基于BIM+GIS的港口空间规划及设计技术方法*

2022-06-30薛天寒金哲飞姚海元王达川苏孟超

水运工程 2022年5期

薛天寒，金哲飞，姚海元，2，齐越，王达川，苏孟超

(1.交通运输部规划研究院，北京 100028；2.天津大学，天津 300072)

港口的空间规划和设计是指导港口发展的空间蓝图，是岸线使用和码头建设的基本依据。作为港口范围内安排空间开发利用的规划设计方案，面对多规合一的趋势，为保证可实施性，港口的空间规划和设计必须解决与相关规划的空间协调、方案衔接及成果互认问题。传统的规划和设计重点是进行二维平面布置，难以适应未来精细化设计要求和复杂环境下的约束。因此，在信息化、数字化、智慧化为代表的科技革命背景下，港口规划和设计技术方法亟需创新，建立统一的规划设计平台，融合分析所有空间信息，在多维度、多约束的场景下形成科学合理和协调高效的港口空间规划设计方案。

BIM+GIS技术是空间规划和设计的重要发展方向，具备一定的研究基础，在城市规划方面已得到较为广泛的应用。唐小龙等[1]提出城市建设中基于BIM+GIS技术的综合信息平台建设方案；郑涛[2]以地理设计与BIM系统为基础，提出城乡规划编制技术与方法变革的基本方向。在港口领域，BIM技术已经广泛运用在设计、施工等过程，孙俊峰等[3]在珠海港高栏港区集装箱二期工程建设中运用BIM协同共享技术；倪寅[4]对BIM在水运工程上的应用及问题进行了总结；姚海元等[5]探讨了在国土空间规划体系下BIM技术在港口规划中的应用。但在规划设计层面，以GIS+BIM为框架的研究还基本处于起步阶段。

为此，本文以BIM+GIS技术为基础，思考其在港口空间规划及设计上的应用方向和技术框架，建立BIM+GIS规划设计集成平台并进行空间分析和辅助设计，以期为港口空间规划和设计技术革新提供参考，提升规划设计的技术水平。

1 BIM+GIS技术概述

1.1 BIM技术

BIM是以三维数字技术为基础、集成建设工程各种相关信息的工程数据模型，同时又是一种可应用于规划、设计、建造、管理的数字化技术。BIM的核心内涵是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库，侧重于对单体建筑、局部空间的精细表达。在港口工程中，常用于对独立作业区进行平面布置和详细设计，应用效果见图1。

图1 BIM在港口作业区设计中的应用效果

1.2 GIS技术

GIS指地理信息系统，是以采集、储存、管理、显示和分析地球表面与空间、地理分布有关的数据的综合计算机信息系统，是一种分析和处理海量空间数据的技术。GIS多用于管理宏观尺度下的空间数据，例如我国已经基于GIS平台建立了中国港口资源监测管理系统，管理分析港口的岸线和泊位数据。其应用效果见图2。

图2 GIS在港口资源监测中的应用效果

1.3 BIM+GIS技术

BIM专注于建筑本身，更关注建筑项目本身及其内部细节，这些构成了相对微观层面的数据；而GIS则专注于建筑外部的地理空间信息，多用于生成地形等宏观层面的信息。两者的结合可以建立一个基于数据集成的建筑环境综合视图，拓展了港口规划研究的维度，赋予港口各要素多维的属性信息，提升空间分析和可视化能力。

由于BIM和GIS数据的创建、管理、分析、存储和可视化的方式不同，考虑到坐标系统、焦点范围和数据结构的差异，2个系统间的数据结构之间存在不兼容的地方。因此，BIM和GIS数据之间的统一和交互是两者深度集成应用的关键。目前集成技术已经取得一定发展，在城市规划等领域得到应用。

2 港口空间规划技术架构

2.1 存在的问题

1)港口空间规划维度尚停留在二维平面布置层次，多维多源空间信息分析手段缺失，对区域空间系统性适应性分析考虑不足；

2)港口空间规划成果满足于规划文本和平面图纸，规划的实施只能通过个别指标进行控制，难以全面把控设计建设运营阶段存在的不确定因素，缺少建立统一的空间信息模型，无法预先感知规划实施完成的效果和影响；

3)港口空间规划是固定时间节点的蓝图设计，不具备与实施进展同生的时间维度，缺少全生命周期规划管理的技术体系，随着时间进程较大概率出现难以实施的状况，规划调整修订频繁。

2.2 发展方向

在国土空间规划体系下，港口空间规划需要拓展时空维度，在更大的空间尺度上分析适应性，在更长的时间尺度上分析可行性，这些要求决定了编制技术的创新方向。

1)以GIS为整合平台。GIS具有整合、转换和分析能力，由于统一坐标系和统一规划体系等要求，规划编制成果整合到GIS是必然趋势。由于CAD等平台在绘制规划、设计方案方面的优势，会在规划编制过程中继续存在，但是最终规划成果整合到GIS平台上。基于GIS平台，围绕规划方案的空间分析能够得到准确体现，并为规划方案优化提供反馈。建立以GIS为中心的空间分析、符合性分析、冲突分析等技术框架和指标评价体系，是未来主要发展方向。

