基于BIM 模型的綠色公路生態重建預評價研究

石振武 呂坤城

（東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱150040）

當前，我國正處于工業化與城市化不斷快速發展的過程中，并且據相關研究數據來看，在未來的20 年里我國的GDP 會有飛速猛增態勢，但是也仍然會面臨資源短缺已經能源不足等一系列問題。面對如此壓力，我國政府已確立了以節能和提高能源和資源利用率為核心的發展戰略[1]。在各個建筑領域，推進建筑節能，發展綠色建筑，是實施我國能源資源發展戰略的重要手段。中國與發達國家相比,人均占有的能源量遠低于世界平均水平, 單位面積能耗和人均能源消費的總量是發達國家的3倍，能源消費總量已居世界第二，而且33%的資源利用效率僅相當于發達國家水平的50～60%，比發達國家落后20 多年[2]。據不完全統計, 建筑能耗已占社會總能耗的30%。在中國現階段,建筑行業是一個高能源消耗、高物質消費和高污染行業,影響中國城市的可持續發展,并進一步影響經濟的可持續發展。建筑節能迫在眉睫，應擺在社會發展的重要位置。

“美麗中國”概念在黨的十八屆五中全會上首次被納入五年計劃，并且交通運輸部辦公廳于2016 年7 月發布了《關于實施綠色公路建設的指導意見》，著重強調了綠色公路建設在我國的必要性，在指導意見中國家更是強調“深化BIM 技術在公路、水運領域應用”。“十四五”規劃更是在九個重要要點中強調了“堅持生態優先，持續推進綠色發展”。綠色公路建設的提出同時也是為了解決我國目前面臨的建設環境問題，以往公路建設導致的各類問題都會導致周遭生態破壞，傳統施工方式的沿用是生態破壞問題形成的主要原因，生態破壞問題的出現也會嚴重影響到人們正常的生產生活和身體健康[3]。

綠色公路建設是世界公路建筑業由黑色產業轉向綠色可持續發展產業的重要途徑。通過對研究綠色公路建設理論和技術的研究與實施，推動綠色公路在中國的發展，促進中國公路業的綠色可持續發展。本文參照綠色公路設計相關規范要求，提出利用計算機技術建立BIM公路建筑信息模型，對公路建筑空間幾何信息、公路建筑空間功能信息、公路建筑材料以及設備等各專業相關數據信息進行數據集成與一體化管理，為綠色公路設計相關計算與評估提供必要的分析依據; 利用三維數據信息可視化技術，在規劃方案分析與優化、節能數據分析、綠化環境、聲環境、雨水采集與利用等方面建立多角度的生態技術指標評估與輔助決策機制，實現合理利用土地、材料等有限資源，降低能源消耗，解決公路對城市與自然環境及氣候的影響，降低聲、光、風等各類污染，同時通過對生態環境指標的分析與評估，提出降低能耗與合理有效利用自然能源的解決方案[4]。

近年來我國公路建設發展迅速，給公路周邊帶來文化進步和經濟發展的同時，卻由于方案決策公路建設不穩定因素等原因，對周遭生態造成比較大的破壞。[5-6]生態重建(ecological restoration) 是自20 世紀80 年代以來生態學領域最活躍的關鍵行動之一，目前，由于國際社會和學界對地球生態與環境退化和健康的關注, 使生態重建受到極大的重視[7]。研究表明，公路項目在施工和運營過程中因大量能耗和污染物排放帶來了嚴重的生態負效應，交通建設引起的生態破壞已成為生態環境不斷惡化的主要原因之一[8]。

綠色公路作為國家重點推動項目，其建設全生命周期都需要嚴格遵守綠色建設宗旨，其中作為國家綠色發展的生態重建工作更是綠色公路所需要重視的一點[9]。

1 綠色公路生態重建

隨著國內綠色公路建設項目的增加，對于綠色公路全生命周期建設中綠色生態重建工程也必須引起足夠重視，綠色公路的生態重建評定需要建立相關的評價體系來衡量，這也是證明整條綠色公路的綠色程度高低一項指標。

