基于BIM技术的隧道照明实时动态模拟研究

吴川湖 林晋铿 刘炽强

(广东星层建筑科技股份有限公司，广州 510220)

引言

随着我国全面推进交通运输现代化，交通基础设施产业获得了巨大发展，高速公路里程逐年增加，智慧交通成为交通发展的新趋势[1]。隧道作为高速公路中一种两端开口、中间封闭的特殊路段，内部行车环境单调乏味，空间封闭性强，普遍存在隧道内部光线单一的问题，加之隧道内外光照强度相差大，容易引发视觉盲区，影响行车安全[2]。而BIM建筑信息模型作为一种三维的数据模型[3]，可以将模型与隧道灯光信息关联，实时动态模拟光照变化，并结合虚拟驾驶技术，真实还原驾驶过程，根据模拟结果，可以提出针对性的整改意见，极大地提高了隧道照明设计效率。

1 隧道交通事故分析

根据隧道内光照不同，TG/TD70/2-01-2014《公路隧道照明设计细则》规定隧道内设置照明时可划分为4个路段，即入口段、过渡段、中间段和出口段，如图1所示。

图1 隧道区段划分

根据文献[4]统计结果，如表1，不同区段交通事故所占比例相差较大，交通事故在隧道洞口附近发生的可能性最大，很大部分原因来源于隧道的光照环境。由于隧道内外光线差大，使得驾驶员在进出隧道时容易产生视觉黑洞效应，形成视觉盲区，导致驾驶员无法看清路况，增加事故发生几率[5]。

表1 不同区段隧道事故对比表

2 传统隧道灯光设计

图2 灯光模拟流程图

隧道作为封闭路段，其照明相比于传统道路照明存在很大不同。驾驶者在进入隧道时，在内外光照环境的具体差异，会产生一系列人眼视觉上的问题[6]。然而目前传统的隧道照明设计仍然停留在依靠理论和经验值层面，无法身临其境、直观地了解到现场的情况，存在表现力以及交互性均欠佳的问题，难以真正反映实际的情况。无法根据隧道内外光的强度、车流量和车速等参数来合理动态调整照明色温和亮度，容易造成驾驶疲劳，诱发交通事故的发生[7]。

3 BIM技术在公路隧道照明设计中的应用

3.1 BIM技术及隧道灯光模拟流程

BIM技术以三维数字技术为基础，通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库，是工程项目实体和功能特性的数字化表达，借助这个包含建筑工程信息的三维模型，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作[8]，有效提高工作效率、节省资源、降低成本，以实现可持续发展。

隧道照明实时动态模拟是以BIM技术为基础，将前期收集整理的隧道灯光设计信息与已经建立好的BIM模型进行关联，然后通过专业软件实现灯光与控制系统联动，从而使用户可以在软件UI界面进行灯光参数调整，将灯光信息调整到设计状态后，利用数字沙盘中的虚拟驾驶功能，以驾驶员的视角在隧道模型中行驶，感受真实的隧道环境，对发现的光照问题及时动态调整，优化设计方案。

3.2 隧道灯光实时动态模拟

通过基于BIM的隧道灯光模拟，根据不同时段的太阳方位和光照强度、天气情况、现场环境因素等，构建出不同的虚拟现场环境，同时，结合BIM数字参数化特点，通过实现对隧道照明点对点控制，点击单个或多个场景灯具，实现批量化控制，并按照原设计照明灯具的发光效率、色温等1： 1布置隧道光源[9]，从而实现隧道不同区段照明实时动态模拟，还原真实的隧道光照环境，提前发现隧道光照盲点，及时修改照明设计，缩短设计周期。

3.3 结合虚拟沙盘及驾驶，模拟驾驶环境

图4 虚拟沙盘搭建流程图

图5 蓝图节点程序

相比传统的建筑灯光照明，服务对象为移动汽车的隧道，还需考虑灯光照明对驾驶员的动态影响。依靠二维平面理论和传统经验的设计方法无法验证真实的驾驶感受。通过BIM数字技术，将前期已经建好的模型导入3DS max软件中，为模型添加新的材质通道，并将模型整合附加，减少原有模型元素信息。在完成模型优化后，采用Unreal Engine 4游戏引擎软件，制作数字沙盘。通过为模型添加真实的物理参数，如路面的摩擦系数、重力、真实光照等信息，模拟真实环境，同时结合蓝图可视化编程方案，为数字沙盘添加汽车行驶控制程序，模拟汽车驾驶。

通过虚拟沙盘，可以将隧道内各个系统展示出来，借助光线追踪技术，模拟真实物理光照，通过虚拟驾驶，在已经搭建好的隧道场景中行驶，实现游戏般的驾驶漫游，体验驾驶视角。借助虚拟沙盘的实时动态光线追踪技术，可以在隧道口附近，感受真实的光照效果，对可能存在的诸如眩光、黑洞、黑框效应等影响驾驶安全的隐患因素[10]，做到提早发现、提早优化，提高公路隧道段的行车安全。

图6 虚拟驾驶

3.4 工程实例应用情况

本研究以广州市某明挖下沉式高速公路隧道为工程实例，在前期隧道灯光设计过程中，业主及设计人员无法直观地了解设计状态的灯光效果与现场实际灯光效果差别，很难对灯光设计提出有效的完善手段，往往在施工阶段根据现场实际情况反复修改灯光位置及型号等，严重影响工作效率。

通过引入基于BIM的隧道照明实时动态模拟技术，将隧道内所有照明设施通过虚幻引擎平台转化为可编辑的蓝图模组，并根据设计图纸位置，正确放置灯光模组，并结合UMG系统，关联灯光蓝图模组变量，使业主及设计人员可以通过UI界面直接实时调节灯光强度、颜色、角度等参数，真实模拟隧道内的光照环境，很好地解决了前期设计过程中效果不直观的问题，设计的效率得到较大的提升。同时，借助VR虚拟头盔等硬件设备并结合沙盘虚拟驾驶技术，使项目建设人员身临其境地提前体验仿真的隧道驾驶环境和光照效果，对可能存在的安全隐患点及时进行反馈并修改，为项目建设带来了很大的便利，也说明了基于BIM技术的隧道照明实时动态模拟可以为隧道的设计提供新的理论支撑。

4 结语

综上所述，传统的隧道照明二维设计技术无法满足当代隧道建设要求，将BIM 技术理念加入到隧道灯光设计中，并结合专业软件，参数化实时动态控制隧道照明，通过虚拟沙盘、光线追踪等技术，真实模拟驾驶状态，提前了解隧道光照对驾驶舒适性的影响，提前发现影响行车安全的危险点，对危险点设计进行调整优化，最大程度地发挥BIM技术优势，避免可能存在的设计和建设风险问题。目前我国BIM技术在隧道照明设计中的应用仍处于不断完善与发展阶段，其相关辅助技术有待进一步的提升。文章旨在通过对隧道照明BIM技术应用的研究，为BIM技术应用的完善与改进提供参考，以期促进我国公路隧道领域的优化发展。