2)以BIM为模型基础。传统规划方案以二维平面为展现形式，所规划和展现的空间要素有限，难以适应复杂空间场景需求。BIM的核心内涵是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。目前，BIM在港航工程设计、施工及运营阶段已经形成一定的生产能力，为在规划阶段应用奠定了基础。通过明确规划阶段的BIM模型技术体系，实现全过程、全生命周期的管理与服务，对于强化规划实施监督和加强资源管控具有重要意义。

3)形成BIM与GIS的交互。对BIM数据和GIS数据进行格式转换、坐标转换和数据关联等处理后，实现多源异构的数据融合。BIM中构建的多维信息模型应能在GIS中进行空间分析和属性统计，GIS中分析的结果和技术要求应反馈在BIM中，进行方案优化。通过BIM+GIS数据集成和空间分析，实现空间漫游、属性查询、日照分析、剖切分析等功能。

2.3 技术架构

基于BIM和GIS相应的技术特征，技术架构主要包括3部分：1)规划设计BIM模型及平台；2)GIS分析模型及平台；3)模型渲染与展示平台。技术架构见图3。

图3 BIM+GIS港口空间规划设计技术架构

规划设计BIM模型及平台是基于Revit等BIM软件开发的规划设计参数化建模平台，包含协同设计标准库、规划设计通用族库、构件库和指标提取规则集等模块，实现规划设计准备、岸线规划布置、功能区布置、码头前沿地带布置、集疏运规划和指标提取等功能，辅助完成对整个港区区域的建模工作。

GIS分析模型及平台是基于Arc GIS等GIS软件开发形成，主要提供BIM+GIS数据集成、BIM+GIS数据三维空间分析、BIM+GIS数据发布与管理，并把相关处理结果反馈给BIM港口规划指标进行设计修改与校正。

模型渲染与展示平台将规划BIM模型导入，提供不同视角，实现实景漫游、场景切换、对比分析、信息查询等功能。

3 实例研究

3.1 BIM模型及平台

在规划设计准备阶段，包括链接CAD、水域生成和地形导入3大功能，识别水位高程和创建地形，实现二维平面要素属性的三维化展现。

在泊位规划设计阶段，包括岸线布置、码头布置、泊位布置3大功能。岸线布置是明确码头前沿线；码头布置是依托码头中心线生成码头结构类型和附属装卸设备；泊位布置包括顺岸泊位布置和蝶形泊位布置，其中顺岸泊位布置依托泊位中心线和选择的船型，通过内置根据规范确定的不同船型安全间距自动计算逻辑，实现泊位的布置，而蝶形泊位布置依托引桥中心线、码头前沿线和选择的船型，通过内置不同船型的蝶形泊位尺度自动计算逻辑，实现蝶形泊位的布置。基于BIM的码头布置见图4。

图4 基于BIM的码头布置

在功能区布置阶段，对堆场、堆料及其他功能区进行布置。堆场布置中根据预设好的参数和自行设置的尺度自动生成堆场，堆料布置是根据货种对不同堆场进行自动布置。

集疏运规划设计阶段包括创建道路、生成路口、生成铁路、布置桥梁4大功能。建立道路、铁路和桥梁的参数化族库，在选定中心线后根据设定尺度生成。根据选定交叉的道路和平交、立交类型生成不同路口。

设置规划设计指标自动提取功能，采用预定义规则集的方式，实现提取项目中建好模型的岸线、堆场、功能区和泊位的各类参数，包括岸线长度、泊位个数、各功能区面积、泊位通过能力、装卸设备个数及类型等，并将同类型的参数汇总。

3.2 GIS分析模型及平台

3.2.1模型集成

将BIM模型导入GIS系统后，利用GIS系统实现大场景的地形、影像、倾斜、点云及BIM模型的整合，融合空间信息和地理信息，并加载生态红线、国土空间规划、道路交通规划等相关规划。

3.2.2空间分析

空间分析包括协调性、填挖方、剖切、视域、天际线和视线分析等。

协调性分析指对规划设计方案和其他相关规划、自然条件之间进行分析，检查规划冲突和规划与地质地形等条件的不适应性。

挖填方分析指通过BIM规划模型和三维现状模型的叠加进行挖填平衡计算，分析出挖填方量和空间分布情况。

视线分析指确定穿过由表面和可选多面体数据集组成的障碍物的视线的可见性，分析结果见图5。

图5 视线分析结果

视域分析指相对于某个观察点，基于一定的水平、垂直视角及指定范围半径，分析该区域内所有通视点的集合，分析结果见图6。

图6 视域分析结果

剖切分析指根据指定的剖面线，输出剖面线与地形数据的表面高程沿某条线(截面)的变化，或剖面线所截的模型建筑物、地下管线等的轮廓线，分析结果见图7。

图7 剖切分析结果

3.2.3仿真分析

基于BIM和GIS的集成模型，结合相应交通仿真、污染物扩散、船舶操纵模拟等仿真模型，从船舶通航、码头生产、集疏运、安全环保等角度进行多维仿真分析，进一步评价规划设计的科学合理性。在集疏运方面，结合TransCAD和TransModeler等软件，对港口集疏运进行量化分析，包括道路适应性和道路仿真两个模块组成，实现数据读取、计算、评价、仿真、成果展示等功能，拓展BIM和GIS集成模型的分析维度。