基于BIM的道路线形设计及安全评价分析

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（上海浦东建筑设计研究院有限公司厦门分公司，福建厦门 361026）

0 引言

随着我国经济水平的快速发展，作为基础交通设施的城市道路的建设速度也在不断提高，与此同时，对道路工程的工期、质量和技术水平等也提出越来越高的要求。道路线形是由平面线形和纵断面线形组合而成的一种立体线形。当前，在进行线形设计时，通常是使用CAD 来进行二维平面设计，这样在信息共享、设计标准化、进度控制等方面的工作效率较低，整体工作非常繁琐，而且很难将平面线形、纵断面线形之间的动态关联以及3D 可视化效果结合起来。另外，公路线形安全性的常规评估是采用的平面视图，忽视了平纵线的综合作用，因此无法对公路线形安全性进行综合评估。

以建筑信息模型（building information modeling，BIM）为主要思想的3D 数字设计技术的兴起，使建筑领域产生巨大变化。然而，目前国内外对BIM 技术的相关研究大多局限在建设工程领域，对公路线路的规划研究还很少。因此，在公路工程中引入BIM 技术，使公路工程的规划设计变得更加科学、合理。将BIM 技术用于公路线形规划与安全性评估是非常有必要的。

1 BIM 技术在道路线形设计中的优势和平台选择

1.1 BIM 技术的优势

利用BIM 技术可以实现工程建设的信息化和模型化，在道路线形设计中，利用BIM 技术，可以对项目进行全面、多角度、立体化的展示。BIM 技术在公路线形设计中具有的优点包括：完备性、关联性、可视化、模拟性、协调性、可出图性等，并可以对道路线形设计中存在的不同观点，开展碰撞检测工作[1]。除此之外，还可以通过BIM 技术，在3D 模型上增加适当的条件，将其转化为4D 的形式，从而形成最后的设计，或者在4D 的形式上增加费用，进行5D 的仿真，从而有效控制设计费用。BIM 技术建模优势如下。

1.1.1 可视化设计

可视化设计和传统的效果图设计具有较大的差异性，对比传统的二维平面图纸，可视化设计主要是在图纸上通过线条表达结构物的具体信息，并且需要工程参与者自己想象具体的内部构造形式。近些年，建筑物的造型越来越复杂，工程师的空间想象力逐渐无法实现复杂的建筑物设计，而且平面图纸中存在较多错漏，在实际施工过程中需要实施变更，会浪费大量资源。利用BIM 技术的可视化平台，可以形成三维立体实物模型，在整个项目中贯穿可视化的特征，方便相关参与方在可视化环境中开展协调和决策等工作。

1.1.2 协同设计

传统的CAD 技术需要参照图形交流不同专业的信息，各专业之间的数据缺乏关联性，很难加载彼此的附加信息。利用BIM 技术可以协同设计不同的模块，并且可以提前预判项目各阶段各个专业设计过程中可能出现的问题，因此节省了协调时间，提高了解决问题的效率[2]。

1.1.3 性能分析

传统的CAD 技术中，参数数据输入需要大量的时间，同时需要在不同软件中导入繁杂的项目数据文件。但利用BIM 技术可以建立简单的三维模型，模拟实际环境中的操作效果，通过模拟分析建筑物的多种性能指标，并且只需利用一种数据格式即可分析不同软件的性能，可以将建筑物的实际性能全面地反映出来，节省整体工作时间，极大地提高整体工程质量。

1.1.4 参数化设计

参数化设计是指利用参数输入形式，实现建筑物构件和设施的虚拟建模，而且参数中包含不同建筑构件和设施的信息。合理调整参数，可以相应改变有关的构建形体，而输入不同的参数，可以对于不同的性能进行模拟，优化整体的设计效果。

1.1.5 优化设计

因为时间不会制约BIM 优化，而且利用BIM 技术可以优化项目方案。结合项目设计和投资回报分析，在利用BIM 技术设计调整的同时，可以实时计算投资回报的影响。信息也不会制约BIM 技术的优化设计，BIM 模型能够全面提供建筑物的物理信息，可以实时更新和保存信息。

1.2 BIM 建模平台的选择

BIM 技术的利用离不开相关软件的支持，BIM 软件体系主要包括建模分析软件、施工管理软件、运营软件和维护软件等。在公路线形规划的整个过程中，BIM 技术在各个环节都有各自的应用。在此只对BIM 的核心模型软件进行剖析。当前BIM 技术在公路线形规划中应用最多的是Bentley 平台上应用的PowerCivil 软件以及Autodesk 平台上应用的Civil3D软件[3]。PowerCivil 是一款以BIM 概念为基础，应用于公路、桥梁、隧道等基础建设行业的3D 模型与分析软件；但是，目前在我国的应用较少，这个应用程序相对比较封闭，无法和其他应用程序进行实时分享，而且成本也比较高。而Civil3D 软件具有良好的界面和开放性，它整合了多种专业的设计工具以及仿真分析模块，可以很好地与我国的设计环境相匹配，并且可以实现协作式的设计。所以，在进行道路线形设计时，可以利用Civil3D 软件来展开对其进行建模分析，并对其进行二次开发，从而可以完成对车辆运行速度的计算，以此来弥补软件在道路安全评价方面的不足。

