基于BIM的道路線形設(shè)計(jì)及安全評價(jià)分析

郭信息

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司廈門分公司，福建廈門 361026）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，作為基礎(chǔ)交通設(shè)施的城市道路的建設(shè)速度也在不斷提高，與此同時(shí)，對道路工程的工期、質(zhì)量和技術(shù)水平等也提出越來越高的要求。道路線形是由平面線形和縱斷面線形組合而成的一種立體線形。當(dāng)前，在進(jìn)行線形設(shè)計(jì)時(shí)，通常是使用CAD 來進(jìn)行二維平面設(shè)計(jì)，這樣在信息共享、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、進(jìn)度控制等方面的工作效率較低，整體工作非常繁瑣，而且很難將平面線形、縱斷面線形之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)以及3D 可視化效果結(jié)合起來。另外，公路線形安全性的常規(guī)評估是采用的平面視圖，忽視了平縱線的綜合作用，因此無法對公路線形安全性進(jìn)行綜合評估。

以建筑信息模型（building information modeling，BIM）為主要思想的3D 數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)的興起，使建筑領(lǐng)域產(chǎn)生巨大變化。然而，目前國內(nèi)外對BIM 技術(shù)的相關(guān)研究大多局限在建設(shè)工程領(lǐng)域，對公路線路的規(guī)劃研究還很少。因此，在公路工程中引入BIM 技術(shù)，使公路工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)變得更加科學(xué)、合理。將BIM 技術(shù)用于公路線形規(guī)劃與安全性評估是非常有必要的。

1 BIM 技術(shù)在道路線形設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢和平臺(tái)選擇

1.1 BIM 技術(shù)的優(yōu)勢

利用BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的信息化和模型化，在道路線形設(shè)計(jì)中，利用BIM 技術(shù)，可以對項(xiàng)目進(jìn)行全面、多角度、立體化的展示。BIM 技術(shù)在公路線形設(shè)計(jì)中具有的優(yōu)點(diǎn)包括：完備性、關(guān)聯(lián)性、可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、可出圖性等，并可以對道路線形設(shè)計(jì)中存在的不同觀點(diǎn)，開展碰撞檢測工作[1]。除此之外，還可以通過BIM 技術(shù)，在3D 模型上增加適當(dāng)?shù)臈l件，將其轉(zhuǎn)化為4D 的形式，從而形成最后的設(shè)計(jì)，或者在4D 的形式上增加費(fèi)用，進(jìn)行5D 的仿真，從而有效控制設(shè)計(jì)費(fèi)用。BIM 技術(shù)建模優(yōu)勢如下。

1.1.1 可視化設(shè)計(jì)

可視化設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的效果圖設(shè)計(jì)具有較大的差異性，對比傳統(tǒng)的二維平面圖紙，可視化設(shè)計(jì)主要是在圖紙上通過線條表達(dá)結(jié)構(gòu)物的具體信息，并且需要工程參與者自己想象具體的內(nèi)部構(gòu)造形式。近些年，建筑物的造型越來越復(fù)雜，工程師的空間想象力逐漸無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的建筑物設(shè)計(jì)，而且平面圖紙中存在較多錯(cuò)漏，在實(shí)際施工過程中需要實(shí)施變更，會(huì)浪費(fèi)大量資源。利用BIM 技術(shù)的可視化平臺(tái)，可以形成三維立體實(shí)物模型，在整個(gè)項(xiàng)目中貫穿可視化的特征，方便相關(guān)參與方在可視化環(huán)境中開展協(xié)調(diào)和決策等工作。

1.1.2 協(xié)同設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的CAD 技術(shù)需要參照圖形交流不同專業(yè)的信息，各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)缺乏關(guān)聯(lián)性，很難加載彼此的附加信息。利用BIM 技術(shù)可以協(xié)同設(shè)計(jì)不同的模塊，并且可以提前預(yù)判項(xiàng)目各階段各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的問題，因此節(jié)省了協(xié)調(diào)時(shí)間，提高了解決問題的效率[2]。

1.1.3 性能分析

傳統(tǒng)的CAD 技術(shù)中，參數(shù)數(shù)據(jù)輸入需要大量的時(shí)間，同時(shí)需要在不同軟件中導(dǎo)入繁雜的項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件。但利用BIM 技術(shù)可以建立簡單的三維模型，模擬實(shí)際環(huán)境中的操作效果，通過模擬分析建筑物的多種性能指標(biāo)，并且只需利用一種數(shù)據(jù)格式即可分析不同軟件的性能，可以將建筑物的實(shí)際性能全面地反映出來，節(jié)省整體工作時(shí)間，極大地提高整體工程質(zhì)量。

1.1.4 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指利用參數(shù)輸入形式，實(shí)現(xiàn)建筑物構(gòu)件和設(shè)施的虛擬建模，而且參數(shù)中包含不同建筑構(gòu)件和設(shè)施的信息。合理調(diào)整參數(shù)，可以相應(yīng)改變有關(guān)的構(gòu)建形體，而輸入不同的參數(shù)，可以對于不同的性能進(jìn)行模擬，優(yōu)化整體的設(shè)計(jì)效果。

