基于BIM技術的隧道照明實時動態(tài)模擬研究

吳川湖 林晉鏗 劉熾強

(廣東星層建筑科技股份有限公司，廣州 510220)

引言

隨著我國全面推進交通運輸現(xiàn)代化，交通基礎設施產(chǎn)業(yè)獲得了巨大發(fā)展，高速公路里程逐年增加，智慧交通成為交通發(fā)展的新趨勢[1]。隧道作為高速公路中一種兩端開口、中間封閉的特殊路段，內部行車環(huán)境單調乏味，空間封閉性強，普遍存在隧道內部光線單一的問題，加之隧道內外光照強度相差大，容易引發(fā)視覺盲區(qū)，影響行車安全[2]。而BIM建筑信息模型作為一種三維的數(shù)據(jù)模型[3]，可以將模型與隧道燈光信息關聯(lián)，實時動態(tài)模擬光照變化，并結合虛擬駕駛技術，真實還原駕駛過程，根據(jù)模擬結果，可以提出針對性的整改意見，極大地提高了隧道照明設計效率。

1 隧道交通事故分析

根據(jù)隧道內光照不同，TG/TD70/2-01-2014《公路隧道照明設計細則》規(guī)定隧道內設置照明時可劃分為4個路段，即入口段、過渡段、中間段和出口段，如圖1所示。

圖1 隧道區(qū)段劃分

根據(jù)文獻[4]統(tǒng)計結果，如表1，不同區(qū)段交通事故所占比例相差較大，交通事故在隧道洞口附近發(fā)生的可能性最大，很大部分原因來源于隧道的光照環(huán)境。由于隧道內外光線差大，使得駕駛員在進出隧道時容易產(chǎn)生視覺黑洞效應，形成視覺盲區(qū)，導致駕駛員無法看清路況，增加事故發(fā)生幾率[5]。

表1 不同區(qū)段隧道事故對比表

2 傳統(tǒng)隧道燈光設計

圖2 燈光模擬流程圖

隧道作為封閉路段，其照明相比于傳統(tǒng)道路照明存在很大不同。駕駛者在進入隧道時，在內外光照環(huán)境的具體差異，會產(chǎn)生一系列人眼視覺上的問題[6]。然而目前傳統(tǒng)的隧道照明設計仍然停留在依靠理論和經(jīng)驗值層面，無法身臨其境、直觀地了解到現(xiàn)場的情況，存在表現(xiàn)力以及交互性均欠佳的問題，難以真正反映實際的情況。無法根據(jù)隧道內外光的強度、車流量和車速等參數(shù)來合理動態(tài)調整照明色溫和亮度，容易造成駕駛疲勞，誘發(fā)交通事故的發(fā)生[7]。

3 BIM技術在公路隧道照明設計中的應用

3.1 BIM技術及隧道燈光模擬流程

BIM技術以三維數(shù)字技術為基礎，通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫，是工程項目實體和功能特性的數(shù)字化表達，借助這個包含建筑工程信息的三維模型，設計團隊、施工單位、設施運營部門和業(yè)主等各方人員可以基于BIM進行協(xié)同工作[8]，有效提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

隧道照明實時動態(tài)模擬是以BIM技術為基礎，將前期收集整理的隧道燈光設計信息與已經(jīng)建立好的BIM模型進行關聯(lián)，然后通過專業(yè)軟件實現(xiàn)燈光與控制系統(tǒng)聯(lián)動，從而使用戶可以在軟件UI界面進行燈光參數(shù)調整，將燈光信息調整到設計狀態(tài)后，利用數(shù)字沙盤中的虛擬駕駛功能，以駕駛員的視角在隧道模型中行駛，感受真實的隧道環(huán)境，對發(fā)現(xiàn)的光照問題及時動態(tài)調整，優(yōu)化設計方案。

3.2 隧道燈光實時動態(tài)模擬

通過基于BIM的隧道燈光模擬，根據(jù)不同時段的太陽方位和光照強度、天氣情況、現(xiàn)場環(huán)境因素等，構建出不同的虛擬現(xiàn)場環(huán)境，同時，結合BIM數(shù)字參數(shù)化特點，通過實現(xiàn)對隧道照明點對點控制，點擊單個或多個場景燈具，實現(xiàn)批量化控制，并按照原設計照明燈具的發(fā)光效率、色溫等1： 1布置隧道光源[9]，從而實現(xiàn)隧道不同區(qū)段照明實時動態(tài)模擬，還原真實的隧道光照環(huán)境，提前發(fā)現(xiàn)隧道光照盲點，及時修改照明設計，縮短設計周期。

