寒區高速公路路線三維設計優化研究

于洋 石振武 王奇 張洪瑞

摘 要：為突破二維平面在寒區高速公路選線設計中的局限性，將GIS的空間數據分析和BIM的三維可視化功能相結合以實現路線三維設計優化的新框架。依托寒區高速公路—鶴伊高速，首先通過GIS數據采集及規范化處理獲取高精度地理數據模型，再將其集成到BIM平臺上獲取三維地理信息模型，最后借助BIM技術進行分區域選線應用，實現科學高效的寒區路線規劃。研究結果表明，利用GIS地理數據和BIM技術生成的深挖路基與隧道模型，從安全和經濟方面進行方案對比分析，綜合結果與設計方意見一致；與水槽實驗模擬結果對比，驗證了BIM技術可通過洪水模擬分析對涉水工程不同方案的合理性進行評估；利用該框架對復雜交叉路口進行交通模擬分析，得到的交通數據可為公路工程建設指標的確定提供參考數據。基于GIS與BIM等信息化技術對鶴伊高速公路路線三維設計的應用研究，能夠形成示范性成果為后續寒區工程選線優化提供借鑒。

關鍵詞：公路工程；GIS；BIM；路線設計；三維模型

中圖分類號：U412.32 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）06-0188-08

Research on 3D Design Optimization of Freeway Route in Cold Regions

YU Yang， SHI Zhenwu， WANG Qi， ZHANG Hongrui

（1.School of Civil Engineering and Transportation， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China; 2. Heilongjiang

Transportation Planning Design and Research Institute Group Co.， Ltd， Harbin 150000， China;

3.Heilongjiang Jiaotou Highway Construction Investment Co.， Ltd， Harbin 150000， China）

Abstract：To break through the limitations of two-dimensional plane in the optimization of highway route design in cold regions， a new framework is proposed that effectively combines the spatial data analysis of GIS with the 3D visualization function of BIM to achieve 3D route design optimization. This paper relies on the cold zone freeway He-Yi， firstly obtaining high precision geographic data model through GIS data collection and normalization processing， then integrating it into the BIM platform to obtain 3D geographic information model， and finally using BIM technology for sub-regional route selection application to achieve scientific and efficient cold zone route planning. The research results show that the deep excavation roadbed and tunnel models generated by using GIS geographic data and BIM technology are compared and analyzed from both safety and economic aspects of the scheme， and the comprehensive results are consistent with the designer's opinion. The comparison with the simulation results of water tank experiments verifies that BIM technology can evaluate the rationality of different schemes of water-related projects through flood simulation analysis. The traffic simulation analysis of complex intersections using this framework and the traffic data obtained can provide reference data for the determination of road construction indexes. The research on the application of GIS+BIM information technology to the three-dimensional design of He-Yi freeway route can form exemplary results to provide reference for the optimization of the subsequent cold region project selection.

Keywords：Highway engineering; GIS; BIM; route design; 3D model

收稿日期：2023-04-18

基金項目：黑龍江省自然科學基金項目（YQ0202G001）；黑龍江省博士后科研啟動金項目（LBH-Q21054）；黑龍江省交通運輸廳科技項目（20181215）。

第一作者簡介：于洋，碩士研究生。研究方向為工程經濟與項目管理和道路工程技術。E-mail： 2451518132@qq.com

*通信作者：石振武，博士，教授。研究方向為工程經濟與項目管理和道路工程技術。E-mail： shizhenwu@126.com

引文格式：于洋，石振武，王奇， 等. 寒區高速公路路線三維設計優化研究[J]. 森林工程， 2023， 39（6） ：188-195.

YU Y， SHI Z W， WANG Q， et al. Research on 3D design optimization of freeway route in cold regions[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6） ：188-195.

