基于BIM+GIS的港口空間規(guī)劃及設(shè)計技術(shù)方法*

薛天寒，金哲飛，姚海元，2，齊 越，王達川，蘇孟超

(1.交通運輸部規(guī)劃研究院，北京 100028；2.天津大學(xué)，天津 300072)

港口的空間規(guī)劃和設(shè)計是指導(dǎo)港口發(fā)展的空間藍圖，是岸線使用和碼頭建設(shè)的基本依據(jù)。作為港口范圍內(nèi)安排空間開發(fā)利用的規(guī)劃設(shè)計方案，面對多規(guī)合一的趨勢，為保證可實施性，港口的空間規(guī)劃和設(shè)計必須解決與相關(guān)規(guī)劃的空間協(xié)調(diào)、方案銜接及成果互認問題。傳統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計重點是進行二維平面布置，難以適應(yīng)未來精細化設(shè)計要求和復(fù)雜環(huán)境下的約束。因此，在信息化、數(shù)字化、智慧化為代表的科技革命背景下，港口規(guī)劃和設(shè)計技術(shù)方法亟需創(chuàng)新，建立統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計平臺，融合分析所有空間信息，在多維度、多約束的場景下形成科學(xué)合理和協(xié)調(diào)高效的港口空間規(guī)劃設(shè)計方案。

BIM+GIS技術(shù)是空間規(guī)劃和設(shè)計的重要發(fā)展方向，具備一定的研究基礎(chǔ)，在城市規(guī)劃方面已得到較為廣泛的應(yīng)用。唐小龍等[1]提出城市建設(shè)中基于BIM+GIS技術(shù)的綜合信息平臺建設(shè)方案；鄭濤[2]以地理設(shè)計與BIM系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出城鄉(xiāng)規(guī)劃編制技術(shù)與方法變革的基本方向。在港口領(lǐng)域，BIM技術(shù)已經(jīng)廣泛運用在設(shè)計、施工等過程，孫俊峰等[3]在珠海港高欄港區(qū)集裝箱二期工程建設(shè)中運用BIM協(xié)同共享技術(shù)；倪寅[4]對BIM在水運工程上的應(yīng)用及問題進行了總結(jié)；姚海元等[5]探討了在國土空間規(guī)劃體系下BIM技術(shù)在港口規(guī)劃中的應(yīng)用。但在規(guī)劃設(shè)計層面，以GIS+BIM為框架的研究還基本處于起步階段。

為此，本文以BIM+GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，思考其在港口空間規(guī)劃及設(shè)計上的應(yīng)用方向和技術(shù)框架，建立BIM+GIS規(guī)劃設(shè)計集成平臺并進行空間分析和輔助設(shè)計，以期為港口空間規(guī)劃和設(shè)計技術(shù)革新提供參考，提升規(guī)劃設(shè)計的技術(shù)水平。

1 BIM+GIS技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)

BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)、集成建設(shè)工程各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，同時又是一種可應(yīng)用于規(guī)劃、設(shè)計、建造、管理的數(shù)字化技術(shù)。BIM的核心內(nèi)涵是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫，側(cè)重于對單體建筑、局部空間的精細表達。在港口工程中，常用于對獨立作業(yè)區(qū)進行平面布置和詳細設(shè)計，應(yīng)用效果見圖1。

圖1 BIM在港口作業(yè)區(qū)設(shè)計中的應(yīng)用效果

1.2 GIS技術(shù)

GIS指地理信息系統(tǒng)，是以采集、儲存、管理、顯示和分析地球表面與空間、地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的綜合計算機信息系統(tǒng)，是一種分析和處理海量空間數(shù)據(jù)的技術(shù)。GIS多用于管理宏觀尺度下的空間數(shù)據(jù)，例如我國已經(jīng)基于GIS平臺建立了中國港口資源監(jiān)測管理系統(tǒng)，管理分析港口的岸線和泊位數(shù)據(jù)。其應(yīng)用效果見圖2。

