□ 陳孟柯,馬健霄,王羽塵,劉宇航,汪 亮

(1.南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.江蘇寧常鎮(zhèn)溧高速公路有限公司，江蘇 常州 213018)

隧道外側(cè)綠化景觀不僅具有美化隧道環(huán)境的作用，同時(shí)能夠有效引導(dǎo)駕駛?cè)说囊暰€，不同的景觀色彩及形式和交通安全聯(lián)系密切。現(xiàn)階段，隧道段的綠化景觀設(shè)計(jì)方案大多數(shù)停留在設(shè)計(jì)圖紙階段，設(shè)計(jì)方案往往側(cè)重藝術(shù)效果，缺乏對實(shí)際效果的檢驗(yàn)。對于綠化景觀設(shè)計(jì)的研究，化希耀提出了利用UDK引擎與SpeedTree相結(jié)合對園林景觀優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]，何鵬等人利用CINEMA 4D對園林效果設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索。綠化效果評估方面[2]，Li X、Weng H等人利用AHP法對城市道路綠化的美學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了綜合評價(jià)，并得到景觀顏色搭配是最重要的影響因素[3]?；诖?，本文提出了利用UC win/road對隧道入口段路側(cè)綠化設(shè)計(jì)方案建模仿真，探究綠化方案的實(shí)際效果，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)反饋。

1 隧道入口段路側(cè)綠化設(shè)計(jì)理論

高速公路隧道入口段綠化能夠美化道路環(huán)境、保持隧道邊坡水土，同時(shí)良好的隧道入口段綠化景觀能夠有效提高隧道視認(rèn)性。

1.1 隧道入口段路側(cè)綠化設(shè)計(jì)理念

高速公路隧道所處地形往往比較復(fù)雜、設(shè)計(jì)速度較快，需要隧道入口段路側(cè)綠化方案既能夠提醒駕駛?cè)俗⒁馇胺剿淼烙植荒荛L時(shí)間吸引駕駛?cè)说囊暰€。因此，高速公路隧道入口段路側(cè)綠化設(shè)計(jì)方案需要在景觀性與視認(rèn)性兩方面進(jìn)行均衡，基于此對隧道入口段路側(cè)綠化景觀設(shè)計(jì)提出以下理念：

①安全角度：隧道入口段路側(cè)綠化能夠?qū)M(jìn)入隧道的駕駛?cè)艘暰€進(jìn)行引導(dǎo)，同時(shí)入口段路側(cè)綠化能夠在低能見度天氣下對駕駛?cè)似鸬教崾咀饔?。一旦車輛沖出路外，隧道入口段路側(cè)綠化能夠?qū)囕v起緩沖作用，增加行車的安全性。

②景觀角度：隧道入口段路側(cè)綠化應(yīng)具有季節(jié)性變換，單調(diào)的隧道入口段路側(cè)綠化景觀在不同的季節(jié)中與隧道周邊植被的區(qū)別并不明顯。隧道入口段路側(cè)綠化景觀輪廓應(yīng)根據(jù)隧道段地形進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保景觀方案的工程可行性。

③養(yǎng)護(hù)角度：高速公路隧道獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及位置會增加隧道入口段路側(cè)景觀養(yǎng)護(hù)的難度，因此選取隧道入口段路側(cè)綠化植物時(shí)應(yīng)以不落葉植物為主、植物生長周期不宜太短，避免頻繁修剪。選取綠化植物時(shí)應(yīng)因地制宜[4]，盡量以當(dāng)?shù)刂参餅橹鳌?/p>

1.2 隧道入口段路側(cè)綠化方案設(shè)計(jì)原則

1.2.1 植物選擇

隧道入口段獨(dú)特的地形對隧道入口段路側(cè)綠化選擇有著獨(dú)特的要求，隧道入口段路側(cè)綠化高度過高時(shí)會阻擋駕駛?cè)艘暰€，因此隧道入口段不能選擇高大喬木。隧道入口段路側(cè)綠化植物應(yīng)以灌木為主，同時(shí)灌木應(yīng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在多種環(huán)境中可以正常生長。隧道入口段路側(cè)植物不宜選擇落葉植物，植物落葉會導(dǎo)致隧道路側(cè)景觀季節(jié)性變化較大影響隧道入口段視認(rèn)性。植物落葉一旦落入行車道內(nèi)，一方面會給車輛行駛造成安全風(fēng)險(xiǎn)，另一方面會增加養(yǎng)護(hù)的難度。

