性与合理性，将地理信息(GIS)与建筑信息模型(BIM)技术引入到山地城市路网优化设计中来，构建了以道路等建构筑物信息为模型, 以三维GIS为模拟分析手段的地理设计方法，实现了在大范围三维GIS场景中BIM要素的可视化模拟与分析。并以重庆港城工业园区B区路网工程为例，使用GIS与BIM技术对该路网进行优化设计，实现了优化后的路网与周边地形、地貌以及地理环境的完美融合，且节省工程投资3.46亿元。

道路工程；GIS-BIM；山地城市；路网优化

山地城市是指大部分土地分布于山地区域的城市。包括地理学划分的山地、丘陵与高原，它们占到我国陆地面积的2/3以上。因其地形、地貌、地质条件较为复杂，导致山地城市土地资源分布不均匀，用地紧张[1]。这些不利基础条件对城市路网布局、用地布局、建筑选址、基础设施布局等方面有着较大制约，且对工程建设的难易度与工程建安费用的投入有很大影响。因山地城市建设条件的复杂性，其建设难度与工程建安费用远大于平原城市，所以在城市路网的前期规划设计中需对地形地貌进行合理分析，划定适宜建设的用地范围，避开地质灾害多发区，避免大填大挖，减少因基础设施建设对山地生态环境造成的不良影响。

近年来，随着计算机技术的不断发展，道路规划设计正迈向一个三维、集景、动态的世界。笔者在传统山地城市路网规划设计的基础上引入GIS与BIM 技术进行山地城市路网优化设计[2-3]。将相关基础条件、自然条件、规划方案等不同类型的空间信息与属性数据进行一体化管理，使整个设计过程都处在一个可视化的环境中。同时可根据需要对这些数据进行实时查询、分析与模拟，快速实现多方案比选与工程方案优化，从而大大提高山地城市路网规划设计的效率，缩短设计周期，提高城市路网设计的科学性与合理性[4-5]。

1 GIS-BIM规划设计技术体系

GIS-BIM规划设计技术体系流程如图1。

图1 GIS-BIM规划设计技术体系流程Fig. 1 Flow chart of GIS-BIM planning and design technical system

1.1 基于GIS的高精度三维虚拟环境构建

高精度虚拟地理环境作为开展山地城市规划设计的工作环境，包括地形地貌、地上建构筑物、地下建构筑物、地下管线、工程地质、区域地质、水文地质等自然地理空间信息和人口、教育、医疗、厂矿等空间化的社会经济信息。和传统二维GIS的叠图法不同，山地城市虚拟地理环境通过综合构建地理空间数据获取、建模、集成、表达、分析技术体系，实现设计区域的高度虚拟化还原。① 在数据获取方面：通过空、天、地等方式，开展多源地理空间数据获取和采集；② 在数据建模方面：通过语义化、参数化的建模方式丰富和拓展传统测绘地理信息空间建模方法；③ 在数据集成方面：突破现有地表空间对象集成方法，开展大规模、分布式、地上地下一体化、室内室外一体化、水上水下一体化空间数据集成；④ 在数据表达方面：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；⑤ 在场景分析方面：结合山地城镇地形地貌特色，支持多种空间分析和地形交互式编辑功能。

1.2 基于GIS-BIM路网优化设计方法

传统GIS软件虽具有三维展示、空间分析等功能，但与规划设计专业结合深度不够，若通过在其基础上集成CAD图形绘制能力、BIM参数化设计能力，则能为山地城市路网整体优化提供参数化、智能化支撑手段。

目前市面上集成GIS-BIM技术的规划设计软件主要包括3类：① 通过在CAD环境扩展GIS分析功能，为传统规划设计软件增加空间数据的分析能力，如ArcCAD，ArcGIS for AutoCAD；② 在传统GIS软件中增加设计功能，如ArcSketch,CityEngine,INDEX；③ 根据规划设计行业特点研发的地理设计软件平台，如Autodesk Infraworks、清华地理设计平台、集景三维地理设计平台等。