圖2 GIS在港口資源監(jiān)測中的應(yīng)用效果

1.3 BIM+GIS技術(shù)

BIM專注于建筑本身，更關(guān)注建筑項目本身及其內(nèi)部細節(jié)，這些構(gòu)成了相對微觀層面的數(shù)據(jù)；而GIS則專注于建筑外部的地理空間信息，多用于生成地形等宏觀層面的信息。兩者的結(jié)合可以建立一個基于數(shù)據(jù)集成的建筑環(huán)境綜合視圖，拓展了港口規(guī)劃研究的維度，賦予港口各要素多維的屬性信息，提升空間分析和可視化能力。

由于BIM和GIS數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、管理、分析、存儲和可視化的方式不同，考慮到坐標系統(tǒng)、焦點范圍和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的差異，2個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間存在不兼容的地方。因此，BIM和GIS數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)一和交互是兩者深度集成應(yīng)用的關(guān)鍵。目前集成技術(shù)已經(jīng)取得一定發(fā)展，在城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2 港口空間規(guī)劃技術(shù)架構(gòu)

2.1 存在的問題

1)港口空間規(guī)劃維度尚停留在二維平面布置層次，多維多源空間信息分析手段缺失，對區(qū)域空間系統(tǒng)性適應(yīng)性分析考慮不足；

2)港口空間規(guī)劃成果滿足于規(guī)劃文本和平面圖紙，規(guī)劃的實施只能通過個別指標進行控制，難以全面把控設(shè)計建設(shè)運營階段存在的不確定因素，缺少建立統(tǒng)一的空間信息模型，無法預(yù)先感知規(guī)劃實施完成的效果和影響；

3)港口空間規(guī)劃是固定時間節(jié)點的藍圖設(shè)計，不具備與實施進展同生的時間維度，缺少全生命周期規(guī)劃管理的技術(shù)體系，隨著時間進程較大概率出現(xiàn)難以實施的狀況，規(guī)劃調(diào)整修訂頻繁。

2.2 發(fā)展方向

在國土空間規(guī)劃體系下，港口空間規(guī)劃需要拓展時空維度，在更大的空間尺度上分析適應(yīng)性，在更長的時間尺度上分析可行性，這些要求決定了編制技術(shù)的創(chuàng)新方向。

1)以GIS為整合平臺。GIS具有整合、轉(zhuǎn)換和分析能力，由于統(tǒng)一坐標系和統(tǒng)一規(guī)劃體系等要求，規(guī)劃編制成果整合到GIS是必然趨勢。由于CAD等平臺在繪制規(guī)劃、設(shè)計方案方面的優(yōu)勢，會在規(guī)劃編制過程中繼續(xù)存在，但是最終規(guī)劃成果整合到GIS平臺上。基于GIS平臺，圍繞規(guī)劃方案的空間分析能夠得到準確體現(xiàn)，并為規(guī)劃方案優(yōu)化提供反饋。建立以GIS為中心的空間分析、符合性分析、沖突分析等技術(shù)框架和指標評價體系，是未來主要發(fā)展方向。

2)以BIM為模型基礎(chǔ)。傳統(tǒng)規(guī)劃方案以二維平面為展現(xiàn)形式，所規(guī)劃和展現(xiàn)的空間要素有限，難以適應(yīng)復(fù)雜空間場景需求。BIM的核心內(nèi)涵是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。目前，BIM在港航工程設(shè)計、施工及運營階段已經(jīng)形成一定的生產(chǎn)能力，為在規(guī)劃階段應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過明確規(guī)劃階段的BIM模型技術(shù)體系，實現(xiàn)全過程、全生命周期的管理與服務(wù)，對于強化規(guī)劃實施監(jiān)督和加強資源管控具有重要意義。

