基于BIM的道路線形設計及安全評價分析

郭信息

（上海浦東建筑設計研究院有限公司廈門分公司，福建廈門 361026）

0 引言

隨著我國經濟水平的快速發展，作為基礎交通設施的城市道路的建設速度也在不斷提高，與此同時，對道路工程的工期、質量和技術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。當前，在進行線形設計時，通常是使用CAD 來進行二維平面設計，這樣在信息共享、設計標準化、進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態關聯以及3D 可視化效果結合起來。另外，公路線形安全性的常規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行綜合評估。

以建筑信息模型（building information modeling，BIM）為主要思想的3D 數字設計技術的興起，使建筑領域產生巨大變化。然而，目前國內外對BIM 技術的相關研究大多局限在建設工程領域，對公路線路的規劃研究還很少。因此，在公路工程中引入BIM 技術，使公路工程的規劃設計變得更加科學、合理。將BIM 技術用于公路線形規劃與安全性評估是非常有必要的。

1 BIM 技術在道路線形設計中的優勢和平臺選擇

1.1 BIM 技術的優勢

利用BIM 技術可以實現工程建設的信息化和模型化，在道路線形設計中，利用BIM 技術，可以對項目進行全面、多角度、立體化的展示。BIM 技術在公路線形設計中具有的優點包括：完備性、關聯性、可視化、模擬性、協調性、可出圖性等，并可以對道路線形設計中存在的不同觀點，開展碰撞檢測工作[1]。除此之外，還可以通過BIM 技術，在3D 模型上增加適當的條件，將其轉化為4D 的形式，從而形成最后的設計，或者在4D 的形式上增加費用，進行5D 的仿真，從而有效控制設計費用。BIM 技術建模優勢如下。

1.1.1 可視化設計

可視化設計和傳統的效果圖設計具有較大的差異性，對比傳統的二維平面圖紙，可視化設計主要是在圖紙上通過線條表達結構物的具體信息，并且需要工程參與者自己想象具體的內部構造形式。近些年，建筑物的造型越來越復雜，工程師的空間想象力逐漸無法實現復雜的建筑物設計，而且平面圖紙中存在較多錯漏，在實際施工過程中需要實施變更，會浪費大量資源。利用BIM 技術的可視化平臺，可以形成三維立體實物模型，在整個項目中貫穿可視化的特征，方便相關參與方在可視化環境中開展協調和決策等工作。

1.1.2 協同設計

傳統的CAD 技術需要參照圖形交流不同專業的信息，各專業之間的數據缺乏關聯性，很難加載彼此的附加信息。利用BIM 技術可以協同設計不同的模塊，并且可以提前預判項目各階段各個專業設計過程中可能出現的問題，因此節省了協調時間，提高了解決問題的效率[2]。

1.1.3 性能分析

傳統的CAD 技術中，參數數據輸入需要大量的時間，同時需要在不同軟件中導入繁雜的項目數據文件。但利用BIM 技術可以建立簡單的三維模型，模擬實際環境中的操作效果，通過模擬分析建筑物的多種性能指標，并且只需利用一種數據格式即可分析不同軟件的性能，可以將建筑物的實際性能全面地反映出來，節省整體工作時間，極大地提高整體工程質量。

1.1.4 參數化設計

參數化設計是指利用參數輸入形式，實現建筑物構件和設施的虛擬建模，而且參數中包含不同建筑構件和設施的信息。合理調整參數，可以相應改變有關的構建形體，而輸入不同的參數，可以對于不同的性能進行模擬，優化整體的設計效果。

1.1.5 優化設計

因為時間不會制約BIM 優化，而且利用BIM 技術可以優化項目方案。結合項目設計和投資回報分析，在利用BIM 技術設計調整的同時，可以實時計算投資回報的影響。信息也不會制約BIM 技術的優化設計，BIM 模型能夠全面提供建筑物的物理信息，可以實時更新和保存信息。

1.2 BIM 建模平臺的選擇

BIM 技術的利用離不開相關軟件的支持，BIM 軟件體系主要包括建模分析軟件、施工管理軟件、運營軟件和維護軟件等。在公路線形規劃的整個過程中，BIM 技術在各個環節都有各自的應用。在此只對BIM 的核心模型軟件進行剖析。當前BIM 技術在公路線形規劃中應用最多的是Bentley 平臺上應用的PowerCivil 軟件以及Autodesk 平臺上應用的Civil3D軟件[3]。PowerCivil 是一款以BIM 概念為基礎，應用于公路、橋梁、隧道等基礎建設行業的3D 模型與分析軟件；但是，目前在我國的應用較少，這個應用程序相對比較封閉，無法和其他應用程序進行實時分享，而且成本也比較高。而Civil3D 軟件具有良好的界面和開放性，它整合了多種專業的設計工具以及仿真分析模塊，可以很好地與我國的設計環境相匹配，并且可以實現協作式的設計。所以，在進行道路線形設計時，可以利用Civil3D 軟件來展開對其進行建模分析，并對其進行二次開發，從而可以完成對車輛運行速度的計算，以此來彌補軟件在道路安全評價方面的不足。