1.1.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

因?yàn)闀r(shí)間不會(huì)制約BIM 優(yōu)化，而且利用BIM 技術(shù)可以優(yōu)化項(xiàng)目方案。結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)和投資回報(bào)分析，在利用BIM 技術(shù)設(shè)計(jì)調(diào)整的同時(shí)，可以實(shí)時(shí)計(jì)算投資回報(bào)的影響。信息也不會(huì)制約BIM 技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，BIM 模型能夠全面提供建筑物的物理信息，可以實(shí)時(shí)更新和保存信息。

1.2 BIM 建模平臺(tái)的選擇

BIM 技術(shù)的利用離不開相關(guān)軟件的支持，BIM 軟件體系主要包括建模分析軟件、施工管理軟件、運(yùn)營軟件和維護(hù)軟件等。在公路線形規(guī)劃的整個(gè)過程中，BIM 技術(shù)在各個(gè)環(huán)節(jié)都有各自的應(yīng)用。在此只對BIM 的核心模型軟件進(jìn)行剖析。當(dāng)前BIM 技術(shù)在公路線形規(guī)劃中應(yīng)用最多的是Bentley 平臺(tái)上應(yīng)用的PowerCivil 軟件以及Autodesk 平臺(tái)上應(yīng)用的Civil3D軟件[3]。PowerCivil 是一款以BIM 概念為基礎(chǔ)，應(yīng)用于公路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)的3D 模型與分析軟件；但是，目前在我國的應(yīng)用較少，這個(gè)應(yīng)用程序相對比較封閉，無法和其他應(yīng)用程序進(jìn)行實(shí)時(shí)分享，而且成本也比較高。而Civil3D 軟件具有良好的界面和開放性，它整合了多種專業(yè)的設(shè)計(jì)工具以及仿真分析模塊，可以很好地與我國的設(shè)計(jì)環(huán)境相匹配，并且可以實(shí)現(xiàn)協(xié)作式的設(shè)計(jì)。所以，在進(jìn)行道路線形設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用Civil3D 軟件來展開對其進(jìn)行建模分析，并對其進(jìn)行二次開發(fā)，從而可以完成對車輛運(yùn)行速度的計(jì)算，以此來彌補(bǔ)軟件在道路安全評價(jià)方面的不足。

1.3 BIM 理念的實(shí)現(xiàn)方式

確定道路線形設(shè)計(jì)和安全評價(jià)的BIM 軟件之后，通過交互各軟件的信息，因此完成道路設(shè)計(jì)工作，見圖1。

圖1 BIM 理念在道路設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)方式

1.4 基于BIM 技術(shù)的道路線形設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目位于翔安新機(jī)場北部區(qū)域，為機(jī)場東片區(qū)市政配套道路工程。該項(xiàng)目的建設(shè)將加快機(jī)場的開發(fā)，為機(jī)場片區(qū)的發(fā)展注入新的動(dòng)力。因此，該項(xiàng)目的建設(shè)對機(jī)場片區(qū)路網(wǎng)的完善和推進(jìn)周邊地塊的建設(shè)具有十分重要的作用，它的建設(shè)將進(jìn)一步完善片區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使各片區(qū)地塊既能發(fā)揮各自的功能優(yōu)勢，又能形成有機(jī)的整體，推動(dòng)在建或擬建片區(qū)的開發(fā)建設(shè)步伐，改善投資環(huán)境，對翔安及沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有十分重要的作用，發(fā)揮著顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

該項(xiàng)目為廈門新機(jī)場東片區(qū)市政配套道路工程，共包含11 條道路，即海峽西路、海峽西一路、海峽西二路、海峽中路、海峽東路、海峽東一路、海峽北一路、海峽北路、海峽南二路、海峽南一路、海峽南路，道路全長約9.835km。道路等級為城市次干路、城市支路，紅線寬度為36m、30m 或22m，設(shè)計(jì)速度40km/h、30km/h。

1.4.1 地面曲面建模

以該道路工程的DWG 地形圖為基礎(chǔ)，進(jìn)行地形表面的3D 建模。首先，采用Civil 三維建模技術(shù)建立三維空間模型；在此基礎(chǔ)上，通過曲面的定義函數(shù)，將地形圖的等高線、高程點(diǎn)加入地形圖的表面，完成地形表面的創(chuàng)建；其次，去除表面的高度粗糙，通過對表面的編輯檢驗(yàn)和3D 繪制，從而獲得地表的3D 建模[4]。

1.4.2 平面線形設(shè)計(jì)