3)形成BIM與GIS的交互。對BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、坐標轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等處理后，實現(xiàn)多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)融合。BIM中構(gòu)建的多維信息模型應(yīng)能在GIS中進行空間分析和屬性統(tǒng)計，GIS中分析的結(jié)果和技術(shù)要求應(yīng)反饋在BIM中，進行方案優(yōu)化。通過BIM+GIS數(shù)據(jù)集成和空間分析，實現(xiàn)空間漫游、屬性查詢、日照分析、剖切分析等功能。

2.3 技術(shù)架構(gòu)

基于BIM和GIS相應(yīng)的技術(shù)特征，技術(shù)架構(gòu)主要包括3部分：1)規(guī)劃設(shè)計BIM模型及平臺；2)GIS分析模型及平臺；3)模型渲染與展示平臺。技術(shù)架構(gòu)見圖3。

圖3 BIM+GIS港口空間規(guī)劃設(shè)計技術(shù)架構(gòu)

規(guī)劃設(shè)計BIM模型及平臺是基于Revit等BIM軟件開發(fā)的規(guī)劃設(shè)計參數(shù)化建模平臺，包含協(xié)同設(shè)計標準庫、規(guī)劃設(shè)計通用族庫、構(gòu)件庫和指標提取規(guī)則集等模塊，實現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計準備、岸線規(guī)劃布置、功能區(qū)布置、碼頭前沿地帶布置、集疏運規(guī)劃和指標提取等功能，輔助完成對整個港區(qū)區(qū)域的建模工作。

GIS分析模型及平臺是基于Arc GIS等GIS軟件開發(fā)形成，主要提供BIM+GIS數(shù)據(jù)集成、BIM+GIS數(shù)據(jù)三維空間分析、BIM+GIS數(shù)據(jù)發(fā)布與管理，并把相關(guān)處理結(jié)果反饋給BIM港口規(guī)劃指標進行設(shè)計修改與校正。

模型渲染與展示平臺將規(guī)劃BIM模型導(dǎo)入，提供不同視角，實現(xiàn)實景漫游、場景切換、對比分析、信息查詢等功能。

3 實例研究

3.1 BIM模型及平臺

在規(guī)劃設(shè)計準備階段，包括鏈接CAD、水域生成和地形導(dǎo)入3大功能，識別水位高程和創(chuàng)建地形，實現(xiàn)二維平面要素屬性的三維化展現(xiàn)。

在泊位規(guī)劃設(shè)計階段，包括岸線布置、碼頭布置、泊位布置3大功能。岸線布置是明確碼頭前沿線；碼頭布置是依托碼頭中心線生成碼頭結(jié)構(gòu)類型和附屬裝卸設(shè)備；泊位布置包括順岸泊位布置和蝶形泊位布置，其中順岸泊位布置依托泊位中心線和選擇的船型，通過內(nèi)置根據(jù)規(guī)范確定的不同船型安全間距自動計算邏輯，實現(xiàn)泊位的布置，而蝶形泊位布置依托引橋中心線、碼頭前沿線和選擇的船型，通過內(nèi)置不同船型的蝶形泊位尺度自動計算邏輯，實現(xiàn)蝶形泊位的布置?；贐IM的碼頭布置見圖4。

圖4 基于BIM的碼頭布置

在功能區(qū)布置階段，對堆場、堆料及其他功能區(qū)進行布置。堆場布置中根據(jù)預(yù)設(shè)好的參數(shù)和自行設(shè)置的尺度自動生成堆場，堆料布置是根據(jù)貨種對不同堆場進行自動布置。

集疏運規(guī)劃設(shè)計階段包括創(chuàng)建道路、生成路口、生成鐵路、布置橋梁4大功能。建立道路、鐵路和橋梁的參數(shù)化族庫，在選定中心線后根據(jù)設(shè)定尺度生成。根據(jù)選定交叉的道路和平交、立交類型生成不同路口。

設(shè)置規(guī)劃設(shè)計指標自動提取功能，采用預(yù)定義規(guī)則集的方式，實現(xiàn)提取項目中建好模型的岸線、堆場、功能區(qū)和泊位的各類參數(shù)，包括岸線長度、泊位個數(shù)、各功能區(qū)面積、泊位通過能力、裝卸設(shè)備個數(shù)及類型等，并將同類型的參數(shù)匯總。