尽管目前完整支持整体设计流程的规划设计平台还不多见，但综合GIS-BIM技术优势的新一代软件已在生态保护、土地利用、景观设计等领域展示了巨大的发展前景，融合多学科知识和技术软件将会成为未来规划设计工作必不可少的工具之一。

1.3 GIS-BIM路网优化设计方法的优势

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。例如，设计师在路网设计成果基础上已经进行了场地设计；如果设计师对路网平面线型、横断面、竖向标高进行调整，软件将自动按照一定规则调整方案。还可随时对设计方案进行分析、检验和评价，从而实现设计与分析的高度融合。

和传统规划设计方式相比，GIS-BIM路网优化设计方法优势主要体现：① 信息交互层面：解决了和后续规划之间信息共享、流转的技术障碍，促进了不同规划设计之间的集成、交互与协同；② 将GIS分析、评估和模拟嵌入到设计工作中，减少了对外部工具的依赖；③ 减轻了多方案设计的工作强度，通过参数化设计和建模工具提高了设计效率，规划设计人员将主要精力放在方案设计和推敲上，减少了繁琐的制图工作；④ 方便设计师对方案的修改深化工作；⑤ 方便项目业主、公众等非专业人士对规划设计意图的理解和交流。

2 工程背景

2.1 工程概况

重庆港城工业园区为市级特色工业园区，位于江北区境内，南以渝长高速为界，北至江北区区界，东以渝邻高速、黑石子立交为界，西至双溪河。B区项目所在区域总占地面积约200公顷，其中绿地面积约67公顷，市政及建设用地约133公顷(图2)。

图2 用地性质与路网规划Fig. 2 The land use function and road network planning

2.2 地形地貌

项目所在区域地形起伏较大，遍布山头与沟谷，地貌以构造剥蚀丘陵、冲沟地貌为主，地形坡度角8°～45°。整体呈东高西低，最西侧双溪河高程为175 m，最东侧山头最高高度425 m，整个区域高差达250 m。地势由东至西呈阶梯状分布，可分为3个台地。基于GIS技术的三维实景地形地貌如图3。

图3 基于GIS技术的三维实景地形地貌Fig. 3 Real 3D terrain and landform based on GIS technology

2.3 现状条件

项目区域范围内有5条铁路线路〔图4(a)〕，分别为现状的渝怀铁路线，在建的渝利铁路和渝万铁路及两条铁路货运专线；区域范围内有22条高压线〔图4(b)〕，分布凌乱，对地块分割严重，极大影响了地块的开发；项目所在区域西侧有双溪河自北向南流过，按照规划要求，该水系予以保留。

图4 基于GIS-BIM技术的三维实景Fig. 4 Real 3D based on GIS-BIM technology

3 原路网规划设计方案

港城工业园区B区总占地面积约200公顷，用地主要为工业用地、居住用地、商业用地及绿化用地。交通划分成3个等级，分别为主干路、次干路及支路。区域内共有21条道路，道路总里程长为17.9 km，其中主干路长为4.0 km，次干路长为9.2 km，支路长为4.7 km，原规划方案设计如图5。

图5 原规划方案设计Fig. 5 Original design plan

由图5可以看出：传统的路网规划设计方法在面对山地城市复杂的基础条件时，由于缺乏精确的数据支撑与可视化三维动态分析，导致规划方案不符合现状条件，可实施性较差。主要表现在以下几个方面：① 路网结构布局不合理，不能充分发挥服务该区域的交通功能；② 城市重塑建设与现状结合较差，大填大挖现象严重，不但增大了工程投资，也对环境造城较大的破坏；③ 道路线位与建构筑物存在冲突，道路与铁路及高压线路矛盾较大。