1.3 BIM 理念的實現方式

確定道路線形設計和安全評價的BIM 軟件之后，通過交互各軟件的信息，因此完成道路設計工作，見圖1。

圖1 BIM 理念在道路設計中的實現方式

1.4 基于BIM 技術的道路線形設計

該項目位于翔安新機場北部區域，為機場東片區市政配套道路工程。該項目的建設將加快機場的開發，為機場片區的發展注入新的動力。因此，該項目的建設對機場片區路網的完善和推進周邊地塊的建設具有十分重要的作用，它的建設將進一步完善片區路網結構，使各片區地塊既能發揮各自的功能優勢，又能形成有機的整體，推動在建或擬建片區的開發建設步伐，改善投資環境，對翔安及沿線地區經濟的發展有十分重要的作用，發揮著顯著的經濟效益和社會效益。

該項目為廈門新機場東片區市政配套道路工程，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，設計速度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，進行地形表面的3D 建模。首先，采用Civil 三維建模技術建立三維空間模型；在此基礎上，通過曲面的定義函數，將地形圖的等高線、高程點加入地形圖的表面，完成地形表面的創建；其次，去除表面的高度粗糙，通過對表面的編輯檢驗和3D 繪制，從而獲得地表的3D 建模[4]。

1.4.2 平面線形設計

道路線形是一種由長、高、寬三個參數組成的立體線形，而平面線則是公路線的橫向投影。目前，公路平面線形設計方法主要有兩種：一種是曲線形設計方法（例如積木法、單元法、擬合法），一種是直線形設計方法（如交點法），將交點法與單元法（在無地形限制的地區使用交叉法，在有地形限制的區域使用單元法）與表面高程解析圖相結合，以提升公路平面線形設計效率與適應性。Civil 三維軟件可采用“拖拽”方式，對單元線進行動態調整和參數修改，使其僅對鄰近單元線進行影響，而不會對整個線路的平面線形造成干擾，從而達到優化道路平面線形的目的。

1.4.3 縱斷面線形設計

利用Civil 三維軟件進行縱向剖面線的設計，可以采用兩種方式：一種是采用單元法進行縱向剖面線的規劃；另一種是以兩條相交處的兩條線為起點，首先確定一條直線，然后將垂直曲線的參數輸入進去。以地表表面模式為資料來源，利用直線交叉點的方法，選擇拉坡線，然后通過垂直曲線的參量，進行縱剖線的線形規劃。在Civil3D 軟件中可以實現多視口設計，也就是可以調出平面線形為參照，進行縱截面線形設計，極大地提升了平縱線形組合的檢查效率，調節平面線形可以觀察到曲線縱截面的動態變化。在該項目的縱截面線形中，一共設置15 個變坡點，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 技術的道路安全評價方法

2.1 運行速度評價方法和標準

道路運行速度是指在交通處于自由流動的情況下，在一個具體地點，觀察到的車輛的行駛速度在累積分布曲線上的某個百分之一位所對應的實際速度[5]。結合國內外有關學者的研究結果，該項目擬采用鄰近路段車速差（ΔV85）的絕對數值與車速梯度（ΔIV）的絕對數值作為判斷鄰近路段車速協調程度的指標。該項目擬采用行車車速與設計車速之差（Vd-V85）的絕對值作為判斷鄰近路段行車車速協同程度的指標。具體評價標準見表1、表2。

表1 同一路段道路運行速度評價標準

表2 相鄰路段都運行速度評價標準

2.2 道路空間三維視距評價方法

視距是公路工程技術標準的重要指標，有利于保障車輛通行的安全性。每個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，足夠的視距能夠方便駕駛人員及時采取措施。道路屬于三維帶狀實體，平曲線和縱斷面以及沿線邊坡等都會影響到視距，因此對比傳統的平面視距計算，三維空間視距計算具有更高的直觀性，能夠滿足工程的實際需求[6]。

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

3 結論

本文在BIM 技術的基礎上，對道路平面線形、縱斷面線形、安全評價方法及標準等方面的實現進行深入的探討，得出如下結論：其一，BIM 技術用于道路線形設計中具有可視化、模擬性、協調性、可出圖性等優點，并可以對道路線形設計中的意見分歧進行碰撞檢測。其二，將交點法與單元法聯合應用于Civil3D 軟件，可優化公路平面線形的規劃工作的效果，并可擴大其適用范圍。其三，Civil3D 可以進行多視角的設計，通過對平面線形的調節，可以觀察到曲線縱剖面的動態改變，提高橫向和縱向線形結合的檢測效率。