基于BIM 模型的綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價研究

石振武 呂坤城

（東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

當(dāng)前，我國正處于工業(yè)化與城市化不斷快速發(fā)展的過程中，并且據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)來看，在未來的20 年里我國的GDP 會有飛速猛增態(tài)勢，但是也仍然會面臨資源短缺已經(jīng)能源不足等一系列問題。面對如此壓力，我國政府已確立了以節(jié)能和提高能源和資源利用率為核心的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。在各個建筑領(lǐng)域，推進建筑節(jié)能，發(fā)展綠色建筑，是實施我國能源資源發(fā)展戰(zhàn)略的重要手段。中國與發(fā)達國家相比,人均占有的能源量遠低于世界平均水平, 單位面積能耗和人均能源消費的總量是發(fā)達國家的3倍，能源消費總量已居世界第二，而且33%的資源利用效率僅相當(dāng)于發(fā)達國家水平的50～60%，比發(fā)達國家落后20 多年[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計, 建筑能耗已占社會總能耗的30%。在中國現(xiàn)階段,建筑行業(yè)是一個高能源消耗、高物質(zhì)消費和高污染行業(yè),影響中國城市的可持續(xù)發(fā)展,并進一步影響經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。建筑節(jié)能迫在眉睫，應(yīng)擺在社會發(fā)展的重要位置。

“美麗中國”概念在黨的十八屆五中全會上首次被納入五年計劃，并且交通運輸部辦公廳于2016 年7 月發(fā)布了《關(guān)于實施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》，著重強調(diào)了綠色公路建設(shè)在我國的必要性，在指導(dǎo)意見中國家更是強調(diào)“深化BIM 技術(shù)在公路、水運領(lǐng)域應(yīng)用”?！笆奈濉币?guī)劃更是在九個重要要點中強調(diào)了“堅持生態(tài)優(yōu)先，持續(xù)推進綠色發(fā)展”。綠色公路建設(shè)的提出同時也是為了解決我國目前面臨的建設(shè)環(huán)境問題，以往公路建設(shè)導(dǎo)致的各類問題都會導(dǎo)致周遭生態(tài)破壞，傳統(tǒng)施工方式的沿用是生態(tài)破壞問題形成的主要原因，生態(tài)破壞問題的出現(xiàn)也會嚴(yán)重影響到人們正常的生產(chǎn)生活和身體健康[3]。

綠色公路建設(shè)是世界公路建筑業(yè)由黑色產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向綠色可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)的重要途徑。通過對研究綠色公路建設(shè)理論和技術(shù)的研究與實施，推動綠色公路在中國的發(fā)展，促進中國公路業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。本文參照綠色公路設(shè)計相關(guān)規(guī)范要求，提出利用計算機技術(shù)建立BIM公路建筑信息模型，對公路建筑空間幾何信息、公路建筑空間功能信息、公路建筑材料以及設(shè)備等各專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行數(shù)據(jù)集成與一體化管理，為綠色公路設(shè)計相關(guān)計算與評估提供必要的分析依據(jù); 利用三維數(shù)據(jù)信息可視化技術(shù)，在規(guī)劃方案分析與優(yōu)化、節(jié)能數(shù)據(jù)分析、綠化環(huán)境、聲環(huán)境、雨水采集與利用等方面建立多角度的生態(tài)技術(shù)指標(biāo)評估與輔助決策機制，實現(xiàn)合理利用土地、材料等有限資源，降低能源消耗，解決公路對城市與自然環(huán)境及氣候的影響，降低聲、光、風(fēng)等各類污染，同時通過對生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的分析與評估，提出降低能耗與合理有效利用自然能源的解決方案[4]。

近年來我國公路建設(shè)發(fā)展迅速，給公路周邊帶來文化進步和經(jīng)濟發(fā)展的同時，卻由于方案決策公路建設(shè)不穩(wěn)定因素等原因，對周遭生態(tài)造成比較大的破壞。[5-6]生態(tài)重建(ecological restoration) 是自20 世紀(jì)80 年代以來生態(tài)學(xué)領(lǐng)域最活躍的關(guān)鍵行動之一，目前，由于國際社會和學(xué)界對地球生態(tài)與環(huán)境退化和健康的關(guān)注, 使生態(tài)重建受到極大的重視[7]。研究表明，公路項目在施工和運營過程中因大量能耗和污染物排放帶來了嚴(yán)重的生態(tài)負效應(yīng)，交通建設(shè)引起的生態(tài)破壞已成為生態(tài)環(huán)境不斷惡化的主要原因之一[8]。