0 引言

公路選線設計通常指依據公路的使用任務及相關技術標準，與實際水文地質環境條件相結合，從全局出發、細節入手，綜合全盤地選擇合理的公路路線。隨著我國交通公路網的日益完善，寒區高速公路的建設正不斷推進，而寒區選線環境往往更為復雜，以二維為主的傳統設計，普遍存在勘察難度大、設計效率低、缺乏全域視角帶來的平縱指標結合不周密等難題，加大了路線設計難度。因此，在智慧交通時代到來的大背景下，將數字三維模型運用到公路選線設計中，考慮利用無人機航測技術結合GIS數據處理手段，綜合BIM平臺的優勢來進行寒區高速公路選線方案設計是公路勘察設計的全新方法。

BIM作為一種適應于規劃、設計、運營于一體的數字化技術，與GIS空間分析功能相結合的應用已具備一定研究基礎。國外學者最早在2004年開始嘗試將BIM數據格式轉化為3DGIS模式的幾何語義和信息，目前兩者之間數據語義轉換的研究已為BIM+GIS技術在實際工程案例中的應用奠定了基礎。在國內，BIM+GIS技術的集成最先被應用于城市軌道交通建設中，袁紅等對城市中心型軌道站點的規劃、建筑和施工的空間整體設計作了前期探索；吳祥龍等以具體的城市軌道交通項目為例，研究并證明了開發多源數據的BIM選線設計平臺能夠大幅提升設計效率；此外，劉少鵬等利用BIM與GIS數據集成提出了橋隧設計的全過程方法，隨著智慧交通發展，推廣應用BIM+GIS技術在交通運輸領域成為研究熱點。在公路工程領域，BIM+GIS技術已進一步應用于公路三維模型的創建、施工安全及建造成本等運維管理中，王偉等以延崇高速公路磚樓特大橋工程為例，驗證了在方案變更時利用參數化建模能有效提高施工效率與施工安全；趙月平等構建了基于BIM+GIS的公路工程施工預算管理系統以實現對公路工程施工進度、預算和成本評價等功能；李德宏等開展了從參數化建模到施工信息管理再到模型交互方法的研究，為BIM技術在帶狀工程中的全壽命周期運用提供了技術支撐。但在選線設計層面，運用GIS+BIM集成技術進行高速公路路線優化的研究還處于起步階段。

綜上所述，當前公路工程領域的GIS與BIM的集成應用研究，還存在如下問題：1）以往研究多專注于兩者數據轉換問題，作為BIM三維展現基礎的GIS數據精度問題未形成規范性解決方法；2）當前應用以模型創建為主，多展示宏觀基本形態，體量大、參數少，尚未有效利用GIS數據發揮出BIM技術在微觀層面的應用價值；3）現階段BIM+GIS大多基于概念模型來為施工和運維管理作服務，鮮有翔實、深入地分區域選線具體方案分析。因此，依托選線特點突出的寒區高速公路實例，借助GIS與BIM技術對高速公路路線三維設計優化展開研究顯得十分必要。

本研究依據寒區高速項目案例實際情況，整理了該項目路線設計的重難點，提出了解決GIS數據不規范的技術方法，通過設計數據采集流程，對航測數據進行矢量化修正，擇優選取理想算法進行網格濾波數據處理以精確控制誤差。同時，借助數據集成平臺Infraworks將獲取的高精度GIS數據集成應用到BIM軟件中，在三維地理信息模型中發揮BIM技術優勢進行局部選線設計，把控全局路線合理性的同時將眾多因素進行分路段選線應用，最終參考既得有效數據實現基于GIS+BIM技術的路線方案的選擇與優化，具體處理流程如圖1所示。與傳統選線相比，該方法既保留了GIS在傳統路線設計中的空間分析功能，又具有BIM三維模型可視化智能分析的優勢，集成應用能夠使設計數據更準、效率更高，最終形成綜合性高、可行性強的寒區路線設計方案。

1 項目概況

1.1 工程概況

鶴伊高速位于小興安嶺腹地北部，設計全長164 km，沿線山地重丘起伏綿延，跨越松花江左岸一級支流湯旺河，穿越我國北部季凍區、密林區、高山區，自然區劃為I2區，屬于典型的寒區高速公路。