1.2.2 景觀顏色設(shè)計(jì)

高速公路路側(cè)不同景觀會給駕駛?cè)藥聿煌母惺?，良好的隧道入口段路?cè)景觀顏色搭配會舒緩駕駛?cè)说那榫w，降低駕駛員的疲勞有助于提高行車安全性。隧道入口段路側(cè)綠化植物應(yīng)選取顏色明亮的植物搭配種植，植物顏色可選擇紅色、橙色及黃色等。隧道入口段路側(cè)景觀顏色設(shè)計(jì)要考慮綠化植物顏色與隧道邊坡現(xiàn)有植被顏色之間的對比，充分發(fā)揮景觀顏色的作用。

1.2.3 路側(cè)綠化標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)

隧道入口段路側(cè)綠化進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到景觀的舒適度及行車安全，需要對綠化進(jìn)行分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)。景觀標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)是基于駕駛?cè)藢坝^的敏感度及觀賞視角的共同作用下，針對綠化方案提出的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念。標(biāo)準(zhǔn)段的設(shè)計(jì)要同時(shí)考慮人的視覺特性與高速公路設(shè)計(jì)速度，基于兩者的共同作用確定隧道入口段路側(cè)綠化標(biāo)準(zhǔn)段的長度。

表1 公路景觀敏感尺度表

張明浩[5]對高速公路不同速度下的景觀敏感尺度，見表1。

標(biāo)準(zhǔn)帶的設(shè)計(jì)應(yīng)突出大視覺景觀綠化，依靠多種植物的不同顏色，不同植株高度和形態(tài)特征等形成不同的植物組團(tuán)，再通過植物方案搭配，將植物組團(tuán)組合到標(biāo)準(zhǔn)段中，完成標(biāo)準(zhǔn)段的方案設(shè)計(jì)。

2 UC win/road對隧道綠化景觀的塑造方法

2.1 地形的塑造

地形是隧道建模不可缺少的部分，各種軟件進(jìn)行隧道建模的基礎(chǔ)均為構(gòu)建地形。UC win/road創(chuàng)建地形范圍、標(biāo)高及三角網(wǎng)大小，進(jìn)行地形塑造。該方法可以靈活地調(diào)整地形曲面，塑造空間尺度較小的地形時(shí)優(yōu)勢明顯。此外，對于空間尺度較大的地形進(jìn)行塑造時(shí)，可導(dǎo)入其他軟件創(chuàng)建的地形文件進(jìn)行調(diào)整，還原真實(shí)的地形。

2.2 天氣環(huán)境的塑造

氣候是建模中的重要因素，不同的環(huán)境對于景觀效果影響程度不同。建模時(shí)需要對模型內(nèi)的天氣環(huán)境進(jìn)行塑造。利用UC win/road中的天氣選項(xiàng)調(diào)節(jié)具體參數(shù)針對天空顏色、云朵、雨、雪、霧霾等天氣環(huán)境進(jìn)行塑造，有助于全面構(gòu)建模型。

2.3 植物的塑造

植物作為綠化景觀設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，無論是在設(shè)計(jì)時(shí)還是在建模仿真時(shí)都需要被重點(diǎn)關(guān)注。UC win/road中的植物素材庫包含了大量的植物素材，滿足基礎(chǔ)建模的需要，對于部分綠化方案中需要的特色植物，UC win/road可以通過導(dǎo)入外部樹種模型的方法對植物進(jìn)行塑造。按照設(shè)計(jì)方案中的植物冠幅、胸徑、株距等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過對植物的具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，能夠高精度的模擬綠化方案施工后的景觀效果。

2.4 UC win/road與其他軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

綠化景觀的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，需要利用多種軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。這意味著綠化景觀建模過程中需要對多種軟件進(jìn)行協(xié)同工作，UC win/road內(nèi)置多種軟件接口，能夠滿足多種軟件與UC win/road之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，為建模過程提供方便。例如，UC win/road可通過3DS文件的格式與3Dmax進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，與Civil 3D進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)可通過Civil 3D插件進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用及導(dǎo)出，UC win/road的軟件插口保證了建模過程的高效性和模型的真實(shí)性。

