基于BIM 模型的绿色公路生态重建预评价研究

石振武 吕坤城

（东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

当前，我国正处于工业化与城市化不断快速发展的过程中，并且据相关研究数据来看，在未来的20 年里我国的GDP 会有飞速猛增态势，但是也仍然会面临资源短缺已经能源不足等一系列问题。面对如此压力，我国政府已确立了以节能和提高能源和资源利用率为核心的发展战略[1]。在各个建筑领域，推进建筑节能，发展绿色建筑，是实施我国能源资源发展战略的重要手段。中国与发达国家相比,人均占有的能源量远低于世界平均水平, 单位面积能耗和人均能源消费的总量是发达国家的3倍，能源消费总量已居世界第二，而且33%的资源利用效率仅相当于发达国家水平的50～60%，比发达国家落后20 多年[2]。据不完全统计, 建筑能耗已占社会总能耗的30%。在中国现阶段,建筑行业是一个高能源消耗、高物质消费和高污染行业,影响中国城市的可持续发展,并进一步影响经济的可持续发展。建筑节能迫在眉睫，应摆在社会发展的重要位置。

“美丽中国”概念在党的十八届五中全会上首次被纳入五年计划，并且交通运输部办公厅于2016 年7 月发布了《关于实施绿色公路建设的指导意见》，着重强调了绿色公路建设在我国的必要性，在指导意见中国家更是强调“深化BIM 技术在公路、水运领域应用”。“十四五”规划更是在九个重要要点中强调了“坚持生态优先，持续推进绿色发展”。绿色公路建设的提出同时也是为了解决我国目前面临的建设环境问题，以往公路建设导致的各类问题都会导致周遭生态破坏，传统施工方式的沿用是生态破坏问题形成的主要原因，生态破坏问题的出现也会严重影响到人们正常的生产生活和身体健康[3]。

绿色公路建设是世界公路建筑业由黑色产业转向绿色可持续发展产业的重要途径。通过对研究绿色公路建设理论和技术的研究与实施，推动绿色公路在中国的发展，促进中国公路业的绿色可持续发展。本文参照绿色公路设计相关规范要求，提出利用计算机技术建立BIM公路建筑信息模型，对公路建筑空间几何信息、公路建筑空间功能信息、公路建筑材料以及设备等各专业相关数据信息进行数据集成与一体化管理，为绿色公路设计相关计算与评估提供必要的分析依据; 利用三维数据信息可视化技术，在规划方案分析与优化、节能数据分析、绿化环境、声环境、雨水采集与利用等方面建立多角度的生态技术指标评估与辅助决策机制，实现合理利用土地、材料等有限资源，降低能源消耗，解决公路对城市与自然环境及气候的影响，降低声、光、风等各类污染，同时通过对生态环境指标的分析与评估，提出降低能耗与合理有效利用自然能源的解决方案[4]。

近年来我国公路建设发展迅速，给公路周边带来文化进步和经济发展的同时，却由于方案决策公路建设不稳定因素等原因，对周遭生态造成比较大的破坏。[5-6]生态重建(ecological restoration) 是自20 世纪80 年代以来生态学领域最活跃的关键行动之一，目前，由于国际社会和学界对地球生态与环境退化和健康的关注, 使生态重建受到极大的重视[7]。研究表明，公路项目在施工和运营过程中因大量能耗和污染物排放带来了严重的生态负效应，交通建设引起的生态破坏已成为生态环境不断恶化的主要原因之一[8]。

绿色公路作为国家重点推动项目，其建设全生命周期都需要严格遵守绿色建设宗旨，其中作为国家绿色发展的生态重建工作更是绿色公路所需要重视的一点[9]。

1 绿色公路生态重建

随着国内绿色公路建设项目的增加，对于绿色公路全生命周期建设中绿色生态重建工程也必须引起足够重视，绿色公路的生态重建评定需要建立相关的评价体系来衡量，这也是证明整条绿色公路的绿色程度高低一项指标。

