BIM技術在高速公路交通安全評價上的應用研究

王潤澤　胡志勇　徐贊

摘 要：本文利用Civil 3d軟件能創建公路模型的功能，在創建曲面、縱斷面、路線的基礎上，公路模型自身也會實現動態更新的特點。不僅能達到提高效率、控制成本的目的，而且可以將項目管理變得更加細致。隨著科技的不斷進步，高速公路建設面臨的挑戰也日益增加，公路交通安全更是重中之重。從而對公路進行安全性評價也變得尤為重要。BIM在近幾年的行業發展中不斷的進步，技術也更加的成熟，在公路交通安全設施安全評價的應用上的作用也越發的明顯了。

關鍵詞：BIM技術;Civil 3d軟件;Autodesk;安全評價;公路模型

1 公路安全性評價的概述

公路技術安全評價是站在公路使用者的方向，按照特定的規則順序，采用特定的方法定性并且定量的方式，對公路技術安全進行全面、系統的分析和評價。在公路運輸行業中，也稱為公路安全評價或行車安全評價[1]。

公路安全評價的中心思想是預防為主，以預防為根本改造為輔助的基本規則進行的。對可能發生的事故作出提前的預判以及處理，從而達到提高高速公路安全的目的。通過本項目的安全評價，可以進一步落實建設單位和勘察設計單位為改善公路安全所作的努力，對保證和改善公路安全具有重要的積極意義。

根據《公路項目安全性評價規范》（JTGB05-2015）對交工驗收階段安全性評價方法的規定，本次評價必須要進行現場實地踏勘和實地駕駛，才能對整個清單進行必要的規范的安全檢查，使其結果得到肯定。

2 BIM在交通安全設施安全性評價的作用

2.1 Civil 3D軟件的應用

目前廣泛使用Autodesk平臺的Civil 3D軟件進行高速公路的BIM建模。Civil 3D有相當強大的功能，在公路安全方面最直觀的功能便是三維數字地形模型。 而利用數字地形模型，可以更清晰、快速、精準的繪制縱橫斷面圖、對尚未發生的地理圖形進行提前的預判，及時的發現問題。 同時Autodesk Civil3D還整合了3D Map、CAD 等多種軟件，并具有范圍更廣的項目管理功能，為公路施工工程可能發生的安全隱患提供了完整的解決方案[2]。

Civil 3D中的曲面是該軟件基礎核心部分。在真實的施工過程中可以用原始地形點直接生成原始地面的數字三維模型，在地面模型上我們可以更直觀的進行規劃、設計、施工等一系列的操作。而且與原本的圖紙相比，曲面更加具有動態鮮明的特點，當其被修改時，便可以自動重新的構建不需要人為操作。

公路模型是 Civil 3D 中的最新的強大功能。它能夠直接設計出公路所需要的曲面、路線和縱斷面，然后創建出更真實的公路模型。 就像 Civil 3D 中的其他對象一樣，如果修改了與本工程相關的曲面，或是更改了原有的路線或縱斷面，公路模型自身也會隨著更改作出相應的調整[3]。

所有專業技術指標均采用人工計算，計算精度低，工作比較多，需要多專業進行配合，工作時間也相應的變長了。將BIM技術與公路工程安全評價相結合，提出并量化了各行業安全評價的關鍵指標，更加客觀、清晰地闡明了各職業安全指標的權重，為決策者提供了依據決策依據。并為設計人員提供更加直觀的方法，從人來評價變成系統評價，傳統和BIM技術的結合提供了一個更加廣闊的思路[4]。

2.2 結合思路分析

2.2.1 運行視距的安全分析

線路視距是保證行車安全的設計指標，也是公路建設的強制性規范。路線上的車道應具有足夠的視野，以便駕駛員能夠在第一時間對危險作出應對，增加了行車的安全度。在公路規范中，高等級公路的可見性采用停車視覺距離并且對二級高速公路的視距進行了行車安全視距分析并提出了相應的改進措施。傳統的設計手法是無法與安全相結合的，公路定向的幾何施工指標僅滿足規范要求，但是很可能對安全方面會產生一定的忽視，從而安全問題發生的概率大大增加了。

公路空間視距計算模型：

如圖1所示，以p1為駕駛員視點，遠處路面最左側目標點為p2，最右側目標點為p3，構成視線三角面。將公路模型中任意一塊或幾塊曲面進行離散，在通過計算，便可以在沒進行實際操作的情況下得到理論上比較可靠的空間視距，具體過程便不做詳細說明了[5]。

BIM行車視距的分析模塊：

通過對結果的分析，作出了BIM瞄準線分析模塊。利用應有的設計資料創建三維的公路模型。根據車速的空間視距模型，從視距的較低路段開始，消除可能發生的安全隱患。見圖2。

