基于GIS与BIM的轨道交通和综合管廊同期规划系统设计

张 琼

(青海建筑职业技术学院建筑系，青海 西宁 810012)

2017年5月，住房和城乡建设部、国家发展和改革委员会联合印发《全国城市市政基础设施建设“十三五”规划》(以下简称《规划》)[1]。作为首个国家级、综合性的市政基础设施规划，《规划》明确了“十三五”时期的12项任务，其中排在第1至第3位的分别为加强道路交通系统建设，提高交通综合承载能力；推进城市轨道交通建设，促进居民出行高效便捷；有序开展综合管廊建设，解决“马路拉链”问题。由此可见，交通与管廊建设已经成为我国城市市政基础设施建设的重中之重。《规划》集成了市政基础设施的各个专业系统，强调各专业系统之间的协调，以求系统地解决城市发展中存在的交通拥堵、“马路拉链”、“城市看海”等问题，并提出在交通流量较大、地下管线密集的城市道路、轨道交通等地段优先建设地下综合管廊。因此，有必要对轨道交通和综合管廊同期规划进行研究探讨。

就研究现状而言，尚没有一个完整的系统可以实现轨道交通和综合管廊的同期规划，将二者分开规划建设仍为主导模式，缺乏对地理信息系统(GIS)以及三维设计(BIM)技术的有效利用，导致资金花费大、占用资源多、施工难度大等诸多问题。

基于此，本文从需求论证出发，通过对关键技术的研究，设计了一种轨道交通和综合管廊同期规划系统，旨在实现二者的协同发展，为智能化的城市设计提供技术支持。

1 轨道交通和综合管廊同期规划系统设计需求论证

轨道交通和综合管廊同属城市基础设施规划与建设的范畴，一般都位于或者远期规划为开发程度高、交通压力大、人口数量多的地区，是城市发展的核心或重点区域。将轨道交通和综合管廊进行同期规划与建设，有利于城市空间的合理布局、优化配置和有效利用，实现城市空间的综合利用开发与集中运营管理，节约城市用地和开发成本，使社会、经济与生态效益和谐统一[2]。

轨道交通和综合管廊在建设区域上通常会有重合，两者同期规划与建设在经济性、安全性、可行性等方面的优势明显，真正实现了“1+1>2”。如广州地铁11号线建设时在其沿线同时建设综合管廊，经测算，比单独建设综合管廊的成本降低了7.07亿元，且建设质量可靠，风险可控[3]。如果两者不能同期建设，那么在已建成某工程的地区，再次开发建设另一项工程，不仅开发成本增加，建设难度和风险也会明显增加[4-5]。

传统的轨道交通规划模式无法与通用GIS对接，容易造成部分关键信息的缺失，可能会导致轨道交通规划独成一体，无法和城市其他交通规划相关联和有机结合；对于管廊规划来讲，目前的规划方法多依靠管廊平剖面图，完全由设计人员依靠想象绘制，很难解决综合管廊中常见的多层交叉、管线穿插等问题，效果不直观，且容易出现差错，给施工过程造成困扰。

2 轨道交通和综合管廊同期规划系统关键技术分析

2.1 基于GIS的规划技术

GIS是处理交通网络空间数据和属性数据的有效工具[6]。通过GIS来处理交通规划中大量的空间信息，可以更加方便有效地实现规划的功能，提高规划工作的效率，简化业务流程。根据前面的需求分析可以发现，采用GIS技术，恰好可以满足轨道交通与综合管廊同期规划的需求，最重要的一点就是可实现GIS数据向拓扑数据的转化，如图1所示。

图1 同期规划系统GIS拓扑结构

根据GIS拓扑结构可以计算GIS的段信息。拓扑数据转化过程需要把涉及到的GIS点加入到拓扑NODES中，并分为AB和BA正反两个走向，GIS的数据类型定义见表1。

表1 GIS的数据类型定义

2.2 基于BIM的三维设计技术

BIM技术是当前工程设计与规划的新兴技术，可以将管廊与轨道交通综合，通过可逆的模拟施工完整呈现出来，尤其是对交叉连接和分层连接部分，能够直观反映出可能出现的问题，并根据需要提取局部断面信息，以便进一步修改、完善规划设计方案[7]。

依据同期规划的需求，可以采用ArchiCAD软件进行三维设计。该软件更能符合设计人员的操作习惯，能够根据在二维设计中积累的经验迅速建立三维建筑模型，并生成对应的平立坡面图。

管廊的建模分两步进行：首先是进行结构元素建模，主要使用墙梁板柱工具，局部异型区域使用复杂截面或壳体、变形体来完成建模，建模时要注意区分图层与材质；然后使用ArchiCAD自带的水暖电插件进行管道建模，通过预设不同颜色，在布设过程中设置管道直径、标高信息，画出不同样式的连续管段、弯头以及异径管。

3 轨道交通和综合管廊同期规划系统设计

3.1 基本架构

根据前面的需求分析以及关键技术研究，可以明确轨道交通和综合管廊同期规划系统是基于GIS和BIM技术，利用影响因子量化各基本要素，并关联管理机制和协同方案，最后输出轨道交通和综合管廊的同期规划方案。基于此，系统的基本架构如图2所示。