綠色公路作為國家重點推動項目，其建設(shè)全生命周期都需要嚴(yán)格遵守綠色建設(shè)宗旨，其中作為國家綠色發(fā)展的生態(tài)重建工作更是綠色公路所需要重視的一點[9]。

1 綠色公路生態(tài)重建

隨著國內(nèi)綠色公路建設(shè)項目的增加，對于綠色公路全生命周期建設(shè)中綠色生態(tài)重建工程也必須引起足夠重視，綠色公路的生態(tài)重建評定需要建立相關(guān)的評價體系來衡量，這也是證明整條綠色公路的綠色程度高低一項指標(biāo)。

當(dāng)前綠色公路設(shè)計理念已經(jīng)廣泛應(yīng)用在城市道路的設(shè)計理念當(dāng)中，其中張哲[10]在文中基于服務(wù)功能定位的一級公路結(jié)合城市道路舊路改造工程具有土地資源緊缺、廢舊材料利用和地域文化鮮明等特點, 如何結(jié)合綠色公路設(shè)計理念, 在工程造價可控基礎(chǔ)上按照規(guī)劃走廊帶布設(shè)線位并滿足安全運行等要求是城市道路設(shè)計面臨的重點問題進行了相關(guān)的說明。侯慶剛[11]等，在其文中說明了現(xiàn)階段,國內(nèi)各大城市公路建設(shè)階段積極踐行集約化、生態(tài)環(huán)保路線,將綠色公路理念整合至高速公路設(shè)計領(lǐng)域,對高速公路可持續(xù)發(fā)展過程有明顯的促進作用。在概述綠色公路內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,結(jié)合具體工程案例,較為詳細地探究綠色公路理念在高速公路項目堤路共建、公鐵伴行、資源節(jié)約等過程中的實踐應(yīng)用。蘭旭[12]等說明了近年來,隨著我國高速公路事業(yè)的迅猛發(fā)展, 高速公路與環(huán)境、能源、資源關(guān)系日趨緊張,生態(tài)環(huán)境、人文景觀環(huán)境等受到較大的影響。在“十三五”期間,交通運輸部大力推進綠色公路建設(shè), 以實現(xiàn)生態(tài)、環(huán)保、景觀、節(jié)能等目標(biāo),促進公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，他在文中主要結(jié)合了海南省五指山至保亭至海棠灣高速公路勘察設(shè)計經(jīng)驗,總結(jié)探討了綠色公路理念在高速公路勘察設(shè)計中的應(yīng)用,可為今后的綠色公路建設(shè)提供一定的借鑒意義。

可是，在當(dāng)前的公路建設(shè)中，不可避免造成周遭生態(tài)的影響和破壞，而作為國家重點研究的綠色公路推廣項目，更是需要對生態(tài)環(huán)境有著生態(tài)重建計劃，這不僅僅是公路建設(shè)初期考慮的公路規(guī)劃設(shè)計時期的綠色方法、綠色技術(shù)，而是為了公路建設(shè)后長遠考慮的生態(tài)重建工作。

對于綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價，有以下特點：(1)目前國內(nèi)對于生態(tài)重建的相關(guān)研究本就較少，公路方面更是寥寥無幾，相關(guān)資料查詢困難;(2) 評價目的是為國家綠色公路建設(shè)長久規(guī)劃考慮，對于目前在建綠色公路項目制定相應(yīng)的綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價，同時其對于構(gòu)建綠色公路評價體系更是有著重要的輔助作用;(3) 為響應(yīng)國家規(guī)劃，依托綠色公路試點工程探索BIM建模在改擴建工程中的應(yīng)用技術(shù)，提取數(shù)據(jù)作為評價的一項依據(jù)，為BIM建模技術(shù)在未來綠色公路建設(shè)做出貢獻。