4 优化设计及结果

4.1 优化设计

使用GIS-BIM技术对现状地形进行分析(图6)，确定整个地形高程变化的特征：地势自西向东逐渐升高。在大的高程控制上，呈现出台地上升的趋势。结合机场高速路的选线，将城市设计区场地进行重塑，确定出3个主要建设台地。自西向东3个台的高程范围依次为215～230 m，260～290 m，300～380 m。

图6 基于GIS-BIM技术的现状地形Fig. 6 Current terrain status based on GIS-BIM technology

根据重塑后3个台地的区位条件，构建3个不同的功能片区：左侧为产业服务基地；中间为商业服务设施用地，因中间台地地势相对平坦，又位于整个城市设计区的中心位置，可达性较高，适宜于商业服务设施的建设；右侧为居住用地，因东侧台地为山地，地形变化大，依山就势有利于形成山城特色的良好居住景观，适合打造成居住组团。基于GIS技术的3个台地划分见图7。

综合考虑区域内3个台地区的用地性质及其它因素，优化区域内外交通(图8)，打造顺畅之城。对外，使城市设计区接入周边城市路网。优化规划机场快速路南侧立交，新增立交匝道，同时在北侧加设立交，使机场快速可以与城市设计区内的道路相连通；城市设计区道路北侧连接到宝石路，南侧接到海尔路，西侧通过海尔路复线与何白路相接。从而打通整个片区的交通联系。对内，通过海尔路复线与南侧的区内东西向道路加强整个区域东西向联系。

图8 区域内外交通联系Fig. 8 Transport links between inside and outside regions

由于区域内复杂的地形地貌，区域内部路网存在大量深填高挖的现象〔图9(a)〕，且由于高压线路、铁路的存在，内部路网与两者的冲突较为突出〔图9(b)〕。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[6]。

图9 基于GIS-BIM技术的三维实景Fig. 9 Real 3D based on GIS-BIM technology

综合以上分析，本次优化设计从以下4个方面进行：① 使用基于卫星遥感技术与地理信息技术(GIS)对区域现状的地形及管线进行三维建模，以便能直观掌握规划设计时所需要的基础数据，同时利用我院自主研发的集景-道路BIM三维设计软件，集成道路BIM模型与地理信息模型，实现信息的可视化与结构化[7]；② 充分分析现状地形、地貌与水

文地质条件，优化路网对外交通，使该规划区域路网能与周边路网顺接；同时优化内部交通，对路网的平、纵、横均进行优化设计：路线平面设计上因地制宜，依山就势，纵断面设计上统筹考虑路线本身填挖工程量与周边待开发地块的填挖工程量，横断面设计根据现状地形地物综合考虑整体式或分离式路基[8-9]；③ 该区域有较多的铁路与高压线路，在优化设计中应充分考虑路网与两者之间的相互关系，尽可能降低该区域基础设施建设对铁路、高压线路的影响；④ 节约用地与节省工程投资。优化设计的整体目标是保证区域内外交通功能的前提下，保护环境，减少土石方开挖；减少工程投资；解决本区域路网与铁路和高压线路的矛盾；大幅提升区域用地的价值；塑造良好的城市形象[10]。

通过多方案比选形成最终的优化交通路网见图10(a)；集成路网等建构筑物信息模型与地理信息模型的三维图，见图10(b)；路网优化设计的主要控制指标值见表1。

图10 优化结果Fig. 10 Optimization results

道路等级控制指标路幅宽度/m设计速度/(km·h-1)纵坡/%路网密度/(km·km-2)主干路3650≤5≥2次干路2640≤6≥4支路1630≤7≥3

4.2 优化结果

将港城工业园区B区路网优化前后的主要工程量及工程费用对比结果汇总，见表2。路网优化前后的整体结果对比见表3。

表2 路网优化前后主要工程量及工程费用对比

表3 路网优化前后整体结果对比

5 结 语

1)工程设计与周边地理信息环境紧密相关，笔者通过整合三维地理信息环境，集成工程设计、GIS与BIM技术，将工程设计与测绘地理信息两大领域协同创新，在三维地理信息环境下开展工程设计工作，大大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，为港城工业园区B区路网工程节约工程造价3.46亿元。