图2 轨道交通和综合管廊同期规划系统架构

由图2可知，轨道交通和综合管廊同期规划系统主要由4大模块组成，分别为基本要素信息模块、影响因子分析与综合模块、关键技术处理模块以及规划方案输出模块。

1)基本要素信息模块。确定影响轨道交通和综合管廊同期规划的基本要素，收集相关要素信息，整理并存储。

2)影响因子分析与综合模块。建立各要素的影响因子模型，根据输入的各个要素信息，计算所对应的影响因子数值，确定影响权重。

3)关键技术处理模块。主要功能是将GIS与BIM相结合，根据影响权重将要素信息进行GIS拓扑数据转化，并以此为基础，利用ArchiCAD建立轨道交通和综合管廊项目的三维模型，并关联相应的管理机制和协同方案。

4)规划方案输出模块。该模块是整个系统的人机交互模块，输出最终的轨道交通与综合管廊同期规划的合理方案，并邀请相应专家和学者进行评审。

3.2 影响因子建模

根据系统的基本架构可知，需要量化的关键要素主要包括地域、交通形式、人口数量、线网情况以及建设工法等。

1)地域。地域因素是影响轨道交通和综合管廊可否同期规划的第一要素，通常包括地理位置、地面建筑物、地质条件等内容。地域要素影响因子为：

(1)

2)交通。轨道交通所采用的主要形式通常为地面有轨电车、地铁等，而综合管廊则需要考虑轨道沿线的电力、水、天然气以及其他管道设施的现状，在同期规划时需要对轨道交通、综合管廊及其他交通方式进行统筹。交通要素影响因子为：

(2)

式中：G为轨道交通出行总数；TG为城市交通出行总数；D为轨道沿线电力负荷；TD为城市电力总负荷；T为轨道沿线天然气负荷；TT为城市天然气总负荷；S为轨道沿线用水负荷；TS为城市用水总负荷。

3)人口。人口总数反映了人口规模，直接关系到对轨道交通和综合管廊的需求。人口要素影响因子为：

(3)

式中：λ为规划区域人口密度；GDP0/GDP为规划区域内人均GDP0与城市人均GDP的比值。

4)线网。轨道交通所需要的电力、水、气等管线，可直接敷设在沿线的综合管廊中，尽量在规划时一并解决，避免后续管线改迁。线网要素的影响因子为：

ε4=δPμ1Qμ2Rμ3

(4)

式中：P为城市规模；Q为交通规模；R为人口规模；δ,μ1,μ2,μ3均为参数。

5)建设工法。常用的地下轨道交通和综合管廊的建设工法是基本一致的，在进行工法选择时需要考虑的因素也相近。主要的建设工法有明挖法、盖挖法、浅埋暗挖法和盾构法4种[8-10]。根据这4种工法的技术难度、建设周期、费用成本，该要素的影响因子为：

(5)

3.3 管理机制与协同方案设计

1)管理机制。

管理机制是整个同期规划系统的关键组成部分，管理模式是否科学合理直接影响到后续施工建设的质量和效率[11]。管理机制涉及多部门协调，如图3所示，其中实线箭头表示强联系，虚线箭头表示弱联系，无箭头相连的圆圈之间表示无直接联系。

图3 轨道交通和综合管廊同期规划与建设管理图示

由图3可知，同期规划系统中明确了各部门的具体职能权限，便于建立起顺畅的沟通渠道。例如，当设计单位存在问题需要解决时，可第一时间与其强联系的部门即总承包单位进行沟通协调；而设计与施工或监理单位之间，仅在总承包单位牵头或者授意时才进行直接联系。

2)协同方案。

协同方案设计是同期规划系统的一个重要组成部分。在综合管廊的规划线路上，可能会分布有多种形式的轨道交通，也就有多种形式的协同方案。必须要确保在总的规划框架下，不出现轨道交通和综合管廊建设方案的冲突与矛盾，充分而合理地利用好地下立体空间[12]。选择合适的轨道交通和综合管廊线路与站点位置是规划阶段的重中之重。以地铁交通和综合管廊的协同为例，其协同方案包括：

①综合管廊与地铁区间。

地铁盾构区间隧道的埋深较大时，综合管廊可位于该区间隧道上部；地铁明挖区间隧道的埋深较小时，与管廊的埋深接近，两者可左右分布，在条件适宜时，可共用结构构件。地铁某区间隧道内部的富余空间也可敷设部分缆线，从而兼具部分管廊的功能。

②综合管廊与地铁车站。

车站埋深较大时，管廊可位于车站上方，并控制合理间距，而在车站埋深适宜的前提下，可考虑管廊与车站共用结构构件，即综合管廊位于地下一层，地下二层及以下为地铁车站；车站埋深较小、管廊与车站的竖向标高有交叉时，可将管廊设置于地铁车站的两侧，并充分结合车站两侧的出入口、风道等附属设施，与之共用墙、板等结构构件。

4 结束语

针对当前轨道交通和综合管廊分开规划建设所存在的资金花费大、占用资源多、实施难度大的问题，本文提出了一种基于GIS与BIM的轨道交通和综合管廊同期规划系统设计方法，从基本范畴、经济效益、软件应用层面对轨道交通和综合管廊同期规划的必要性和可行性进行了分析，明确了设计同期规划系统的迫切需求；研究了轨道交通和综合管廊同期规划系统的关键技术，实现了对GIS信息和BIM三维设计的综合利用；提出了轨道交通和综合管廊同期规划系统的设计方案，建立了系统基本框架，建立了各要素影响因子计算模型，给出了管理机制和协同方案，为下一步系统的开发和实际应用提供了技术支撑。