3.3 結合虛擬沙盤及駕駛，模擬駕駛環(huán)境

圖4 虛擬沙盤搭建流程圖

圖5 藍圖節(jié)點程序

相比傳統(tǒng)的建筑燈光照明，服務對象為移動汽車的隧道，還需考慮燈光照明對駕駛員的動態(tài)影響。依靠二維平面理論和傳統(tǒng)經(jīng)驗的設計方法無法驗證真實的駕駛感受。通過BIM數(shù)字技術，將前期已經(jīng)建好的模型導入3DS max軟件中，為模型添加新的材質通道，并將模型整合附加，減少原有模型元素信息。在完成模型優(yōu)化后，采用Unreal Engine 4游戲引擎軟件，制作數(shù)字沙盤。通過為模型添加真實的物理參數(shù)，如路面的摩擦系數(shù)、重力、真實光照等信息，模擬真實環(huán)境，同時結合藍圖可視化編程方案，為數(shù)字沙盤添加汽車行駛控制程序，模擬汽車駕駛。

通過虛擬沙盤，可以將隧道內各個系統(tǒng)展示出來，借助光線追蹤技術，模擬真實物理光照，通過虛擬駕駛，在已經(jīng)搭建好的隧道場景中行駛，實現(xiàn)游戲般的駕駛漫游，體驗駕駛視角。借助虛擬沙盤的實時動態(tài)光線追蹤技術，可以在隧道口附近，感受真實的光照效果，對可能存在的諸如眩光、黑洞、黑框效應等影響駕駛安全的隱患因素[10]，做到提早發(fā)現(xiàn)、提早優(yōu)化，提高公路隧道段的行車安全。

圖6 虛擬駕駛

3.4 工程實例應用情況

本研究以廣州市某明挖下沉式高速公路隧道為工程實例，在前期隧道燈光設計過程中，業(yè)主及設計人員無法直觀地了解設計狀態(tài)的燈光效果與現(xiàn)場實際燈光效果差別，很難對燈光設計提出有效的完善手段，往往在施工階段根據(jù)現(xiàn)場實際情況反復修改燈光位置及型號等，嚴重影響工作效率。

通過引入基于BIM的隧道照明實時動態(tài)模擬技術，將隧道內所有照明設施通過虛幻引擎平臺轉化為可編輯的藍圖模組，并根據(jù)設計圖紙位置，正確放置燈光模組，并結合UMG系統(tǒng)，關聯(lián)燈光藍圖模組變量，使業(yè)主及設計人員可以通過UI界面直接實時調節(jié)燈光強度、顏色、角度等參數(shù)，真實模擬隧道內的光照環(huán)境，很好地解決了前期設計過程中效果不直觀的問題，設計的效率得到較大的提升。同時，借助VR虛擬頭盔等硬件設備并結合沙盤虛擬駕駛技術，使項目建設人員身臨其境地提前體驗仿真的隧道駕駛環(huán)境和光照效果，對可能存在的安全隱患點及時進行反饋并修改，為項目建設帶來了很大的便利，也說明了基于BIM技術的隧道照明實時動態(tài)模擬可以為隧道的設計提供新的理論支撐。

4 結語

綜上所述，傳統(tǒng)的隧道照明二維設計技術無法滿足當代隧道建設要求，將BIM 技術理念加入到隧道燈光設計中，并結合專業(yè)軟件，參數(shù)化實時動態(tài)控制隧道照明，通過虛擬沙盤、光線追蹤等技術，真實模擬駕駛狀態(tài)，提前了解隧道光照對駕駛舒適性的影響，提前發(fā)現(xiàn)影響行車安全的危險點，對危險點設計進行調整優(yōu)化，最大程度地發(fā)揮BIM技術優(yōu)勢，避免可能存在的設計和建設風險問題。目前我國BIM技術在隧道照明設計中的應用仍處于不斷完善與發(fā)展階段，其相關輔助技術有待進一步的提升。文章旨在通過對隧道照明BIM技術應用的研究，為BIM技術應用的完善與改進提供參考，以期促進我國公路隧道領域的優(yōu)化發(fā)展。