3 基于UC win/road的隧道綠化仿真分析

3.1 茅山隧道入口段路側(cè)綠化設(shè)計(jì)方案

本文以常合高速茅山隧道為例，根據(jù)上述理論對茅山隧道入口段路側(cè)綠化景觀進(jìn)行設(shè)計(jì)。茅山隧道入口段限速80km/h，依據(jù)路側(cè)綠化標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)原則，將茅山隧道入口段路側(cè)綠化標(biāo)準(zhǔn)段長度設(shè)為35m，滿足車速80km/h條件下的駕駛?cè)艘曈X特性要求結(jié)合茅山隧道入口段的特殊地形，隧道入口處的邊坡不宜種植喬木及落葉植物，因此選取灌木類植物作為標(biāo)準(zhǔn)段植物。結(jié)合相關(guān)高速公路綠化方案，本研究提出了茅山隧道入口段路側(cè)綠化標(biāo)準(zhǔn)帶設(shè)計(jì)方案，具體方案見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)方案

該方案根據(jù)植物的特殊顏色、形狀，對駕駛?cè)似鸬骄咀饔茫缃鹕?、紅葉石楠、鹿角柏、海桐、紅端木[6]等，同時(shí)依靠條帶狀綠化與叢植綠化呈團(tuán)塊狀融合種植，組成35m長的波浪狀曲線型標(biāo)準(zhǔn)帶。

該方案能夠通過植被鮮明的外觀形狀與色彩、植株的規(guī)則布局來引導(dǎo)駕駛員的視線，植物選取見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)帶植物

3.2 茅山隧道入口段路側(cè)綠化方案仿真

3.2.1 地形和隧道編輯

茅山隧道獨(dú)特的地形無法直接通過UC win/road的地形編輯功能完成地形的還原。為解決這個(gè)問題，通過UC win/road的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能導(dǎo)入Civil 3D編輯的茅山隧道三維數(shù)字地形曲面到模型中，并調(diào)整地形曲面表面貼圖完成對茅山隧道所處地形的還原。Civil 3D編輯的地形曲面最小高程27.0m，最大高程306.1m，三維曲面面積約9820.6萬m2。UC win/road導(dǎo)入茅山隧道地形曲面時(shí)，首先創(chuàng)建27m標(biāo)高，20km×20km范圍的項(xiàng)目，并根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)X:420000，Y:505000同步CAD圖紙。該方法能夠保證UC win/road創(chuàng)建的項(xiàng)目能夠完全容納地形文件。Civil 3D與UC win/road在模型的構(gòu)建過程中通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能對地形及隧道線型進(jìn)行編輯，如圖2所示。

(a) Civil 3D創(chuàng)建的茅山隧道地形曲面

(b) UC win/road中的茅山隧道地形圖2 茅山隧道地形

通過在UC win/road中對隧道斷面進(jìn)行編輯，能夠最大程度上還原隧道的實(shí)際情況。隧道建模較一般道路建模具有更大的挑戰(zhàn)性，茅山隧道入口段斷面形式復(fù)雜，隧道內(nèi)無緊急停車帶，隧道洞口挖方路基橫斷面與隧道橫斷面存在斷面差，見表3。

表3 橫斷面參數(shù)

隧道入口段建模時(shí)，為解決隧道入口段存在斷面差的問題，本文采用創(chuàng)建自定義道路斷面，根據(jù)道路中線的位置定義行車道及道路其他部分，并按照隧道斷面變化點(diǎn)調(diào)整隧道斷面的方法完成隧道入口段模型的精確塑造。

3.2.2 隧道附屬設(shè)施的配置

茅山隧道復(fù)雜的道路基礎(chǔ)設(shè)施對隧道建模提出了較高的要求，UC win/road素材庫中的基礎(chǔ)模型難以滿足高精度建模的要求，在建模過程中利用3Dmax對模型進(jìn)行編輯并將模型導(dǎo)入U(xiǎn)C win/road，依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置模型材質(zhì)及光源的方法塑造隧道附屬設(shè)施真實(shí)效果。以門架式交通標(biāo)志為例，在3Dmax中完成門架及交通標(biāo)志面板的編輯并將其導(dǎo)入U(xiǎn)C win/road中，通過UC win/road的模型編輯功能對門架的材質(zhì)、交通標(biāo)志版面進(jìn)行細(xì)致調(diào)整。門架和交通標(biāo)志采用實(shí)際材質(zhì)的圖片以35%的光滑度進(jìn)行貼圖處理，并結(jié)合標(biāo)志的大小設(shè)置貼圖大小。