2)围绕基于三维地理环境的设计成果的三维可视化展示、道路路线三维交互式调整、平纵横可视化设计和道路实时三维模拟、基于三维道路模型的分析与评价等多个方面进行研究，实现道路设计各项指标自动计算和设计成果的三维可视化表现，为道路设计方案评价提供科学的依据，将为道路规划设计工作提供了全新的思路和技术手段。

[1] 宋永朝，杨永前.山地城市路网抗震适应性综合评价研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2015，34(1)：105-109.

SONG Yongchao, YANG Yongqian. Comprehensive evaluation study on seismic adaptability of mountainous city road network[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2015, 34(1)：105-109.

[2] 印明.市政工程设计中BIM技术的发展前景[J].城市道桥与防洪，2012(7)：347-349.

YIN Ming. Development prospects of BIM technology in municipal engineering design[J].UrbanRoadsBridges&FloodControl, 2012(7)：347-349.

[3] 王歆.基于GIS技术的西北地区山地城市道路优化设计初探[D].西安：西安建筑科技大学，2013.

WANG Xin.ResearchonOptimizationDesignoftheNorthwestMountainCityRoadNetworkBasedonGeographicInformationSystem[D]. Xi’an：Xi’an University of Architecture and Technology, 2013.

[4] 聂长文.山地城市道路设计关键技术研究[D].北京：北京建筑大学，2013.

NIE Changwen.TheKeyTechnologyofMountainousUrbanRoadsDesign[D]. Beijing：Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 2013.

[5] 林孝松，许锡宾，周富春，等.GIS在澜沧江-湄公河港口航道管理中的应用[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2009，28(1)：134-138.

LIN Xiaosong, XU Xibin, ZHOU Fuchun, et al. Application of GIS to port and waterway management of Lancang-Mekong river[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2009, 28(1)：134-138.

[6] 李德超，张瑞芝.BIM技术在数字城市三维建模中的应用研究[J].土木建筑工程信息技术，2012，4(1)：47-51.

LI Dechao, ZHANG Ruizhi. Research on applying BIM to build three-dimensional model of digital city[J].JournalofInformationTechnologyinCivilEngineeringandArchitecture, 2012, 4(1)：47-51.

[7] 薛梅，李锋.面向建设工程全生命周期应用的CAD/GIS/BIM在线集成框架[J].地理与地理信息科学，2015，31(6)：30-34.

XUE Mei, LI Feng. A framework for CAD/GIS/BIM online integration in project life-cycle management[J].GeographyandGeo-InformationScience, 2015, 31(6)：30-34.

[8] 陈元涛.基于GIS的道路智能化选线方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2012.

CHEN Yuantao.MethodsofSelectingRoadRouteIntelligentlyBasedonGIS[D]. Chongqing：Chongqing Jiaotong University, 2012.

[9] 李石科.基于GIS的道路选线及城市交通路网评价研究[D].重庆：重庆大学，2005.

LI Shike.ResearchofGISMethodsonRoadAlignmentandEvaluatingofUrbanRoadNetworkPlanning[D]. Chongqing：Chongqing University, 2005.

[10] 韩玲，姚红云.城市交通与土地利用互动关系研究综述[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2012，31(增刊1)：589-593. HAN Ling, YAO Hongyun. Interaction review of city transportation and land use[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience), 2012, 31(Sup1)：589-593.

(责任编辑：刘 韬)

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

熊桂开(1983—)，男，湖南益阳人，高级工程师，硕士，主要从事路桥设计方面的研究。E-mail：xionggk520@qq.com。

U412

A

1674-0696(2017)04-090-06