當前綠色公路設計理念已經廣泛應用在城市道路的設計理念當中，其中張哲[10]在文中基于服務功能定位的一級公路結合城市道路舊路改造工程具有土地資源緊缺、廢舊材料利用和地域文化鮮明等特點, 如何結合綠色公路設計理念, 在工程造價可控基礎上按照規劃走廊帶布設線位并滿足安全運行等要求是城市道路設計面臨的重點問題進行了相關的說明。侯慶剛[11]等，在其文中說明了現階段,國內各大城市公路建設階段積極踐行集約化、生態環保路線,將綠色公路理念整合至高速公路設計領域,對高速公路可持續發展過程有明顯的促進作用。在概述綠色公路內涵的基礎上,結合具體工程案例,較為詳細地探究綠色公路理念在高速公路項目堤路共建、公鐵伴行、資源節約等過程中的實踐應用。蘭旭[12]等說明了近年來,隨著我國高速公路事業的迅猛發展, 高速公路與環境、能源、資源關系日趨緊張,生態環境、人文景觀環境等受到較大的影響。在“十三五”期間,交通運輸部大力推進綠色公路建設, 以實現生態、環保、景觀、節能等目標,促進公路建設的可持續發展，他在文中主要結合了海南省五指山至保亭至海棠灣高速公路勘察設計經驗,總結探討了綠色公路理念在高速公路勘察設計中的應用,可為今后的綠色公路建設提供一定的借鑒意義。

可是，在當前的公路建設中，不可避免造成周遭生態的影響和破壞，而作為國家重點研究的綠色公路推廣項目，更是需要對生態環境有著生態重建計劃，這不僅僅是公路建設初期考慮的公路規劃設計時期的綠色方法、綠色技術，而是為了公路建設后長遠考慮的生態重建工作。

對于綠色公路生態重建預評價，有以下特點：(1)目前國內對于生態重建的相關研究本就較少，公路方面更是寥寥無幾，相關資料查詢困難;(2) 評價目的是為國家綠色公路建設長久規劃考慮，對于目前在建綠色公路項目制定相應的綠色公路生態重建預評價，同時其對于構建綠色公路評價體系更是有著重要的輔助作用;(3) 為響應國家規劃，依托綠色公路試點工程探索BIM建模在改擴建工程中的應用技術，提取數據作為評價的一項依據，為BIM建模技術在未來綠色公路建設做出貢獻。

近年來生態重建方面國內學者也做過了部分研究，徐勇[13]等選擇多種方法并用將生態重建模式定義為協調生態脆弱地區措施，較早的對生態重建進行了評價。向悟生等[14]通過AHP構建了示范區復合生態系統的評價，較清晰的對生態重建因子進行了評價。周懷峰等[15]通過灰色理論模型對礦區生態恢復投資進行了預測，解決了生態恢復預測影響因素過多的問題。柯海玲[16]等通過從生態重建角度出發，對所需土地進行了細致的提出分析評價，為以后生態重建和土地再利用提供有力依據。但由于我國綠色公路建設才剛剛起步，還沒有提出針對對綠色公路生態重建的評價體系。

圖1 拌合站土方堆料體積測量

圖2 新建公路部分停車休息區面積提取

圖3 選取固定位置高程示意

圖4 建設橋面距離和高差

由此本文提出依靠BIM 協助的德爾菲法與層次分析法相結合的方式構建綠色公路生態重建預評價體系，進而通過模糊綜合評價法來確定評價結果，為長遠未來輔助綠色公路評價體系的完成做出貢獻。

2 BIM 模型作為評價依據的應用

綠色公路建設依靠施工單位與BIM 模型建設單位相互合作，積極投入BIM工作的策劃、溝通和協調。BIM建模團隊對綠色公路建設需求進行分析，通過BIM 軟件建設模型，模型交付后進入多專業協同應用，多專業數據整合。通過軟件建模出的公路建設模型，向施工單位提供透明化的建設時期數據，可以成為綠色公路施工的重要數據來源。