近年來生態(tài)重建方面國內(nèi)學(xué)者也做過了部分研究，徐勇[13]等選擇多種方法并用將生態(tài)重建模式定義為協(xié)調(diào)生態(tài)脆弱地區(qū)措施，較早的對生態(tài)重建進行了評價。向悟生等[14]通過AHP構(gòu)建了示范區(qū)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的評價，較清晰的對生態(tài)重建因子進行了評價。周懷峰等[15]通過灰色理論模型對礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)投資進行了預(yù)測，解決了生態(tài)恢復(fù)預(yù)測影響因素過多的問題?？潞Ａ醄16]等通過從生態(tài)重建角度出發(fā)，對所需土地進行了細致的提出分析評價，為以后生態(tài)重建和土地再利用提供有力依據(jù)。但由于我國綠色公路建設(shè)才剛剛起步，還沒有提出針對對綠色公路生態(tài)重建的評價體系。

圖1 拌合站土方堆料體積測量

圖2 新建公路部分停車休息區(qū)面積提取

圖3 選取固定位置高程示意

圖4 建設(shè)橋面距離和高差

由此本文提出依靠BIM 協(xié)助的德爾菲法與層次分析法相結(jié)合的方式構(gòu)建綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價體系，進而通過模糊綜合評價法來確定評價結(jié)果，為長遠未來輔助綠色公路評價體系的完成做出貢獻。

2 BIM 模型作為評價依據(jù)的應(yīng)用

綠色公路建設(shè)依靠施工單位與BIM 模型建設(shè)單位相互合作，積極投入BIM工作的策劃、溝通和協(xié)調(diào)。BIM建模團隊對綠色公路建設(shè)需求進行分析，通過BIM 軟件建設(shè)模型，模型交付后進入多專業(yè)協(xié)同應(yīng)用，多專業(yè)數(shù)據(jù)整合。通過軟件建模出的公路建設(shè)模型，向施工單位提供透明化的建設(shè)時期數(shù)據(jù)，可以成為綠色公路施工的重要數(shù)據(jù)來源。

通過航拍取景建模軟件（Context Capture 三維實景建模軟件等）的協(xié)助，聘請專業(yè)建模人員定期對項目施工場地進行拍攝實景，獲取公路建設(shè)多時期的施工單位施工照片和公路沿線周遭情況照片，對于道路周遭環(huán)境特點問題上選擇三維實景建模軟構(gòu)造周圍環(huán)境實景，通過掃描、拍攝等手段可以獲得周遭環(huán)境當(dāng)時期的環(huán)境狀況照片，將現(xiàn)實的照片轉(zhuǎn)變?yōu)椤半娮幽Ｐ汀?，這樣可以滿足施工過程中需要考慮的周遭影響需求。

BIM 建模軟件可做到實現(xiàn)施工場地數(shù)據(jù)的提取以及施工場景的還原，模型具有足夠的細節(jié)。同時，還具有精確的地理位置信息。這為后期的建設(shè)應(yīng)用提供了足夠的技術(shù)細節(jié)來滿足施工的需求[17]。

3 綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價體系構(gòu)建

3.1 評價體系方法的選取

綠色公路建設(shè)所需生態(tài)重建預(yù)評價指標(biāo)體系，基于BIM模型的計算機數(shù)據(jù)獲取技術(shù)準(zhǔn)確有效的提供綠色公路施工生態(tài)重建造成的部分結(jié)果，為專家評定分值提供有力數(shù)據(jù)，通過層次分析法和德爾菲法相結(jié)合的辦法，這種相結(jié)合的方式使兩種方法其克服了各自的缺點，綜合運用發(fā)揮出了最佳的效果[18]。這種結(jié)合方式避免單獨一種方法確定帶來的誤差，通過權(quán)重計算以保證兩者結(jié)果相差在5%以內(nèi)保證數(shù)據(jù)可信度，再通過取兩者的平均值作為各個指標(biāo)的最終權(quán)重。

3.2 綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價指標(biāo)及權(quán)重的確定

指標(biāo)考慮綠色公路建設(shè)造成的生態(tài)影響進行劃分。從土壤、植被、水生態(tài)、生物四個方面構(gòu)建綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價體系。