2.2.2 邊坡穩定性分析

高速公路最重要的便是邊坡的穩定性分析、深厚路塹邊坡穩定性分析、高填方邊坡穩定性分析和陡填方邊坡穩定性分析。BIM技術可以快速提取邊坡開挖和填筑前后的剖面數據，也可以從三維地質模型中提取沿線滑坡的剖面數據，對邊坡的穩定性及其安全性進行評價[6]。

2.2.3 長陡下坡路段安全性分析及工程實例

大型載重汽車由于重量比較大，制動對汽車的損耗比較大，所以頻繁制動會帶來一定的安全隱患[7]。因此，長陡下坡路段的安全分析是公路工程安全評價的關鍵內容[8]。

長陡下坡界定標準：

現在，國內外的學者，作為安全性的分析方法，長期使用急斜面的汽車用剎車鼓的溫度性能分析。在剎車測試中，測量在下坡的各種工作條件下剎車鼓的溫度變化，計算車的剎車距離和剎車鼓的溫度之間的關系。將工作速度納入貨物制動溫度模型中，對水平和垂直的安全風險進行了綜合研究。本文結合能量守恒定律和傳熱理論，開發基于BIM技術的長期緊急剎車性能分析模塊。考慮到汽車剎車鼓溫度變化引起的側線位置調整，通過動作模擬分析各種氣象條件下側線位置調整的合理性和設計參數。

BIM應用工程實例：

BIM系統研究的核心就是對程序的語言算法進行相應的設計工作，所以它對系統的工作性能和最終結果的準確性起著至關性的作用。公路工程的安全評價系統包括多種運算方法，但重中之重仍然是長大縱坡算法。該算法的主要方式還是利用能量守恒定律來模擬熱衰減過程，從而發現連續下坡路段的安全隱患。能夠準確的確定長、陡、連續下降的位置和長度[9]。

（1）連續長坡下坡算法首先需檢驗路段平均縱向坡面，平均縱坡按公式（1）計算：

（1）

公式中為平均縱坡，L為路線長度m，H為兩端高差m。

變速制動器溫度模型按公式（2）計算：

（2）

其中，

通過對道路BIM技術的研究和系統的應用，將PowerCivil建立的道路模型作為載體，自動分析設計文件，預測行車速度。通過行車視距空間分析、小半徑自動識別、折返、隧道入口等方法，對汽車制動鼓溫度、線路平面、縱斷面、橋梁、隧道等指標進行計算和評價。對于互通式立交匝道視距較小的區域，應根據各階段安全評價的重點，科學制定安全評價報告的結構。與傳統的公路行業優化設計方法相比，公路項目安全評價體系更直觀、有效、實用，減少了“錯、漏、錯”現象。只有在不斷的減少人為客觀因素的參與，人為因素造成的“碰撞和缺陷”，讓系統自動的客觀的來預測可能發生的問題、安全隱患、危險狀況，才能更加系統的、更加具有針對性的得出解決方案。BIM技術對高速公路安全運營的積極作用逐漸顯現。

3 結論

公路安全評價的重要性毋庸置疑，“公路工程技術標準”越來越受到企業的重視。高等級公路路面不僅參考了這一標準，而且普通路面也越來越受歡迎。在安全要求日益被重視的今天，人工計算已經無法滿足現代的安全需求。現代安全觀念不斷更新和發展，從安全設備和安全生產管理到設計、施工、運行和維護全過程的管理和控制。過去的各種技術概念和方法必須與BIM相結合，以實現我們盡快成為交通強國的宏偉愿景。

參考文獻：

[1]杜鳴曲，楊科，張婷.BIM技術在京哈高速公路改擴建工程的應用[J].公路，2021（1）：397-400.

[2]王欣南，李金龍，游威.公路工程BIM技術發展路徑研究[J].交通科技，2020（6）：60-64.

[3]劉星宏，林達明，俞縉，等.BIM技術在國內隧道工程中的應用[J].現代隧道技術，2020，57（6）：25-35.

[4]王維高，朱明，趙見，等.BIM和GIS技術在某高速公路施工建設管理中的應用[J].山西建筑，2020，46（23）：114-116.

[5]黃忠財，許澤琪，王磊，等.BIM技術在公路巖溶隧道勘察設計中的應用[J].公路，2020，65（11）：385-389.

[6]吳學明，梁禮繪，嚴磊，等.基于WebGL的高速公路BIM模型輕量化方法研究[J].工程管理學報，2020，34（5）：69-74.

[7]岳力.BIM技術在北京軌道交通新機場線高架橋梁質量管控中的應用[J].市政技術，2020，38（6）：63-66.

[8]張濤，楊志平，張星鈺，等.基于BIM技術的受限空間鋼箱梁施工研究[J].市政技術，2020，38（6）：97-100+106.

[9]王長海，周東迎.BentleyBIM系統在高速公路交旅融合示范工程中的應用[J].中國公路，2020（21）：221-223.