1.2 選線重難點

1）山高林密，地形地勢復雜，經過地區多為次生林、塔頭地和濕地等生態敏感區，人工勘察地形難度高且數據量級低，無法全面精準反映復雜地形情況。

2）凍土區域豐富，地質情況復雜，途徑區域有低山緩坡濕地、河谷濕地、季節性凍土和島狀多年凍土等，土質含水率高，經過反復凍融結構易失穩，布線方案受凍土影響大。

3）多次穿越湯旺河，屬于封凍性河流，其徑流主要靠降水（雨、雪）和凍融冰雪補給，具有明顯的季節性，所經區域地勢較低極易引發流水聚集。

4）沿線經濟區域眾多、礦產資源豐富，路線布置處分布有大量水庫、畜牧區、煤石礦和油井等，對其交通預測難度增大。

綜上所述，該項目選線情況復雜、國內參考樣例不足，本研究應用GIS+BIM的前沿技術手段，選取設計難度高且爭議較大的路段對寒區公路路線三維設計優化進行了探究。

2 材料與方法

2.1 數據采集

本研究利用無人機搭載三維激光掃描儀和多光譜高清攝像機，對鶴伊高速線路地形進行全域數據采集。在航測過程中，保證60%側面重疊，80%正向重疊，在密林區將重疊率提高至85%以上，通過平均分散地面控制點（GCPS）的方式，保證幾何精度和地理參考精度滿足項目要求，本項目航測參考以投影坐標系CGCS 2 000（China Geodetic Coordinate System 2 000）為準。

2.2 數據分析

2.2.1 數據影像分析

通過Metashpe軟件處理保存為多通道（單頁）TIFF文件的多光譜圖像，并確保每幅圖像都有足夠精準的有理多項式系數（RPC）數據。處理步驟包括：對齊照片、構建密集云、構建DEM、構建正交圖像，在正波輸出過程中，其余光譜帶一同處理，形成與源圖像通道相同的多光譜正波輸出。2.2.2 植被指數計算及矢量成果修正

通過航測技術采集的地理信息數據，往往是對原地形的無差別采集，為剔除小興安嶺腹地大量植被對原始地貌影響，利用植被指數用以分析植被覆蓋率，并計算不同光譜通道操作結果。植被指數包含歸一化植被指數（NDVI，式中用N表示）、增強植被指數（BVI）、綠色歸一化植被指數（GNDVI）等。本研究計算采用歸一化植被差異指數（NDVI）是一種無量綱指數，反應植被覆蓋的可見光和近紅外反射率之間的差異，公式如下

N=（N－R）/（N+R）。 ????（1）

式中：N為光譜中近紅外區域的反射率；R為光譜中紅色區域的紅光反射率。

在成果文件矢量層中指定具有邊界形狀的區域，并按光柵變化規則進行轉換計算，根據NDVI計算值，對矢量文件進行定值修正。

2.2.3 GIS數據濾波修正

網格濾波是一種處理三維表面數據的技術手段，主要依據象元鄰域內的眾數值替換象元的原理，可以將質量參差不齊的GIS數據 “噪聲”象元進行平滑的預處理操作。因鶴伊高速途徑區域環境復雜，形成的成果數據存在大量冗余，經象元糾正、網格濾波等方式進行修正和校對，可以生成更為精準的數字地面模型。通過獲取GIS數據實際情況，篩選出現行應用較廣泛的濾波算法有距離加權法、一階導數濾波和高斯低通濾波，比較研究各自優缺點，高斯低通濾波能夠依據鶴伊高速選線地址的地勢情況保留異常高值和異常低值，而對于一些零散的干擾則基本濾去，屬于效果比較理想的一種濾波算法。本研究采用高斯低通濾波算法。

高斯低通濾波是通過對整個S×T的數據域進行加權平均，每一計算點的值均由其自身及領域內的其他值加權平均得到。其計算公式如下

式中：S、T為計算點區位距離；W（i，j） 為各點權重值；α為自定義常量。

在數據處理過程中，依照計算公式將高斯低通濾波算法轉換成代碼，對接到QGIS軟件平臺中，完成GIS數據的濾波修正，導出tif文件，得到了更為規范的GIS數據圖，如圖2—圖3所示，從而有效控制了因地理環境、無人機差速、天氣和信號干擾等不穩定因素引起的誤差。

