UC win/road在隧道綠化景觀設計中的應用*

□ 陳孟柯,馬健霄,王羽塵,劉宇航,汪 亮

(1.南京林業(yè)大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037；2.江蘇寧常鎮(zhèn)溧高速公路有限公司，江蘇 常州 213018)

隧道外側綠化景觀不僅具有美化隧道環(huán)境的作用，同時能夠有效引導駕駛人的視線，不同的景觀色彩及形式和交通安全聯(lián)系密切。現(xiàn)階段，隧道段的綠化景觀設計方案大多數(shù)停留在設計圖紙階段，設計方案往往側重藝術效果，缺乏對實際效果的檢驗。對于綠化景觀設計的研究，化希耀提出了利用UDK引擎與SpeedTree相結合對園林景觀優(yōu)化設計[1]，何鵬等人利用CINEMA 4D對園林效果設計進行了探索。綠化效果評估方面[2]，Li X、Weng H等人利用AHP法對城市道路綠化的美學質(zhì)量進行了綜合評價，并得到景觀顏色搭配是最重要的影響因素[3]?；诖?，本文提出了利用UC win/road對隧道入口段路側綠化設計方案建模仿真，探究綠化方案的實際效果，進行方案設計反饋。

1 隧道入口段路側綠化設計理論

高速公路隧道入口段綠化能夠美化道路環(huán)境、保持隧道邊坡水土，同時良好的隧道入口段綠化景觀能夠有效提高隧道視認性。

1.1 隧道入口段路側綠化設計理念

高速公路隧道所處地形往往比較復雜、設計速度較快，需要隧道入口段路側綠化方案既能夠提醒駕駛人注意前方隧道又不能長時間吸引駕駛人的視線。因此，高速公路隧道入口段路側綠化設計方案需要在景觀性與視認性兩方面進行均衡，基于此對隧道入口段路側綠化景觀設計提出以下理念：

①安全角度：隧道入口段路側綠化能夠?qū)M入隧道的駕駛人視線進行引導，同時入口段路側綠化能夠在低能見度天氣下對駕駛人起到提示作用。一旦車輛沖出路外，隧道入口段路側綠化能夠?qū)囕v起緩沖作用，增加行車的安全性。

②景觀角度：隧道入口段路側綠化應具有季節(jié)性變換，單調(diào)的隧道入口段路側綠化景觀在不同的季節(jié)中與隧道周邊植被的區(qū)別并不明顯。隧道入口段路側綠化景觀輪廓應根據(jù)隧道段地形進行設計，確保景觀方案的工程可行性。

③養(yǎng)護角度：高速公路隧道獨特的結構及位置會增加隧道入口段路側景觀養(yǎng)護的難度，因此選取隧道入口段路側綠化植物時應以不落葉植物為主、植物生長周期不宜太短，避免頻繁修剪。選取綠化植物時應因地制宜[4]，盡量以當?shù)刂参餅橹鳌?/p>

1.2 隧道入口段路側綠化方案設計原則

1.2.1 植物選擇

隧道入口段獨特的地形對隧道入口段路側綠化選擇有著獨特的要求，隧道入口段路側綠化高度過高時會阻擋駕駛人視線，因此隧道入口段不能選擇高大喬木。隧道入口段路側綠化植物應以灌木為主，同時灌木應具有良好的環(huán)境適應性，能夠在多種環(huán)境中可以正常生長。隧道入口段路側植物不宜選擇落葉植物，植物落葉會導致隧道路側景觀季節(jié)性變化較大影響隧道入口段視認性。植物落葉一旦落入行車道內(nèi)，一方面會給車輛行駛造成安全風險，另一方面會增加養(yǎng)護的難度。

1.2.2 景觀顏色設計

高速公路路側不同景觀會給駕駛人帶來不同的感受，良好的隧道入口段路側景觀顏色搭配會舒緩駕駛人的情緒，降低駕駛員的疲勞有助于提高行車安全性。隧道入口段路側綠化植物應選取顏色明亮的植物搭配種植，植物顏色可選擇紅色、橙色及黃色等。隧道入口段路側景觀顏色設計要考慮綠化植物顏色與隧道邊坡現(xiàn)有植被顏色之間的對比，充分發(fā)揮景觀顏色的作用。

1.2.3 路側綠化標準段設計

隧道入口段路側綠化進行設計時，考慮到景觀的舒適度及行車安全，需要對綠化進行分區(qū)標準段設計。景觀標準段設計是基于駕駛人對景觀的敏感度及觀賞視角的共同作用下，針對綠化方案提出的標準化設計理念。標準段的設計要同時考慮人的視覺特性與高速公路設計速度，基于兩者的共同作用確定隧道入口段路側綠化標準段的長度。

表1 公路景觀敏感尺度表

張明浩[5]對高速公路不同速度下的景觀敏感尺度，見表1。

標準帶的設計應突出大視覺景觀綠化，依靠多種植物的不同顏色，不同植株高度和形態(tài)特征等形成不同的植物組團，再通過植物方案搭配，將植物組團組合到標準段中，完成標準段的方案設計。