在評價體系的構(gòu)建中，評價指標(biāo)的權(quán)重確實是極為重要的，權(quán)重的確定包括主觀權(quán)重確定和客觀權(quán)重確定。由于評價綠色公路建設(shè)的生態(tài)重建，因其道路建設(shè)沿線長，部分指標(biāo)不能完全量化，客觀權(quán)重選取難度較大。通過德爾菲法與層次分析法相結(jié)合的辦法，彌補互相不足之處完善評價體系。

最先通過德爾菲法咨詢專家，目的是篩選確定指標(biāo)體系內(nèi)容。之后通過兩種方法共同計算指標(biāo)權(quán)重，第一輪咨詢專家采用調(diào)查問卷方式，通過專家對指標(biāo)打分程度篩選出綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價體系的相關(guān)指標(biāo)。

通過德爾菲法篩選出綠色公路生態(tài)重預(yù)評價體系后，構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型：一級指標(biāo)包括土壤、植被、水生態(tài)和生物因素；二級指標(biāo)包括土地形態(tài)恢復(fù)多樣性、占用地恢復(fù)等18 項指標(biāo)。

確定指標(biāo)體系后，先運用德爾菲法依次確定各級評價指標(biāo)的權(quán)重，并通過專家給出的數(shù)值計算幾何平均數(shù)，即專家分值相乘的平方根。各級指標(biāo)層中各指標(biāo)權(quán)重總和等于1。第二輪德爾菲法采用不單純通過調(diào)查問卷及施工規(guī)劃方式，更附帶相應(yīng)BIM模型及可操作數(shù)據(jù)提取方式文件，以保證專家不僅在文本上了解到施工公路建設(shè)情況，更可以通過實景模型了解多時期綠色公路建設(shè)施工單位的生態(tài)保護程度。

其次通過層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，由于9 標(biāo)度法范圍較大，故采用5 標(biāo)度法對指標(biāo)進行對比，建立比較判斷矩陣A。

表1 綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價指標(biāo)體系

表2 5 標(biāo)度

式 中 aij代 表 標(biāo) 度， 并 且 aij=1/aji，aij取 值 為：1，2，3，4，5，1/2，1/3，1/4，1/5。

通過算數(shù)平均法計算權(quán)重

（1）將對矩陣A 的特征向量數(shù)值進行歸一化處理得到矩陣B，矩陣的歸一化公式為：

（2）為了避免其他因素對判定因子矩陣，降低結(jié)果會產(chǎn)生的較大誤差，以保證判定矩陣排序的準(zhǔn)確性以及可信度[19]，要對結(jié)果進行一致性檢驗。通過式（3）與（4）計算所得值驗證判斷矩陣的一致性。

（3）計算歸一化的個列元素相加除以n 得到矩陣T，其公式為:

矩陣T=[t1，t2，…，tn]各個元素就是各指標(biāo)權(quán)重。

最后保證兩種方法得到權(quán)重差距小于5%的要求下，將第二輪德爾菲法權(quán)重和層次分析法計算權(quán)重相結(jié)合的方式確定生態(tài)重建的各級指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果的幾何平均數(shù)作為各指標(biāo)的最終權(quán)重。

表3 指標(biāo)權(quán)重

3.3 評價等級計算及劃分標(biāo)準(zhǔn)

考慮綠色公路生態(tài)重建要素，由公路建設(shè)專家依據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)和對公路指標(biāo)因素進行打分。通過模糊綜合評價方法確定評價結(jié)論，打分依據(jù)考慮現(xiàn)場調(diào)研和BIM 信息模型相互照應(yīng)原則，各個評價指標(biāo)因素的等級劃分為優(yōu)秀、良好、合格、不及格四等，形成綜合評價標(biāo)準(zhǔn)。

表4 綜合評價標(biāo)準(zhǔn)集合表

3.3.1 建立評價因素集

評價對象的一級評價指標(biāo)有m，第i 個一級評價指標(biāo)有q個二級評價指標(biāo)時：

3.3.3 確定權(quán)重及建立模糊矩陣

通過德爾菲法和層次分析法結(jié)合獲得評價體系各指標(biāo)權(quán)重T 后，構(gòu)建隸屬度矩陣對于項目D，得到各一級指標(biāo)下的評價樣本的矩陣：