1.3 BIM 理念的实现方式

确定道路线形设计和安全评价的BIM 软件之后，通过交互各软件的信息，因此完成道路设计工作，见图1。

图1 BIM 理念在道路设计中的实现方式

1.4 基于BIM 技术的道路线形设计

该项目位于翔安新机场北部区域，为机场东片区市政配套道路工程。该项目的建设将加快机场的开发，为机场片区的发展注入新的动力。因此，该项目的建设对机场片区路网的完善和推进周边地块的建设具有十分重要的作用，它的建设将进一步完善片区路网结构，使各片区地块既能发挥各自的功能优势，又能形成有机的整体，推动在建或拟建片区的开发建设步伐，改善投资环境，对翔安及沿线地区经济的发展有十分重要的作用，发挥着显著的经济效益和社会效益。

该项目为厦门新机场东片区市政配套道路工程，共包含11 条道路，即海峡西路、海峡西一路、海峡西二路、海峡中路、海峡东路、海峡东一路、海峡北一路、海峡北路、海峡南二路、海峡南一路、海峡南路，道路全长约9.835km。道路等级为城市次干路、城市支路，红线宽度为36m、30m 或22m，设计速度40km/h、30km/h。

1.4.1 地面曲面建模

以该道路工程的DWG 地形图为基础，进行地形表面的3D 建模。首先，采用Civil 三维建模技术建立三维空间模型；在此基础上，通过曲面的定义函数，将地形图的等高线、高程点加入地形图的表面，完成地形表面的创建；其次，去除表面的高度粗糙，通过对表面的编辑检验和3D 绘制，从而获得地表的3D 建模[4]。

1.4.2 平面线形设计

道路线形是一种由长、高、宽三个参数组成的立体线形，而平面线则是公路线的横向投影。目前，公路平面线形设计方法主要有两种：一种是曲线形设计方法（例如积木法、单元法、拟合法），一种是直线形设计方法（如交点法），将交点法与单元法（在无地形限制的地区使用交叉法，在有地形限制的区域使用单元法）与表面高程解析图相结合，以提升公路平面线形设计效率与适应性。Civil 三维软件可采用“拖拽”方式，对单元线进行动态调整和参数修改，使其仅对邻近单元线进行影响，而不会对整个线路的平面线形造成干扰，从而达到优化道路平面线形的目的。

1.4.3 纵断面线形设计

利用Civil 三维软件进行纵向剖面线的设计，可以采用两种方式：一种是采用单元法进行纵向剖面线的规划；另一种是以两条相交处的两条线为起点，首先确定一条直线，然后将垂直曲线的参数输入进去。以地表表面模式为资料来源，利用直线交叉点的方法，选择拉坡线，然后通过垂直曲线的参量，进行纵剖线的线形规划。在Civil3D 软件中可以实现多视口设计，也就是可以调出平面线形为参照，进行纵截面线形设计，极大地提升了平纵线形组合的检查效率，调节平面线形可以观察到曲线纵截面的动态变化。在该项目的纵截面线形中，一共设置15 个变坡点，最大纵坡5.98%，凸曲线最小半径550m，凹曲线最小半径650m，竖曲线最小长度为45m。

2 基于BIM 技术的道路安全评价方法

2.1 运行速度评价方法和标准

道路运行速度是指在交通处于自由流动的情况下，在一个具体地点，观察到的车辆的行驶速度在累积分布曲线上的某个百分之一位所对应的实际速度[5]。结合国内外有关学者的研究结果，该项目拟采用邻近路段车速差（ΔV85）的绝对数值与车速梯度（ΔIV）的绝对数值作为判断邻近路段车速协调程度的指标。该项目拟采用行车车速与设计车速之差（Vd-V85）的绝对值作为判断邻近路段行车车速协同程度的指标。具体评价标准见表1、表2。

表1 同一路段道路运行速度评价标准

表2 相邻路段都运行速度评价标准

2.2 道路空间三维视距评价方法

视距是公路工程技术标准的重要指标，有利于保障车辆通行的安全性。每个车道都要具备足够的视距才能提高行车的安全性。如果存在障碍物，或者在迎面来车的状态，足够的视距能够方便驾驶人员及时采取措施。道路属于三维带状实体，平曲线和纵断面以及沿线边坡等都会影响到视距，因此对比传统的平面视距计算，三维空间视距计算具有更高的直观性，能够满足工程的实际需求[6]。

以BIM 为基础的3D 视距计算，利用了两点通视的理论，也就是在计算时，首先确定两点（一个为驾驶员的视点，一个为有一定高度的障碍），然后对两个点之间的连线进行运算，以判断两个点之间的连接是否被阻挡。使用Civil3D 软件，对车辆在3D 模型中的行驶进行仿真，提前设置好车辆在行车道中的视点，运用空间两点通视原理，通过计算得出，驾驶员视点位置所能看到的前面道路上某一物体的最远距离就是3D 空间视距[7]。

3 结论

本文在BIM 技术的基础上，对道路平面线形、纵断面线形、安全评价方法及标准等方面的实现进行深入的探讨，得出如下结论：其一，BIM 技术用于道路线形设计中具有可视化、模拟性、协调性、可出图性等优点，并可以对道路线形设计中的意见分歧进行碰撞检测。其二，将交点法与单元法联合应用于Civil3D 软件，可优化公路平面线形的规划工作的效果，并可扩大其适用范围。其三，Civil3D 可以进行多视角的设计，通过对平面线形的调节，可以观察到曲线纵剖面的动态改变，提高横向和纵向线形结合的检测效率。