当前绿色公路设计理念已经广泛应用在城市道路的设计理念当中，其中张哲[10]在文中基于服务功能定位的一级公路结合城市道路旧路改造工程具有土地资源紧缺、废旧材料利用和地域文化鲜明等特点, 如何结合绿色公路设计理念, 在工程造价可控基础上按照规划走廊带布设线位并满足安全运行等要求是城市道路设计面临的重点问题进行了相关的说明。侯庆刚[11]等，在其文中说明了现阶段,国内各大城市公路建设阶段积极践行集约化、生态环保路线,将绿色公路理念整合至高速公路设计领域,对高速公路可持续发展过程有明显的促进作用。在概述绿色公路内涵的基础上,结合具体工程案例,较为详细地探究绿色公路理念在高速公路项目堤路共建、公铁伴行、资源节约等过程中的实践应用。兰旭[12]等说明了近年来,随着我国高速公路事业的迅猛发展, 高速公路与环境、能源、资源关系日趋紧张,生态环境、人文景观环境等受到较大的影响。在“十三五”期间,交通运输部大力推进绿色公路建设, 以实现生态、环保、景观、节能等目标,促进公路建设的可持续发展，他在文中主要结合了海南省五指山至保亭至海棠湾高速公路勘察设计经验,总结探讨了绿色公路理念在高速公路勘察设计中的应用,可为今后的绿色公路建设提供一定的借鉴意义。

可是，在当前的公路建设中，不可避免造成周遭生态的影响和破坏，而作为国家重点研究的绿色公路推广项目，更是需要对生态环境有着生态重建计划，这不仅仅是公路建设初期考虑的公路规划设计时期的绿色方法、绿色技术，而是为了公路建设后长远考虑的生态重建工作。

对于绿色公路生态重建预评价，有以下特点：(1)目前国内对于生态重建的相关研究本就较少，公路方面更是寥寥无几，相关资料查询困难;(2) 评价目的是为国家绿色公路建设长久规划考虑，对于目前在建绿色公路项目制定相应的绿色公路生态重建预评价，同时其对于构建绿色公路评价体系更是有着重要的辅助作用;(3) 为响应国家规划，依托绿色公路试点工程探索BIM建模在改扩建工程中的应用技术，提取数据作为评价的一项依据，为BIM建模技术在未来绿色公路建设做出贡献。

近年来生态重建方面国内学者也做过了部分研究，徐勇[13]等选择多种方法并用将生态重建模式定义为协调生态脆弱地区措施，较早的对生态重建进行了评价。向悟生等[14]通过AHP构建了示范区复合生态系统的评价，较清晰的对生态重建因子进行了评价。周怀峰等[15]通过灰色理论模型对矿区生态恢复投资进行了预测，解决了生态恢复预测影响因素过多的问题。柯海玲[16]等通过从生态重建角度出发，对所需土地进行了细致的提出分析评价，为以后生态重建和土地再利用提供有力依据。但由于我国绿色公路建设才刚刚起步，还没有提出针对对绿色公路生态重建的评价体系。

图1 拌合站土方堆料体积测量

图2 新建公路部分停车休息区面积提取

图3 选取固定位置高程示意

图4 建设桥面距离和高差

由此本文提出依靠BIM 协助的德尔菲法与层次分析法相结合的方式构建绿色公路生态重建预评价体系，进而通过模糊综合评价法来确定评价结果，为长远未来辅助绿色公路评价体系的完成做出贡献。

2 BIM 模型作为评价依据的应用

绿色公路建设依靠施工单位与BIM 模型建设单位相互合作，积极投入BIM工作的策划、沟通和协调。BIM建模团队对绿色公路建设需求进行分析，通过BIM 软件建设模型，模型交付后进入多专业协同应用，多专业数据整合。通过软件建模出的公路建设模型，向施工单位提供透明化的建设时期数据，可以成为绿色公路施工的重要数据来源。