2 UC win/road對隧道綠化景觀的塑造方法

2.1 地形的塑造

地形是隧道建模不可缺少的部分，各種軟件進行隧道建模的基礎均為構建地形。UC win/road創(chuàng)建地形范圍、標高及三角網(wǎng)大小，進行地形塑造。該方法可以靈活地調(diào)整地形曲面，塑造空間尺度較小的地形時優(yōu)勢明顯。此外，對于空間尺度較大的地形進行塑造時，可導入其他軟件創(chuàng)建的地形文件進行調(diào)整，還原真實的地形。

2.2 天氣環(huán)境的塑造

氣候是建模中的重要因素，不同的環(huán)境對于景觀效果影響程度不同。建模時需要對模型內(nèi)的天氣環(huán)境進行塑造。利用UC win/road中的天氣選項調(diào)節(jié)具體參數(shù)針對天空顏色、云朵、雨、雪、霧霾等天氣環(huán)境進行塑造，有助于全面構建模型。

2.3 植物的塑造

植物作為綠化景觀設計的重點，無論是在設計時還是在建模仿真時都需要被重點關注。UC win/road中的植物素材庫包含了大量的植物素材，滿足基礎建模的需要，對于部分綠化方案中需要的特色植物，UC win/road可以通過導入外部樹種模型的方法對植物進行塑造。按照設計方案中的植物冠幅、胸徑、株距等參數(shù)進行調(diào)整，通過對植物的具體參數(shù)進行調(diào)整，能夠高精度的模擬綠化方案施工后的景觀效果。

2.4 UC win/road與其他軟件的數(shù)據(jù)轉換

綠化景觀的設計是一項復雜的工作，需要利用多種軟件進行設計。這意味著綠化景觀建模過程中需要對多種軟件進行協(xié)同工作，UC win/road內(nèi)置多種軟件接口，能夠滿足多種軟件與UC win/road之間的數(shù)據(jù)轉換，為建模過程提供方便。例如，UC win/road可通過3DS文件的格式與3Dmax進行數(shù)據(jù)轉換，與Civil 3D進行數(shù)據(jù)轉換時可通過Civil 3D插件進行數(shù)據(jù)的調(diào)用及導出，UC win/road的軟件插口保證了建模過程的高效性和模型的真實性。

3 基于UC win/road的隧道綠化仿真分析

3.1 茅山隧道入口段路側綠化設計方案

本文以常合高速茅山隧道為例，根據(jù)上述理論對茅山隧道入口段路側綠化景觀進行設計。茅山隧道入口段限速80km/h，依據(jù)路側綠化標準段設計原則，將茅山隧道入口段路側綠化標準段長度設為35m，滿足車速80km/h條件下的駕駛人視覺特性要求結合茅山隧道入口段的特殊地形，隧道入口處的邊坡不宜種植喬木及落葉植物，因此選取灌木類植物作為標準段植物。結合相關高速公路綠化方案，本研究提出了茅山隧道入口段路側綠化標準帶設計方案，具體方案見圖1。

圖1 標準段設計方案

該方案根據(jù)植物的特殊顏色、形狀，對駕駛人起到警示作用，例如金森女貞、紅葉石楠、鹿角柏、海桐、紅端木[6]等，同時依靠條帶狀綠化與叢植綠化呈團塊狀融合種植，組成35m長的波浪狀曲線型標準帶。

該方案能夠通過植被鮮明的外觀形狀與色彩、植株的規(guī)則布局來引導駕駛員的視線，植物選取見表2。

表2 標準帶植物

3.2 茅山隧道入口段路側綠化方案仿真

3.2.1 地形和隧道編輯

茅山隧道獨特的地形無法直接通過UC win/road的地形編輯功能完成地形的還原。為解決這個問題，通過UC win/road的數(shù)據(jù)轉換功能導入Civil 3D編輯的茅山隧道三維數(shù)字地形曲面到模型中，并調(diào)整地形曲面表面貼圖完成對茅山隧道所處地形的還原。Civil 3D編輯的地形曲面最小高程27.0m，最大高程306.1m，三維曲面面積約9820.6萬m2。UC win/road導入茅山隧道地形曲面時，首先創(chuàng)建27m標高，20km×20km范圍的項目，并根據(jù)基準點X:420000，Y:505000同步CAD圖紙。該方法能夠保證UC win/road創(chuàng)建的項目能夠完全容納地形文件。Civil 3D與UC win/road在模型的構建過程中通過數(shù)據(jù)轉換功能對地形及隧道線型進行編輯，如圖2所示。

(a) Civil 3D創(chuàng)建的茅山隧道地形曲面

(b) UC win/road中的茅山隧道地形圖2 茅山隧道地形

通過在UC win/road中對隧道斷面進行編輯，能夠最大程度上還原隧道的實際情況。隧道建模較一般道路建模具有更大的挑戰(zhàn)性，茅山隧道入口段斷面形式復雜，隧道內(nèi)無緊急停車帶，隧道洞口挖方路基橫斷面與隧道橫斷面存在斷面差，見表3。

