基于BIM的公路安全设计与评价

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京100089）

一、引言

BIM技术的发展给公路建设行业带来了一场设计理念和管理模式的变革，加快了公路设计领域从传统二维平面设计和图纸交付向三维立体设计和模型文件交付转变的步伐。然而，由于BIM技术软件二次开发程度不足、公路项目建设和管理模式落后，使得公路行业BIM技术的应用推进较为缓慢。尤其在设计领域，公路项目基本采用设计后翻模应用的方式，未能真正体现BIM技术的应用价值。本文结合BIM技术和公路工程特点，以公路安全设计与评价为切入点，开展公路BIM技术应用研究。

二、公路勘察设计阶段BIM技术应用面临的问题

目前，BIM技术在公路勘察设计阶段的应用主要存在三个问题。

（一）现阶段BIM软件设计效率较低

目前，市场上的BIM软件大多从国外引进，其操作习惯和应用标准与国内差异较大，且本土化开发程度不足，与传统二维设计软件相比，工作效率不高。

（二）难以满足二维图纸成果交付需求

二维图纸仍是公路项目设计成果交付的必要条件，而目前BIM类软件的二维出图功能相对薄弱，出图质量尚不能完全满足作为最终交付成果的要求。

（三）BIM技术对硬件设备要求较高

BIM模型数据体量较大，文件存储和数据处理都需要较高的配置，且应用过程中经常需要处理超大体量的高清影像数据，对硬件设备的要求比较苛刻。

三、公路二三维设计数据传递共享

目前，公路设计项目95%以上都是采用传统二维软件设计。因此，要利用BIM技术进行公路安全设计与评价，首先要解决传统二维设计文件与三维BIM模型之间关联关系的问题。

（一）二维设计数据文件模板定制

不同设计软件生成的二维设计数据文件格式差异较大，无法统一读取，为了更好地扩展二维文件的读取，根据道路设计文件特征，对二维数据模板进行了标准化定制，包含平面文件、纵断面文件、超高文件、宽度文件，以及控制文件，模板定义如表1所示。

（二）公路BIM模型自动创建

通过分析传统二维设计文件主要控制参数，对二维设计文件数据模板进行标准化定制，实现了多种二维设计文件的自动识别和数据库写入，同时，基于BIM基础软件和计算机图形学算法，研发了一套三维公路模型创建方法；然后结合地形模型、公路结构物设置情况，实现了方案级公路模型自动生成功能。

表1 二维设计数据模板参数表

四、基于BIM的运行安全评价和设计指标优化

（一）运行速度自动计算和结果输出

通过对多种运行速度计算方法进行综合比选，本文在《公路项目安全性评价规范》（JTGB05-2015）规定的计算方法基础上增加了多种参数标定功能，可根据不同地区、不同项目特点，设定不同的关键参数和计算指标，实现了运行速度计算方法的灵活可控、科学准确。根据计算结果，在BIM软件中定制开发了适用于国内通用标准的二维图纸和数据表格自动绘制功能，解决了项目二维成果交付问题。

（二）运行速度评价与设计指标优化

根据国内规定的运行速度协调性评价标准，提出了运行速度协调性智能评价方法，可根据运行速度计算结果，自动识别运行速度协调性不良路段，并根据评价参数对相应路段的路线平纵横设计指标及结构物设置参数提出修改建议，而且实现了项目运行速度协调性的评价结果自动输出。

五、基于BIM的公路三维空间安全优化

在传统设计中，通过平纵几何指标进行运行速度计算，仅对运行速度协调性进行简单量化分析。本文利用BIM技术实现了在三维空间中实时模拟车辆按运行速度动态行驶，直观发现项目地形、结构物、公路线形等空间因素对运行速度变化的影响，快速找出相邻路段运行速度差值较大或与设计速度一致性较差的路段，为提高公路几何线形设计均衡性和连续性提供参考。

（一）基于运行速度的车辆行驶状态模拟

根据运行速度计算结果，利用BIM技术的可视化特性，快速创建三维道路模型，通过动态设置驾驶人的视点高度，真实模拟设计项目建成后汽车以预测运行速度行驶的驾驶状态。

（二）路域环境对运行安全的影响评价

在传统公路项目安全性评价中，仅通过运行速度计算结果对设计参数进行分析评价，忽略了沿线路域环境对运行安全的影响。本项目利用BIM技术创建沿线地形、地物，以及重点结构物等真实的路域环境，模拟项目建成后的车辆真实运行环境，以提前发现潜在的安全隐患，提高安全评价工作效果。

表2 连续长、陡下坡路段界定标准

六、基于BIM的长大下坡路段汽车安全运行分析

（一）公路长大下坡路段界定标准

《公路路线设计规范》（JTGD20-2017）首次明确了高速公路、一级公路长大下坡路段的界定标准，并提出当设计指标超过规范规定标准时，应进行交通安全评价并加强安全实施设计。

（二）汽车运行安全性分析

本文采用汽车动力学理论和能量受恒定律，建立了汽车制动鼓温度预测模型，通过测温试验得到了汽车以不同制动方式、载重在长大下坡路段上的制动鼓温度数据，该方法能够客观反映汽车的安全运行情况。

（三）长大下坡路段设计指标分析

利用BIM软件二次开发对公路设计指标进行分析，精准判定连续长陡下坡位置及长度。在安全评价分析的公路漫游过程中，当行驶位置到达长大下坡路段桩号时，可主动提示该路段的平纵面指标和路段长度等参数。

（四）汽车制动鼓温度实时分析计算

在运行速度计算完成以后，系统会根据运行速度对该路段的汽车制动温度进行实时计算，设计人员可根据制动温度结果与视距条件良好位置进行避险车道等安全设施设计。汽车制动温度的计算结果数据也会在系统后台进行保存，可通过成果输出功能自动导出该路段运行速度条件下的客、货车制度温度测算表和测算图。

七、结语

目前，如何利用BIM技术在勘察设计阶段提高工作效率和技术质量仍是公路BIM从业者面临的一大难题。本文以公路安全设计和评价工作为例，将BIM技术与公路项目安全性评价工作相融合，利用BIM的自动计算和辅助分析功能实现了二维设计文件与BIM数据的互联互通，提出了一套基于BIM的公路安全设计与评价方法，提高了技术人员工作效率和安全设计水平，远期还可以与VR技术相结合实现虚拟驾驶，对推动公路行业BIM技术研发与应用，促进勘察设计技术变革具有借鉴意义。