基于BIM技術(shù)的三維虛擬道路綠化樹木稀疏度對(duì)駕駛員視覺疲勞的影響

齊源達(dá)，郭根勝，劉博淵，王作豪

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 能源與交通工程學(xué)院；2.內(nèi)蒙古博睿億鑫科技有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

近年來(lái)，隨著BIM技術(shù)的發(fā)展和推廣，在建筑行業(yè)的應(yīng)用已日漸成熟，能夠貫穿于“建管養(yǎng)運(yùn)”一體化全生命周期過(guò)程[1～4]。公路工程涉及的工程范圍廣、相關(guān)專業(yè)多，同時(shí)，又是長(zhǎng)線條帶狀構(gòu)造物，與點(diǎn)狀建筑構(gòu)筑物特性有很大的區(qū)別，因此，BIM技術(shù)在公路工程上的應(yīng)用還在發(fā)展摸索過(guò)程中[5]。交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院伍朝輝等人對(duì)道路設(shè)施養(yǎng)護(hù)的業(yè)務(wù)特征和應(yīng)用需求進(jìn)行了分析，探討了BIM在道路設(shè)施養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用目標(biāo)與內(nèi)容，并提出了BIM應(yīng)用創(chuàng)新的重點(diǎn)方向[6]。中建七局的王鵬威等人針對(duì)公路改建工程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，提出了采用BIM技術(shù)輔助施工措施，從場(chǎng)地優(yōu)化、危險(xiǎn)工程的可視化解析、碰撞檢索深化優(yōu)化等方面開展了BIM技術(shù)應(yīng)用，一定程度上保證了工程的順利施工，提高了施工質(zhì)量，降低了施工成本[7]。石澤桂、孟煒、徐占杰、從俊林、王碧軍、羅瑤等人從隧道工程、鐵路工程、交通工程、高速公路、橋梁鋼圍堰、公路勘測(cè)等方面對(duì)BIM技術(shù)在具體工程案例中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述[8～13]。

視覺適應(yīng)是由于刺激物的持續(xù)感化所引起的感覺轉(zhuǎn)變。明適應(yīng)就是當(dāng)眼睛突然從弱光狀態(tài)下轉(zhuǎn)到強(qiáng)光狀態(tài)下時(shí)，眼球中的感受性會(huì)降低，而在強(qiáng)光中停留一段時(shí)間后，眼球中的感受性會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸提高。同理，暗適應(yīng)為眼睛突然從光線較明處轉(zhuǎn)移到暗處的適應(yīng)過(guò)程。由于明暗適應(yīng)是一個(gè)適應(yīng)過(guò)程，所以頻繁的明暗環(huán)境的轉(zhuǎn)變會(huì)增加眼睛的負(fù)荷，易造成視覺疲勞的出現(xiàn)[14]。筆者從駕駛員視覺角度出發(fā)，運(yùn)用BIM技術(shù)及3DS MAX軟件建立三維道路模型，探討車輛在高速行車過(guò)程中，道路兩側(cè)樹木稀疏度對(duì)駕駛員視覺疲勞的影響。

1 三維道路模型的建立

1.1 運(yùn)用3DS MAX建立三維道路

3DS MAX軟件具有可以運(yùn)行多種腳本文件的特點(diǎn)，如圖1所示，可以在其基礎(chǔ)功能上應(yīng)用插入腳本文件roadland制作完成。在制作工程中以道路三維圖為模型，插入上雙黃線等基本的交通道路線條。

圖1 道路綠化三維模型

1.2 建立車輛因素模型

研究的車型選擇為道路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)車型小客車，應(yīng)用BIM技術(shù)和3DS MAX軟件建立的車輛三維模型如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)車型(小汽車)模型

1.3 三維模型建立

把車輛模型和道路模型進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)建車、路一體的三維運(yùn)行模型，在三維環(huán)境下可以體現(xiàn)道路本身的設(shè)計(jì)要素，還可以更加形象地展現(xiàn)出道路附屬構(gòu)造物各要素指標(biāo)，有助于較清晰、較容易地獲取實(shí)驗(yàn)的參數(shù)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)以上加工成如圖3所示。

圖3 三維道路模型平面

2 運(yùn)用BIM技術(shù)分析

2.1 運(yùn)用Revit建模

選擇道路綠化樹種，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)所需的不同樹木稀疏度，運(yùn)用Revit建模，建立道路元素模型，如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 汽車三維模型

圖5 白楊樹三維模型

圖6 皮卡車三維模型

筆者選取以上模型為基本建模模型，選擇白楊樹綠化樹種，做了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，后期再結(jié)合不同綠化樹種(道路景觀)進(jìn)行大量的研究。