2.3 GIS+BIM集成模型建立

經過規范化處理的GIS數據可以更精確地加載地質、凍土區、自然保護區、河谷地帶和行政區劃等矢量數據，通過將GIS矢量文件導入BIM軟件，轉換成具有拓撲關系的曲面圖形文件，本研究利用通用的BIM道路設計軟件Civil 3D，基于曲面圖形文件創建道路放坡模型，如圖4所示，利用Dynamo（Revit軟件內嵌可視化編程工具）工具創建橋梁方案模型，如圖5所示。

當前，主流設計軟件在BIM與GIS數據融合轉換方面已相當成熟，本研究選取歐特克公司開發集成性較強的平臺軟件Infraworks進行數據模型發布與集成，將GIS數據和BIM模型發布至Infraworks云平臺，如圖6所示，按格式分類存儲，在集成應用和模擬演示時可隨用隨取，依據鶴伊選線特點，重點通過土石方統計、洪水模擬和交通模擬對不同路段路線規劃進行模擬分析。

3 結果與分析

3.1 土石方統計

鶴伊高速在K52+000—K62+000段經過豐林林場，由于地形限制會穿越2個山包，于K57+800—K58+194處山體高度約30 m，山體高度既可采取深挖方案又滿足隧道穿行方案要求，路線方案的設計將直接影響項目總工程造價。借助BIM技術快速生成道路模型、邊坡放坡范圍、模擬土石方開挖與回填，對2種路線規劃方案的工程量、地質條件等實際情況快速預估，以選擇最優方案。

結合GIS地理數據，通過參數化設定，創建了融合地質、地物、地形的深挖邊坡道路模型和隧道模型，對深挖方案（圖7）與短隧道方案（圖8）進行對比分析。

通過土石方統計模擬結果可知，對深挖方案進行土石方量統計得，該處挖方量為3 356. 533 m，填方量為11. 657 m，開挖土質較好，可用作附近填方路基回填土，利用率高，造價成本較低。對短隧道方案進行空間分析時，隧道方案里程較短，且距離下一座隧道僅1.2 km，在行車過程中容易造成明

暗頻繁交替現象，對行車安全造成不利影響，建設成本高。同時，根據BIM模型區域標識，隧道方案的凍融土層厚度約為2.5 m，容易引起隧道上方土層結構失穩、洞頂滲水等問題。綜合設計方意見，基于行車安全和經濟建設方面考慮，深挖設計方案更具優勢，與利用BIM技術的土方統計方案結論一致。

3.2 洪水模擬

本項目在K91+000—K105+000段左右逢山，山間為湯旺河水系，受地勢及氣候影響，七八月份冰雪消融伴隨雨季來臨，湯旺河將迎來為期45 d的主汛期，洪水速度高達18～22 m/s。根據實際情況，通過BIM技術對該路段2種不同設計方案的區域水線狀況、洪水位高度和淹沒范圍進行模擬，以更精準、高效地確定公路線型的位置、排水構造物的形式及規模等。

在Infraworks軟件中利用淺水方程模型進行洪水模擬，使用定義的降雨和潮汐變化參數，該模型可準確地預測并模擬內陸或海岸洪水，并結合洪水的水力演算提供水位參數值。本次模擬選取路線A、B兩處跨河方案，采用洪水單流入方式，類型設置為靜態流，即流入為固定且一致的速率，流速（Q）為100 m/s；流出設置采用分布式曼寧值，河道區域默認系數采用0.02，其余區域采用0.035，設置模擬地形三角網節點間距為20 m，確保精度的同時，提高模擬效率，進行時長為6 h的模擬。

A、B兩處均設計采用10孔、每孔30 m布孔形式，雙幅分離式、圓形墩柱式下部結構，A處橋梁與河道交叉角度為20°，橋梁下部與水流方向平行，通航凈空8.5 m，B處其角度為45°，橋梁下部與路線成正交角度布設，通航凈空8.2 m。從洪水模擬分析圖9—10可以直觀看出，A線位橋梁對水流干擾較小，未因橋梁布設，對河道水流形成明顯干擾；B線位橋梁結構對水流流速造成較為明顯的干擾，在河道上游出現明顯壅水現象，下游形成紊流。同時，通過梯度色度值獲取A、B兩處橋梁對水文影響的結果，對應得到不同時段河道中心橋墩處的壅水高度，形成分析折線，如圖11所示，反映出A方案壅水高度相較B方案在全時段內平均差值低0.506 m。通過對比水槽實驗模擬結果，可以看出A、B兩處主河道的墩柱所對應的紊動能趨勢，如圖12所示，同一時刻不同水位處A方案紊動能數值低于B方案，差值在0.001～0.011 m/s，與BIM洪水模擬結果相符。