土壤的模糊評價矩陣：

其他指標(biāo)的隸屬度矩陣指標(biāo)同理。

3.3.4 模糊綜合評判

根據(jù)二級評價指標(biāo)的權(quán)重與隸屬度值，可得到某一級評價指標(biāo)的模糊評判結(jié)果，綜合各一級評判指標(biāo)的評判結(jié)果可得到二級模糊評判結(jié)果。

根據(jù)隸屬度最大原則取E 的元素中最大值作為評價結(jié)果等級。

4 實例分析

本文以G331 國道丹東－阿勒泰公路黑龍江省大興安嶺地區(qū)呼瑪至十八站段公路改擴建工程項目為實際案例進行驗證，該項目為黑龍江省踐行綠色公路建設(shè)理念，打造綠色公路典型示范工程。項目建設(shè)路線起點位于國道丹阿公路呼瑪鎮(zhèn)西南向8km 左右呼瑪河大橋北側(cè)橋頭，經(jīng)過重點生態(tài)保護地金山林場及文化傳承鄉(xiāng)鎮(zhèn)白銀納鄉(xiāng)到達十八站鄉(xiāng)終點，路線全長154.9km。其中利用舊路擴建111.4km，新建道路43.5km。設(shè)計速度為60km/h 的二級公路,行車道寬度設(shè)定為3.5m，硬路肩寬度選用0.75m，土路肩寬度選用0.75m，路基全寬為10.0m，路面寬度8.5m，汽車荷載等級為公路Ⅰ級。

項目設(shè)計理念滿足綠色公路建設(shè)，同時也考慮到綠色公路建設(shè)生態(tài)重建的重要性。

根據(jù)黑龍江省綠色公路建設(shè)特征，結(jié)合所構(gòu)建的預(yù)評價指標(biāo)體系向生態(tài)重建方面的5 個綠色生態(tài)重建科研機構(gòu)發(fā)送主要公路建設(shè)文件及BIM實景建模模型和打分表，獲取該公路的生態(tài)重建等級評分，獲得各指標(biāo)隸屬度。

表5 隸屬度表

綜合得出四個指標(biāo)層內(nèi)的各指標(biāo)層隸屬度矩陣。

表6 各一級指標(biāo)評價矩陣

對準(zhǔn)則層中土壤指標(biāo)做評價得到：

以此方法計算其他二級指標(biāo)評價結(jié)果，根據(jù)計算得到的評價結(jié)果，得到一個新的一級指標(biāo)矩陣：

再次通過模糊綜合評價公式計算該公路目標(biāo)層的綠色公路生態(tài)重建綜合評價結(jié)果為:

根據(jù)最大隸屬度原則max{E}=0.1337，最終得出該綠色公路建設(shè)生態(tài)重建預(yù)評價等級為:良好。

5 結(jié)論

當(dāng)前，通過BIM 模型對城市公路的預(yù)評價，可以很好的確定綠色公路全生命周期的評價體系構(gòu)建，因此建立適用于綠色公路的生態(tài)重建預(yù)評價體系，確定影響生態(tài)重建等級評定的因素為土壤、植被、水生態(tài)和生物。生態(tài)重建預(yù)評價體系的構(gòu)建能夠輔助完善綠色公路全生命周期的評價體系構(gòu)建，通過BIM模型輔助專家評測結(jié)合層次分析法與模糊綜合評價法對呼瑪至十八站改擴建公路進行預(yù)評價，得到該改擴建工程綠色公路生態(tài)重建預(yù)評價等級為“良好”。

針對項目中BIM技術(shù)建模的多種特點進行數(shù)據(jù)獲取，協(xié)助了綠色公路生態(tài)重建預(yù)測，進一步為BIM建模技術(shù)用于未來綠色公路建設(shè)規(guī)劃精準(zhǔn)可視化及通用化打下基礎(chǔ)，希望未來在綠色公路全生命周期的評價體系構(gòu)建中，BIM建模技術(shù)可以提供更準(zhǔn)確的預(yù)評價。