2.2 不同樹木稀疏度不同時(shí)間段的日照?qǐng)D

2.2.1 較低稀疏度。樹木較稀疏時(shí)，秋分時(shí)節(jié)呼和浩特市北京時(shí)間9時(shí)、12時(shí)和16時(shí)日照?qǐng)D如圖7、圖8、圖9。

圖7 9時(shí)日照

圖8 12時(shí)日照

圖9 16時(shí)日照

2.2.2 中等稀疏度。樹木中等稀疏度時(shí)，秋分時(shí)節(jié)呼和浩特市北京時(shí)間9時(shí)、12時(shí)和16時(shí)日照?qǐng)D如圖10、圖11、圖12。

圖10 9時(shí)日照

圖11 12時(shí)日照

圖12 16時(shí)日照

2.2.3 較高稀疏度。樹木較高稀疏度時(shí)，秋分時(shí)節(jié)呼和浩特市北京時(shí)間9時(shí)、12時(shí)和16時(shí)日照?qǐng)D如圖13、圖14、圖15。

圖13 9時(shí)日照

圖14 12時(shí)日照

圖15 16時(shí)日照

3 結(jié)論分析

本研究選取樹木的陰影比例、道路的光線照射情況、明暗適應(yīng)轉(zhuǎn)變頻率、視覺環(huán)境是否單一等為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

由表1可知，當(dāng)?shù)缆穬蓚?cè)樹木較稀疏時(shí)，不管在9時(shí)、12時(shí)還是16時(shí)樹木在太陽(yáng)光的照射下倒映在道路上的樹蔭都不連貫，且無(wú)陰影處與有陰影處的面積呈3∶7比例。當(dāng)駕駛員駕駛小汽車高速通過(guò)時(shí)，會(huì)經(jīng)過(guò)連續(xù)的敏感適應(yīng)階段。當(dāng)眼睛連續(xù)經(jīng)過(guò)許多次明暗適應(yīng)轉(zhuǎn)變，會(huì)增加眼部運(yùn)作壓力，易造成視覺疲勞。

表1 道路兩側(cè)樹木較稀疏指標(biāo)

由表2可知，當(dāng)?shù)缆穬蓚?cè)樹木稀疏度為中等時(shí)，在9時(shí)及16時(shí)兩個(gè)時(shí)刻樹木在太陽(yáng)光的照射下倒映在道路上的樹蔭基本連貫在一起，12點(diǎn)時(shí)刻無(wú)陰影處面積與有陰影處面積比例約為4∶6。當(dāng)駕駛員駕駛小汽車高速通過(guò)時(shí)，不會(huì)經(jīng)過(guò)過(guò)多的敏感適應(yīng)轉(zhuǎn)變，且由于樹木稀疏度為中等，太陽(yáng)光線小部分照射在路面上，公路的照明條件亦為良好，不易引起駕駛員視覺疲勞。

表2 道路兩側(cè)樹木中等稀疏指標(biāo)

由表3可知，當(dāng)?shù)缆穬蓚?cè)樹木較為稠密時(shí)，不管是在9時(shí)、12時(shí)還是16時(shí)樹木在太陽(yáng)光的照射下倒映在道路面上的樹蔭連貫，道路會(huì)被樹蔭所遮蓋。當(dāng)駕駛員駕駛小汽車高速駛過(guò)時(shí)，不會(huì)發(fā)生過(guò)多的明暗適應(yīng)轉(zhuǎn)變。但由于兩側(cè)樹木過(guò)于稠密，使駕駛員的視線內(nèi)的景物過(guò)于單一，且光線在樹冠的遮擋下不易射入，造成關(guān)照情況不良，人的視覺在過(guò)于單一的情況下更易發(fā)生視覺疲勞。

表3 道路兩側(cè)樹木較稠密指標(biāo)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著BIM技術(shù)在交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，道路交通運(yùn)輸業(yè)數(shù)字信息化技術(shù)手段充當(dāng)著越來(lái)越重要的角色。筆者從駕駛員角度出發(fā)，運(yùn)用BIM技術(shù)及3DS MAX軟件建立了三維道路模型，將不同綠化樹木稀疏度的公路以圖形的形式展現(xiàn)出來(lái)，并通過(guò)BIM軟件把不同道路在一天不同時(shí)間段的日照所投射出來(lái)的樹蔭進(jìn)行了分析，探討了車輛在高速行車過(guò)程中，道路兩側(cè)樹木稀疏度對(duì)駕駛員視覺疲勞的影響，為后續(xù)行車安全方面研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。