3.3 交通模擬

本研究于K15+000處與鶴崗至苔青方向的二級路相交，該處被交公路的路基寬度為12 m，雙向兩車道，設計速度為60 km/h，相交處為直線段，路線兩側為重要的實業區與經濟帶，交通形式復雜，交通量難以預測。因此，通過BIM技術對該路段多處交叉路口，以及不同時段交通量進行實況分析，以驗證路線規劃建設指標的合理性，使線路在保證行車暢通的情況下更加經濟合理。

選擇該路段唯一的單喇叭互通A/D/E 3條匝道匯流處為交通模擬對象，其中A匝道為雙向兩車道，設計速度為60 km/h，D/E匝道為單向單車道，設計速度為40 km/h。以預測特征年2025年，年平均日交通量預測結果數據為依據，經推算得鶴崗至伊春方向預測交通量為4 294 PCU/h，鶴崗至哈爾濱方向預測交通量為5 233 PCU/h，為交通模擬提供基礎數據。在Infraworks軟件中模擬不同時段各種車輛行車的通暢性，如圖13—圖14所示。

得到交通模擬分析報表見表1，該報表明確反映出各類車輛在行經路段所用時長，從而得到平均行車速度，由表1可以看出，大型車輛行駛速度約在30 km/h，中型車輛行駛速度約為37 km/h，小型客車行車速度約為42 km/h，與設計速度差值范圍為-10～2 km/h。

通過交通模擬結果分析得到，以2030年預測交通量為基礎的情況下，該項目設計路線建設規模基本滿足車輛運行要求，但考慮到黑龍江省經濟總體水平不高，正處于建設發展期，交通量預測彈性系數將略高于應用值，因此建議提高道路建設指標。本路段交通模擬情況與實際設計指導要求基本吻合，驗證了在復雜交叉路口利用BIM技術進行交通模擬實現路線規劃的可行性。

4 結論

本研究以寒區高速公路鶴伊高速為案例，探究了GIS與BIM技術在寒區高速公路路線方案三維設計中的應用，研究結果表明如下。

1）提出的GIS數據修正方法能有效進行地理空間數據整合，通過數據影像分析、GIS數據的矢量成果及濾波修正，不僅控制了航測技術下的GIS數據精度，也保留了數據的真實有效性，減少了傳統寒區高速路線規劃設計數據的誤差，有利于提升公路選線的設計質量。

2）在土石方統計中，利用BIM技術建立深挖路基與短隧道方案，結合GIS技術進行空間分析快速得到深挖路基方案挖方量為3 356. 533 m，與隧道方案相比預計降低約0. 9億元建設成本，同時可直觀全面地對比不同方案地質條件等信息，能夠有效提升選線設計的效率與質量。

3）利用GIS與BIM集成模型對涉水工程進行洪水模擬，針對2組交叉角度相差25°的橋梁模型方案進行模擬對比分析，其橋梁上游壅水高度平均差值為0. 506 m，與傳統水槽實驗紊動能差值范圍0. 001～0. 011 m/s的分析結論一致，故模擬結果提供的洪水水位、淹沒范圍和壅水高度等數據能夠作為設計參考，以降低決策風險，提高選線設計的安全性和科學性。

4）借助BIM技術對復雜交叉路段進行交通模擬，交通模擬分析報表明確得到了各類車輛在行經路段的平均行車速度與設計速度的差值范圍為-10～2 km/h，反映出該段路線的預設交通量趨于飽和狀態，依據地區交通運輸行業的發展需求應提高道路建設指標，這為此類場景下交通設計提供了更精確的數據參考，利于改進路線規劃設計中交通數據的處理效率。

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