道路線形是一種由長、高、寬三個(gè)參數(shù)組成的立體線形，而平面線則是公路線的橫向投影。目前，公路平面線形設(shè)計(jì)方法主要有兩種：一種是曲線形設(shè)計(jì)方法（例如積木法、單元法、擬合法），一種是直線形設(shè)計(jì)方法（如交點(diǎn)法），將交點(diǎn)法與單元法（在無地形限制的地區(qū)使用交叉法，在有地形限制的區(qū)域使用單元法）與表面高程解析圖相結(jié)合，以提升公路平面線形設(shè)計(jì)效率與適應(yīng)性。Civil 三維軟件可采用“拖拽”方式，對單元線進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和參數(shù)修改，使其僅對鄰近單元線進(jìn)行影響，而不會(huì)對整個(gè)線路的平面線形造成干擾，從而達(dá)到優(yōu)化道路平面線形的目的。

1.4.3 縱斷面線形設(shè)計(jì)

利用Civil 三維軟件進(jìn)行縱向剖面線的設(shè)計(jì)，可以采用兩種方式：一種是采用單元法進(jìn)行縱向剖面線的規(guī)劃；另一種是以兩條相交處的兩條線為起點(diǎn)，首先確定一條直線，然后將垂直曲線的參數(shù)輸入進(jìn)去。以地表表面模式為資料來源，利用直線交叉點(diǎn)的方法，選擇拉坡線，然后通過垂直曲線的參量，進(jìn)行縱剖線的線形規(guī)劃。在Civil3D 軟件中可以實(shí)現(xiàn)多視口設(shè)計(jì)，也就是可以調(diào)出平面線形為參照，進(jìn)行縱截面線形設(shè)計(jì)，極大地提升了平縱線形組合的檢查效率，調(diào)節(jié)平面線形可以觀察到曲線縱截面的動(dòng)態(tài)變化。在該項(xiàng)目的縱截面線形中，一共設(shè)置15 個(gè)變坡點(diǎn)，最大縱坡5.98%，凸曲線最小半徑550m，凹曲線最小半徑650m，豎曲線最小長度為45m。

2 基于BIM 技術(shù)的道路安全評價(jià)方法

2.1 運(yùn)行速度評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)

道路運(yùn)行速度是指在交通處于自由流動(dòng)的情況下，在一個(gè)具體地點(diǎn)，觀察到的車輛的行駛速度在累積分布曲線上的某個(gè)百分之一位所對應(yīng)的實(shí)際速度[5]。結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果，該項(xiàng)目擬采用鄰近路段車速差（ΔV85）的絕對數(shù)值與車速梯度（ΔIV）的絕對數(shù)值作為判斷鄰近路段車速協(xié)調(diào)程度的指標(biāo)。該項(xiàng)目擬采用行車車速與設(shè)計(jì)車速之差（Vd-V85）的絕對值作為判斷鄰近路段行車車速協(xié)同程度的指標(biāo)。具體評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1、表2。

表1 同一路段道路運(yùn)行速度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 相鄰路段都運(yùn)行速度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 道路空間三維視距評價(jià)方法

視距是公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)，有利于保障車輛通行的安全性。每個(gè)車道都要具備足夠的視距才能提高行車的安全性。如果存在障礙物，或者在迎面來車的狀態(tài)，足夠的視距能夠方便駕駛?cè)藛T及時(shí)采取措施。道路屬于三維帶狀實(shí)體，平曲線和縱斷面以及沿線邊坡等都會(huì)影響到視距，因此對比傳統(tǒng)的平面視距計(jì)算，三維空間視距計(jì)算具有更高的直觀性，能夠滿足工程的實(shí)際需求[6]。

以BIM 為基礎(chǔ)的3D 視距計(jì)算，利用了兩點(diǎn)通視的理論，也就是在計(jì)算時(shí)，首先確定兩點(diǎn)（一個(gè)為駕駛員的視點(diǎn)，一個(gè)為有一定高度的障礙），然后對兩個(gè)點(diǎn)之間的連線進(jìn)行運(yùn)算，以判斷兩個(gè)點(diǎn)之間的連接是否被阻擋。使用Civil3D 軟件，對車輛在3D 模型中的行駛進(jìn)行仿真，提前設(shè)置好車輛在行車道中的視點(diǎn)，運(yùn)用空間兩點(diǎn)通視原理，通過計(jì)算得出，駕駛員視點(diǎn)位置所能看到的前面道路上某一物體的最遠(yuǎn)距離就是3D 空間視距[7]。

3 結(jié)論

本文在BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)上，對道路平面線形、縱斷面線形、安全評價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)等方面的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行深入的探討，得出如下結(jié)論：其一，BIM 技術(shù)用于道路線形設(shè)計(jì)中具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、可出圖性等優(yōu)點(diǎn)，并可以對道路線形設(shè)計(jì)中的意見分歧進(jìn)行碰撞檢測。其二，將交點(diǎn)法與單元法聯(lián)合應(yīng)用于Civil3D 軟件，可優(yōu)化公路平面線形的規(guī)劃工作的效果，并可擴(kuò)大其適用范圍。其三，Civil3D 可以進(jìn)行多視角的設(shè)計(jì)，通過對平面線形的調(diào)節(jié)，可以觀察到曲線縱剖面的動(dòng)態(tài)改變，提高橫向和縱向線形結(jié)合的檢測效率。