3.2 GIS分析模型及平臺

3.2.1模型集成

將BIM模型導(dǎo)入GIS系統(tǒng)后，利用GIS系統(tǒng)實現(xiàn)大場景的地形、影像、傾斜、點云及BIM模型的整合，融合空間信息和地理信息，并加載生態(tài)紅線、國土空間規(guī)劃、道路交通規(guī)劃等相關(guān)規(guī)劃。

3.2.2空間分析

空間分析包括協(xié)調(diào)性、填挖方、剖切、視域、天際線和視線分析等。

協(xié)調(diào)性分析指對規(guī)劃設(shè)計方案和其他相關(guān)規(guī)劃、自然條件之間進行分析，檢查規(guī)劃沖突和規(guī)劃與地質(zhì)地形等條件的不適應(yīng)性。

挖填方分析指通過BIM規(guī)劃模型和三維現(xiàn)狀模型的疊加進行挖填平衡計算，分析出挖填方量和空間分布情況。

視線分析指確定穿過由表面和可選多面體數(shù)據(jù)集組成的障礙物的視線的可見性，分析結(jié)果見圖5。

圖5 視線分析結(jié)果

視域分析指相對于某個觀察點，基于一定的水平、垂直視角及指定范圍半徑，分析該區(qū)域內(nèi)所有通視點的集合，分析結(jié)果見圖6。

圖6 視域分析結(jié)果

剖切分析指根據(jù)指定的剖面線，輸出剖面線與地形數(shù)據(jù)的表面高程沿某條線(截面)的變化，或剖面線所截的模型建筑物、地下管線等的輪廓線，分析結(jié)果見圖7。

圖7 剖切分析結(jié)果

3.2.3仿真分析

基于BIM和GIS的集成模型，結(jié)合相應(yīng)交通仿真、污染物擴散、船舶操縱模擬等仿真模型，從船舶通航、碼頭生產(chǎn)、集疏運、安全環(huán)保等角度進行多維仿真分析，進一步評價規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)合理性。在集疏運方面，結(jié)合TransCAD和TransModeler等軟件，對港口集疏運進行量化分析，包括道路適應(yīng)性和道路仿真兩個模塊組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、計算、評價、仿真、成果展示等功能，拓展BIM和GIS集成模型的分析維度。

3.3 模型渲染與展示平臺

基于Unity等軟件，將規(guī)劃設(shè)計BIM模型導(dǎo)入平臺進行渲染，形成對成果的多維展示和分析。提供不同視角對港區(qū)的實景漫游，進行圖文熱點的展示，并開展日照變化和不同天氣下的展現(xiàn)。日照變化分析結(jié)果見圖8。

圖8 日照變化分析結(jié)果

4 結(jié)論

1)基于BIM+GIS技術(shù)，探討港口空間規(guī)劃及設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新方向，提出BIM+GIS港口空間規(guī)劃設(shè)計技術(shù)架構(gòu)，對于在國土空間規(guī)劃體系背景下做好港口規(guī)劃及設(shè)計工作具有重要意義。

2)通過建立BIM+GIS的規(guī)劃設(shè)計平臺，將BIM模型和GIS環(huán)境深度融合，實現(xiàn)宏觀尺度下的空間數(shù)據(jù)和微觀尺度下的三維模型的統(tǒng)一，進行空間分析、場景分析、輔助設(shè)計等，提升了規(guī)劃設(shè)計技術(shù)水平，提高規(guī)劃設(shè)計方案的空間可視化和分析能力。

3)作為建設(shè)生命周期的一部分，規(guī)劃設(shè)計階段的BIM+GIS平臺應(yīng)繼續(xù)深化，與建設(shè)、運營和管理階段銜接，實現(xiàn)全生命周期管理。