通過航拍取景建模軟件（Context Capture 三維實景建模軟件等）的協助，聘請專業建模人員定期對項目施工場地進行拍攝實景，獲取公路建設多時期的施工單位施工照片和公路沿線周遭情況照片，對于道路周遭環境特點問題上選擇三維實景建模軟構造周圍環境實景，通過掃描、拍攝等手段可以獲得周遭環境當時期的環境狀況照片，將現實的照片轉變為“電子模型”，這樣可以滿足施工過程中需要考慮的周遭影響需求。

BIM 建模軟件可做到實現施工場地數據的提取以及施工場景的還原，模型具有足夠的細節。同時，還具有精確的地理位置信息。這為后期的建設應用提供了足夠的技術細節來滿足施工的需求[17]。

3 綠色公路生態重建預評價體系構建

3.1 評價體系方法的選取

綠色公路建設所需生態重建預評價指標體系，基于BIM模型的計算機數據獲取技術準確有效的提供綠色公路施工生態重建造成的部分結果，為專家評定分值提供有力數據，通過層次分析法和德爾菲法相結合的辦法，這種相結合的方式使兩種方法其克服了各自的缺點，綜合運用發揮出了最佳的效果[18]。這種結合方式避免單獨一種方法確定帶來的誤差，通過權重計算以保證兩者結果相差在5%以內保證數據可信度，再通過取兩者的平均值作為各個指標的最終權重。

3.2 綠色公路生態重建預評價指標及權重的確定

指標考慮綠色公路建設造成的生態影響進行劃分。從土壤、植被、水生態、生物四個方面構建綠色公路生態重建預評價體系。

在評價體系的構建中，評價指標的權重確實是極為重要的，權重的確定包括主觀權重確定和客觀權重確定。由于評價綠色公路建設的生態重建，因其道路建設沿線長，部分指標不能完全量化，客觀權重選取難度較大。通過德爾菲法與層次分析法相結合的辦法，彌補互相不足之處完善評價體系。

最先通過德爾菲法咨詢專家，目的是篩選確定指標體系內容。之后通過兩種方法共同計算指標權重，第一輪咨詢專家采用調查問卷方式，通過專家對指標打分程度篩選出綠色公路生態重建預評價體系的相關指標。

通過德爾菲法篩選出綠色公路生態重預評價體系后，構建結構模型：一級指標包括土壤、植被、水生態和生物因素；二級指標包括土地形態恢復多樣性、占用地恢復等18 項指標。

確定指標體系后，先運用德爾菲法依次確定各級評價指標的權重，并通過專家給出的數值計算幾何平均數，即專家分值相乘的平方根。各級指標層中各指標權重總和等于1。第二輪德爾菲法采用不單純通過調查問卷及施工規劃方式，更附帶相應BIM模型及可操作數據提取方式文件，以保證專家不僅在文本上了解到施工公路建設情況，更可以通過實景模型了解多時期綠色公路建設施工單位的生態保護程度。

其次通過層次分析法確定各指標權重，由于9 標度法范圍較大，故采用5 標度法對指標進行對比，建立比較判斷矩陣A。

表1 綠色公路生態重建預評價指標體系

表2 5 標度

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

通過算數平均法計算權重

（1）將對矩陣A 的特征向量數值進行歸一化處理得到矩陣B，矩陣的歸一化公式為：

（2）為了避免其他因素對判定因子矩陣，降低結果會產生的較大誤差，以保證判定矩陣排序的準確性以及可信度[19]，要對結果進行一致性檢驗。通過式（3）與（4）計算所得值驗證判斷矩陣的一致性。

（3）計算歸一化的個列元素相加除以n 得到矩陣T，其公式為:

矩陣T=[t1，t2，…，tn]各個元素就是各指標權重。

最后保證兩種方法得到權重差距小于5%的要求下，將第二輪德爾菲法權重和層次分析法計算權重相結合的方式確定生態重建的各級指標的權重，結果的幾何平均數作為各指標的最終權重。

表3 指標權重

3.3 評價等級計算及劃分標準

考慮綠色公路生態重建要素，由公路建設專家依據評價標準和對公路指標因素進行打分。通過模糊綜合評價方法確定評價結論，打分依據考慮現場調研和BIM 信息模型相互照應原則，各個評價指標因素的等級劃分為優秀、良好、合格、不及格四等，形成綜合評價標準。

表4 綜合評價標準集合表

3.3.1 建立評價因素集

評價對象的一級評價指標有m，第i 個一級評價指標有q個二級評價指標時：

3.3.3 確定權重及建立模糊矩陣

通過德爾菲法和層次分析法結合獲得評價體系各指標權重T 后，構建隸屬度矩陣對于項目D，得到各一級指標下的評價樣本的矩陣：

土壤的模糊評價矩陣：

其他指標的隸屬度矩陣指標同理。

3.3.4 模糊綜合評判

根據二級評價指標的權重與隸屬度值，可得到某一級評價指標的模糊評判結果，綜合各一級評判指標的評判結果可得到二級模糊評判結果。

根據隸屬度最大原則取E 的元素中最大值作為評價結果等級。

4 實例分析

本文以G331 國道丹東－阿勒泰公路黑龍江省大興安嶺地區呼瑪至十八站段公路改擴建工程項目為實際案例進行驗證，該項目為黑龍江省踐行綠色公路建設理念，打造綠色公路典型示范工程。項目建設路線起點位于國道丹阿公路呼瑪鎮西南向8km 左右呼瑪河大橋北側橋頭，經過重點生態保護地金山林場及文化傳承鄉鎮白銀納鄉到達十八站鄉終點，路線全長154.9km。其中利用舊路擴建111.4km，新建道路43.5km。設計速度為60km/h 的二級公路,行車道寬度設定為3.5m，硬路肩寬度選用0.75m，土路肩寬度選用0.75m，路基全寬為10.0m，路面寬度8.5m，汽車荷載等級為公路Ⅰ級。

項目設計理念滿足綠色公路建設，同時也考慮到綠色公路建設生態重建的重要性。

根據黑龍江省綠色公路建設特征，結合所構建的預評價指標體系向生態重建方面的5 個綠色生態重建科研機構發送主要公路建設文件及BIM實景建模模型和打分表，獲取該公路的生態重建等級評分，獲得各指標隸屬度。

表5 隸屬度表

綜合得出四個指標層內的各指標層隸屬度矩陣。

表6 各一級指標評價矩陣

對準則層中土壤指標做評價得到：

以此方法計算其他二級指標評價結果，根據計算得到的評價結果，得到一個新的一級指標矩陣：

再次通過模糊綜合評價公式計算該公路目標層的綠色公路生態重建綜合評價結果為:

根據最大隸屬度原則max{E}=0.1337，最終得出該綠色公路建設生態重建預評價等級為:良好。

5 結論

當前，通過BIM 模型對城市公路的預評價，可以很好的確定綠色公路全生命周期的評價體系構建，因此建立適用于綠色公路的生態重建預評價體系，確定影響生態重建等級評定的因素為土壤、植被、水生態和生物。生態重建預評價體系的構建能夠輔助完善綠色公路全生命周期的評價體系構建，通過BIM模型輔助專家評測結合層次分析法與模糊綜合評價法對呼瑪至十八站改擴建公路進行預評價，得到該改擴建工程綠色公路生態重建預評價等級為“良好”。

針對項目中BIM技術建模的多種特點進行數據獲取，協助了綠色公路生態重建預測，進一步為BIM建模技術用于未來綠色公路建設規劃精準可視化及通用化打下基礎，希望未來在綠色公路全生命周期的評價體系構建中，BIM建模技術可以提供更準確的預評價。