基于BIM+GIS的港口空間規劃及設計技術方法*

薛天寒，金哲飛，姚海元，2，齊 越，王達川，蘇孟超

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

港口的空間規劃和設計是指導港口發展的空間藍圖，是岸線使用和碼頭建設的基本依據。作為港口范圍內安排空間開發利用的規劃設計方案，面對多規合一的趨勢，為保證可實施性，港口的空間規劃和設計必須解決與相關規劃的空間協調、方案銜接及成果互認問題。傳統的規劃和設計重點是進行二維平面布置，難以適應未來精細化設計要求和復雜環境下的約束。因此，在信息化、數字化、智慧化為代表的科技革命背景下，港口規劃和設計技術方法亟需創新，建立統一的規劃設計平臺，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合理和協調高效的港口空間規劃設計方案。

BIM+GIS技術是空間規劃和設計的重要發展方向，具備一定的研究基礎，在城市規劃方面已得到較為廣泛的應用。唐小龍等[1]提出城市建設中基于BIM+GIS技術的綜合信息平臺建設方案；鄭濤[2]以地理設計與BIM系統為基礎，提出城鄉規劃編制技術與方法變革的基本方向。在港口領域，BIM技術已經廣泛運用在設計、施工等過程，孫俊峰等[3]在珠海港高欄港區集裝箱二期工程建設中運用BIM協同共享技術；倪寅[4]對BIM在水運工程上的應用及問題進行了總結；姚海元等[5]探討了在國土空間規劃體系下BIM技術在港口規劃中的應用。但在規劃設計層面，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技術為基礎，思考其在港口空間規劃及設計上的應用方向和技術框架，建立BIM+GIS規劃設計集成平臺并進行空間分析和輔助設計，以期為港口空間規劃和設計技術革新提供參考，提升規劃設計的技術水平。

1 BIM+GIS技術概述

1.1 BIM技術

BIM是以三維數字技術為基礎、集成建設工程各種相關信息的工程數據模型，同時又是一種可應用于規劃、設計、建造、管理的數字化技術。BIM的核心內涵是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術，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，常用于對獨立作業區進行平面布置和詳細設計，應用效果見圖1。

圖1 BIM在港口作業區設計中的應用效果

1.2 GIS技術

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

圖2 GIS在港口資源監測中的應用效果

1.3 BIM+GIS技術

BIM專注于建筑本身，更關注建筑項目本身及其內部細節，這些構成了相對微觀層面的數據；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。兩者的結合可以建立一個基于數據集成的建筑環境綜合視圖，拓展了港口規劃研究的維度，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數據的創建、管理、分析、存儲和可視化的方式不同，考慮到坐標系統、焦點范圍和數據結構的差異，2個系統間的數據結構之間存在不兼容的地方。因此，BIM和GIS數據之間的統一和交互是兩者深度集成應用的關鍵。目前集成技術已經取得一定發展，在城市規劃等領域得到應用。

2 港口空間規劃技術架構

2.1 存在的問題

1)港口空間規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，對區域空間系統性適應性分析考慮不足；

2)港口空間規劃成果滿足于規劃文本和平面圖紙，規劃的實施只能通過個別指標進行控制，難以全面把控設計建設運營階段存在的不確定因素，缺少建立統一的空間信息模型，無法預先感知規劃實施完成的效果和影響；

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

2.2 發展方向

在國土空間規劃體系下，港口空間規劃需要拓展時空維度，在更大的空間尺度上分析適應性，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的創新方向。

1)以GIS為整合平臺。GIS具有整合、轉換和分析能力，由于統一坐標系和統一規劃體系等要求，規劃編制成果整合到GIS是必然趨勢。由于CAD等平臺在繪制規劃、設計方案方面的優勢，會在規劃編制過程中繼續存在，但是最終規劃成果整合到GIS平臺上。基于GIS平臺，圍繞規劃方案的空間分析能夠得到準確體現，并為規劃方案優化提供反饋。建立以GIS為中心的空間分析、符合性分析、沖突分析等技術框架和指標評價體系，是未來主要發展方向。

2)以BIM為模型基礎。傳統規劃方案以二維平面為展現形式，所規劃和展現的空間要素有限，難以適應復雜空間場景需求。BIM的核心內涵是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數字化技術，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在港航工程設計、施工及運營階段已經形成一定的生產能力，為在規劃階段應用奠定了基礎。通過明確規劃階段的BIM模型技術體系，實現全過程、全生命周期的管理與服務，對于強化規劃實施監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數據和GIS數據進行格式轉換、坐標轉換和數據關聯等處理后，實現多源異構的數據融合。BIM中構建的多維信息模型應能在GIS中進行空間分析和屬性統計，GIS中分析的結果和技術要求應反饋在BIM中，進行方案優化。通過BIM+GIS數據集成和空間分析，實現空間漫游、屬性查詢、日照分析、剖切分析等功能。