表3 橫斷面參數(shù)

隧道入口段建模時，為解決隧道入口段存在斷面差的問題，本文采用創(chuàng)建自定義道路斷面，根據(jù)道路中線的位置定義行車道及道路其他部分，并按照隧道斷面變化點調(diào)整隧道斷面的方法完成隧道入口段模型的精確塑造。

3.2.2 隧道附屬設施的配置

茅山隧道復雜的道路基礎設施對隧道建模提出了較高的要求，UC win/road素材庫中的基礎模型難以滿足高精度建模的要求，在建模過程中利用3Dmax對模型進行編輯并將模型導入UC win/road，依據(jù)實際情況設置模型材質(zhì)及光源的方法塑造隧道附屬設施真實效果。以門架式交通標志為例，在3Dmax中完成門架及交通標志面板的編輯并將其導入UC win/road中，通過UC win/road的模型編輯功能對門架的材質(zhì)、交通標志版面進行細致調(diào)整。門架和交通標志采用實際材質(zhì)的圖片以35%的光滑度進行貼圖處理，并結合標志的大小設置貼圖大小。

根據(jù)交通標志反光的特性，在UC win/road中設置標志的照明效果。開啟標志的夜間照明效果及車輛的遠光燈模式，設置車輛遠光燈最大照度400lx，光衰減常數(shù)100，標志面板反射量2.0。通過以上參數(shù)的設置，夜間車輛遠光燈照射交通標志的反光效果與實際情況相差甚微，如圖3所示。

(a)門架式交通標志效果

(b)夜間門架式交通標志效果圖3 隧道附屬模型編輯

3.2.3 路側綠化景觀的塑造

隧道入口段路側綠化景觀的塑造是建模仿真的核心，對于隧道入口段路側綠化景觀的塑造，根據(jù)茅山隧道入口段路側綠化設計方案構建隧道入口段路側綠化模型。建模過程中，根據(jù)綠化方案在UC win/road中選取相應的二維樹木在隧道入口段進行配置，保證路側綠化景觀的塑造效果能夠真實貼近綠化方案施工后實際效果。

3.3 茅山隧道入口段路側綠化方案分析

本文按照隧道入口段路側綠化設計原則對茅山隧道入口段路側綠化進行設計，利用UC win/road對隧道入口段路側綠化方案建模，并進行仿真實驗分析入口段路側綠化方案效果。

(a)隧道入口段設計前景觀

(b)隧道入口段設計后景觀圖4 隧道入口段綠化景觀對比

選取設計前后的茅山隧道入口段三維模型進行仿真，如圖4所示，使用Tobii Glass2眼動儀、無線生理模塊及模擬駕駛儀采集10名實驗對象的注視比例及駕駛過程中的心率進行整理分析，如圖5、6所示。

圖5 實驗對象注視比例

采用設計前隧道入口段模型開展模擬駕駛仿真時，駕駛人的注視比例曲線呈波浪線形狀變化。注視比例曲線集中在63%～64%，該趨勢表明駕駛人駕駛過程中對隧道入口段路側環(huán)境關注程度較高。采用設計后隧道入口段模型進行模擬駕駛仿真時，駕駛人的注視比例曲線同樣呈波浪線形狀變化，注視比例集中在74%～76%，較設計前方案提高約12%。

駕駛過程中的心率變化能夠明顯表征綠化對駕駛人心理的影響[7-8]，利用Origin對駕駛人模擬駕駛仿真過程中的心率分布統(tǒng)計顯示，駕駛人的心率主要集中在80bpm上下，屬于正常水平，如圖6-(a)所示。對比設計前后駕駛人模擬駕駛仿真過程的平均心率(AVHR)發(fā)現(xiàn)，駕駛人采用方案設計后模型開展模擬駕駛仿真時，平均心率較方案設計前有所降低，最大幅度18.60%，最小幅度6.49%，如圖6-(b)所示。

(a)駕駛人心率分布

(b)駕駛人平均心率圖6 實驗對象心率

仿真結果顯示，茅山隧道入口段路側綠化方案能夠有效提高駕駛人的注視比例并舒緩駕駛人的情緒。隧道入口段路側景觀的藝術效果在隧道路側綠化設計后有較大提升，通過模擬隧道入口段路側綠化設計方案，對駕駛人的視線引導效果明顯。

4 結束語

從交通安全的角度實現(xiàn)了UC win/road在隧道綠化景觀設計中的應用，根據(jù)交通安全的要求提出了隧道入口段路側綠化景觀的設計理念。以茅山隧道為設計對象，進行了隧道入口段綠化景觀方案設計并利用UC win/road對茅山隧道入口段路側綠化方案進行建模仿真分析。通過實例，驗證了UC win/road能夠直觀的評價景觀設計方案的實施效果，分析結果能夠直接反饋用于景觀設計過程。