通过航拍取景建模软件（Context Capture 三维实景建模软件等）的协助，聘请专业建模人员定期对项目施工场地进行拍摄实景，获取公路建设多时期的施工单位施工照片和公路沿线周遭情况照片，对于道路周遭环境特点问题上选择三维实景建模软构造周围环境实景，通过扫描、拍摄等手段可以获得周遭环境当时期的环境状况照片，将现实的照片转变为“电子模型”，这样可以满足施工过程中需要考虑的周遭影响需求。

BIM 建模软件可做到实现施工场地数据的提取以及施工场景的还原，模型具有足够的细节。同时，还具有精确的地理位置信息。这为后期的建设应用提供了足够的技术细节来满足施工的需求[17]。

3 绿色公路生态重建预评价体系构建

3.1 评价体系方法的选取

绿色公路建设所需生态重建预评价指标体系，基于BIM模型的计算机数据获取技术准确有效的提供绿色公路施工生态重建造成的部分结果，为专家评定分值提供有力数据，通过层次分析法和德尔菲法相结合的办法，这种相结合的方式使两种方法其克服了各自的缺点，综合运用发挥出了最佳的效果[18]。这种结合方式避免单独一种方法确定带来的误差，通过权重计算以保证两者结果相差在5%以内保证数据可信度，再通过取两者的平均值作为各个指标的最终权重。

3.2 绿色公路生态重建预评价指标及权重的确定

指标考虑绿色公路建设造成的生态影响进行划分。从土壤、植被、水生态、生物四个方面构建绿色公路生态重建预评价体系。

在评价体系的构建中，评价指标的权重确实是极为重要的，权重的确定包括主观权重确定和客观权重确定。由于评价绿色公路建设的生态重建，因其道路建设沿线长，部分指标不能完全量化，客观权重选取难度较大。通过德尔菲法与层次分析法相结合的办法，弥补互相不足之处完善评价体系。

最先通过德尔菲法咨询专家，目的是筛选确定指标体系内容。之后通过两种方法共同计算指标权重，第一轮咨询专家采用调查问卷方式，通过专家对指标打分程度筛选出绿色公路生态重建预评价体系的相关指标。

通过德尔菲法筛选出绿色公路生态重预评价体系后，构建结构模型：一级指标包括土壤、植被、水生态和生物因素；二级指标包括土地形态恢复多样性、占用地恢复等18 项指标。

确定指标体系后，先运用德尔菲法依次确定各级评价指标的权重，并通过专家给出的数值计算几何平均数，即专家分值相乘的平方根。各级指标层中各指标权重总和等于1。第二轮德尔菲法采用不单纯通过调查问卷及施工规划方式，更附带相应BIM模型及可操作数据提取方式文件，以保证专家不仅在文本上了解到施工公路建设情况，更可以通过实景模型了解多时期绿色公路建设施工单位的生态保护程度。

其次通过层次分析法确定各指标权重，由于9 标度法范围较大，故采用5 标度法对指标进行对比，建立比较判断矩阵A。

表1 绿色公路生态重建预评价指标体系

表2 5 标度

式 中 aij代 表 标 度， 并 且 aij=1/aji，aij取 值 为：1，2，3，4，5，1/2，1/3，1/4，1/5。

通过算数平均法计算权重

（1）将对矩阵A 的特征向量数值进行归一化处理得到矩阵B，矩阵的归一化公式为：

（2）为了避免其他因素对判定因子矩阵，降低结果会产生的较大误差，以保证判定矩阵排序的准确性以及可信度[19]，要对结果进行一致性检验。通过式（3）与（4）计算所得值验证判断矩阵的一致性。

（3）计算归一化的个列元素相加除以n 得到矩阵T，其公式为:

矩阵T=[t1，t2，…，tn]各个元素就是各指标权重。

最后保证两种方法得到权重差距小于5%的要求下，将第二轮德尔菲法权重和层次分析法计算权重相结合的方式确定生态重建的各级指标的权重，结果的几何平均数作为各指标的最终权重。

表3 指标权重

3.3 评价等级计算及划分标准

考虑绿色公路生态重建要素，由公路建设专家依据评价标准和对公路指标因素进行打分。通过模糊综合评价方法确定评价结论，打分依据考虑现场调研和BIM 信息模型相互照应原则，各个评价指标因素的等级划分为优秀、良好、合格、不及格四等，形成综合评价标准。

表4 综合评价标准集合表

3.3.1 建立评价因素集

评价对象的一级评价指标有m，第i 个一级评价指标有q个二级评价指标时：

3.3.3 确定权重及建立模糊矩阵

通过德尔菲法和层次分析法结合获得评价体系各指标权重T 后，构建隶属度矩阵对于项目D，得到各一级指标下的评价样本的矩阵：

土壤的模糊评价矩阵：

其他指标的隶属度矩阵指标同理。

3.3.4 模糊综合评判

根据二级评价指标的权重与隶属度值，可得到某一级评价指标的模糊评判结果，综合各一级评判指标的评判结果可得到二级模糊评判结果。

根据隶属度最大原则取E 的元素中最大值作为评价结果等级。

4 实例分析

本文以G331 国道丹东－阿勒泰公路黑龙江省大兴安岭地区呼玛至十八站段公路改扩建工程项目为实际案例进行验证，该项目为黑龙江省践行绿色公路建设理念，打造绿色公路典型示范工程。项目建设路线起点位于国道丹阿公路呼玛镇西南向8km 左右呼玛河大桥北侧桥头，经过重点生态保护地金山林场及文化传承乡镇白银纳乡到达十八站乡终点，路线全长154.9km。其中利用旧路扩建111.4km，新建道路43.5km。设计速度为60km/h 的二级公路,行车道宽度设定为3.5m，硬路肩宽度选用0.75m，土路肩宽度选用0.75m，路基全宽为10.0m，路面宽度8.5m，汽车荷载等级为公路Ⅰ级。

项目设计理念满足绿色公路建设，同时也考虑到绿色公路建设生态重建的重要性。

根据黑龙江省绿色公路建设特征，结合所构建的预评价指标体系向生态重建方面的5 个绿色生态重建科研机构发送主要公路建设文件及BIM实景建模模型和打分表，获取该公路的生态重建等级评分，获得各指标隶属度。

表5 隶属度表

综合得出四个指标层内的各指标层隶属度矩阵。

表6 各一级指标评价矩阵

对准则层中土壤指标做评价得到：

以此方法计算其他二级指标评价结果，根据计算得到的评价结果，得到一个新的一级指标矩阵：

再次通过模糊综合评价公式计算该公路目标层的绿色公路生态重建综合评价结果为:

根据最大隶属度原则max{E}=0.1337，最终得出该绿色公路建设生态重建预评价等级为:良好。

5 结论

当前，通过BIM 模型对城市公路的预评价，可以很好的确定绿色公路全生命周期的评价体系构建，因此建立适用于绿色公路的生态重建预评价体系，确定影响生态重建等级评定的因素为土壤、植被、水生态和生物。生态重建预评价体系的构建能够辅助完善绿色公路全生命周期的评价体系构建，通过BIM模型辅助专家评测结合层次分析法与模糊综合评价法对呼玛至十八站改扩建公路进行预评价，得到该改扩建工程绿色公路生态重建预评价等级为“良好”。

针对项目中BIM技术建模的多种特点进行数据获取，协助了绿色公路生态重建预测，进一步为BIM建模技术用于未来绿色公路建设规划精准可视化及通用化打下基础，希望未来在绿色公路全生命周期的评价体系构建中，BIM建模技术可以提供更准确的预评价。