2.3 技術架構

基于BIM和GIS相應的技術特征，技術架構主要包括3部分：1)規劃設計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。技術架構見圖3。

圖3 BIM+GIS港口空間規劃設計技術架構

規劃設計BIM模型及平臺是基于Revit等BIM軟件開發的規劃設計參數化建模平臺，包含協同設計標準庫、規劃設計通用族庫、構件庫和指標提取規則集等模塊，實現規劃設計準備、岸線規劃布置、功能區布置、碼頭前沿地帶布置、集疏運規劃和指標提取等功能，輔助完成對整個港區區域的建模工作。

GIS分析模型及平臺是基于Arc GIS等GIS軟件開發形成，主要提供BIM+GIS數據集成、BIM+GIS數據三維空間分析、BIM+GIS數據發布與管理，并把相關處理結果反饋給BIM港口規劃指標進行設計修改與校正。

模型渲染與展示平臺將規劃BIM模型導入，提供不同視角，實現實景漫游、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

在規劃設計準備階段，包括鏈接CAD、水域生成和地形導入3大功能，識別水位高程和創建地形，實現二維平面要素屬性的三維化展現。

在泊位規劃設計階段，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構類型和附屬裝卸設備；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，通過內置根據規范確定的不同船型安全間距自動計算邏輯，實現泊位的布置，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，通過內置不同船型的蝶形泊位尺度自動計算邏輯，實現蝶形泊位的布置。基于BIM的碼頭布置見圖4。

圖4 基于BIM的碼頭布置

在功能區布置階段，對堆場、堆料及其他功能區進行布置。堆場布置中根據預設好的參數和自行設置的尺度自動生成堆場，堆料布置是根據貨種對不同堆場進行自動布置。

集疏運規劃設計階段包括創建道路、生成路口、生成鐵路、布置橋梁4大功能。建立道路、鐵路和橋梁的參數化族庫，在選定中心線后根據設定尺度生成。根據選定交叉的道路和平交、立交類型生成不同路口。

設置規劃設計指標自動提取功能，采用預定義規則集的方式，實現提取項目中建好模型的岸線、堆場、功能區和泊位的各類參數，包括岸線長度、泊位個數、各功能區面積、泊位通過能力、裝卸設備個數及類型等，并將同類型的參數匯總。

3.2 GIS分析模型及平臺

3.2.1模型集成

將BIM模型導入GIS系統后，利用GIS系統實現大場景的地形、影像、傾斜、點云及BIM模型的整合，融合空間信息和地理信息，并加載生態紅線、國土空間規劃、道路交通規劃等相關規劃。

3.2.2空間分析

空間分析包括協調性、填挖方、剖切、視域、天際線和視線分析等。

協調性分析指對規劃設計方案和其他相關規劃、自然條件之間進行分析，檢查規劃沖突和規劃與地質地形等條件的不適應性。

挖填方分析指通過BIM規劃模型和三維現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據集組成的障礙物的視線的可見性，分析結果見圖5。

圖5 視線分析結果

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，分析該區域內所有通視點的集合，分析結果見圖6。

圖6 視域分析結果

剖切分析指根據指定的剖面線，輸出剖面線與地形數據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，分析結果見圖7。

圖7 剖切分析結果

3.2.3仿真分析

基于BIM和GIS的集成模型，結合相應交通仿真、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、集疏運、安全環保等角度進行多維仿真分析，進一步評價規劃設計的科學合理性。在集疏運方面，結合TransCAD和TransModeler等軟件，對港口集疏運進行量化分析，包括道路適應性和道路仿真兩個模塊組成，實現數據讀取、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，將規劃設計BIM模型導入平臺進行渲染，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。日照變化分析結果見圖8。

圖8 日照變化分析結果

4 結論

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

2)通過建立BIM+GIS的規劃設計平臺，將BIM模型和GIS環境深度融合，實現宏觀尺度下的空間數據和微觀尺度下的三維模型的統一，進行空間分析、場景分析、輔助設計等，提升了規劃設計技術水平，提高規劃設計方案的空間可視化和分析能力。

3)作為建設生命周期的一部分，規劃設計階段的BIM+GIS平臺應繼續深化，與建設、運營和管理階段銜接，實現全生命周期管理。