根據(jù)交通標(biāo)志反光的特性，在UC win/road中設(shè)置標(biāo)志的照明效果。開啟標(biāo)志的夜間照明效果及車輛的遠(yuǎn)光燈模式，設(shè)置車輛遠(yuǎn)光燈最大照度400lx，光衰減常數(shù)100，標(biāo)志面板反射量2.0。通過以上參數(shù)的設(shè)置，夜間車輛遠(yuǎn)光燈照射交通標(biāo)志的反光效果與實(shí)際情況相差甚微，如圖3所示。

(a)門架式交通標(biāo)志效果

(b)夜間門架式交通標(biāo)志效果圖3 隧道附屬模型編輯

3.2.3 路側(cè)綠化景觀的塑造

隧道入口段路側(cè)綠化景觀的塑造是建模仿真的核心，對于隧道入口段路側(cè)綠化景觀的塑造，根據(jù)茅山隧道入口段路側(cè)綠化設(shè)計(jì)方案構(gòu)建隧道入口段路側(cè)綠化模型。建模過程中，根據(jù)綠化方案在UC win/road中選取相應(yīng)的二維樹木在隧道入口段進(jìn)行配置，保證路側(cè)綠化景觀的塑造效果能夠真實(shí)貼近綠化方案施工后實(shí)際效果。

3.3 茅山隧道入口段路側(cè)綠化方案分析

本文按照隧道入口段路側(cè)綠化設(shè)計(jì)原則對茅山隧道入口段路側(cè)綠化進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用UC win/road對隧道入口段路側(cè)綠化方案建模，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析入口段路側(cè)綠化方案效果。

(a)隧道入口段設(shè)計(jì)前景觀

(b)隧道入口段設(shè)計(jì)后景觀圖4 隧道入口段綠化景觀對比

選取設(shè)計(jì)前后的茅山隧道入口段三維模型進(jìn)行仿真，如圖4所示，使用Tobii Glass2眼動(dòng)儀、無線生理模塊及模擬駕駛儀采集10名實(shí)驗(yàn)對象的注視比例及駕駛過程中的心率進(jìn)行整理分析，如圖5、6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)對象注視比例

采用設(shè)計(jì)前隧道入口段模型開展模擬駕駛仿真時(shí)，駕駛?cè)说淖⒁暠壤€呈波浪線形狀變化。注視比例曲線集中在63%～64%，該趨勢表明駕駛?cè)笋{駛過程中對隧道入口段路側(cè)環(huán)境關(guān)注程度較高。采用設(shè)計(jì)后隧道入口段模型進(jìn)行模擬駕駛仿真時(shí)，駕駛?cè)说淖⒁暠壤€同樣呈波浪線形狀變化，注視比例集中在74%～76%，較設(shè)計(jì)前方案提高約12%。

駕駛過程中的心率變化能夠明顯表征綠化對駕駛?cè)诵睦淼挠绊慬7-8]，利用Origin對駕駛?cè)四M駕駛仿真過程中的心率分布統(tǒng)計(jì)顯示，駕駛?cè)说男穆手饕性?0bpm上下，屬于正常水平，如圖6-(a)所示。對比設(shè)計(jì)前后駕駛?cè)四M駕駛仿真過程的平均心率(AVHR)發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)瞬捎梅桨冈O(shè)計(jì)后模型開展模擬駕駛仿真時(shí)，平均心率較方案設(shè)計(jì)前有所降低，最大幅度18.60%，最小幅度6.49%，如圖6-(b)所示。

(a)駕駛?cè)诵穆史植?/p>

(b)駕駛?cè)似骄穆蕡D6 實(shí)驗(yàn)對象心率

仿真結(jié)果顯示，茅山隧道入口段路側(cè)綠化方案能夠有效提高駕駛?cè)说淖⒁暠壤⑹婢忨{駛?cè)说那榫w。隧道入口段路側(cè)景觀的藝術(shù)效果在隧道路側(cè)綠化設(shè)計(jì)后有較大提升，通過模擬隧道入口段路側(cè)綠化設(shè)計(jì)方案，對駕駛?cè)说囊暰€引導(dǎo)效果明顯。

4 結(jié)束語

從交通安全的角度實(shí)現(xiàn)了UC win/road在隧道綠化景觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，根據(jù)交通安全的要求提出了隧道入口段路側(cè)綠化景觀的設(shè)計(jì)理念。以茅山隧道為設(shè)計(jì)對象，進(jìn)行了隧道入口段綠化景觀方案設(shè)計(jì)并利用UC win/road對茅山隧道入口段路側(cè)綠化方案進(jìn)行建模仿真分析。通過實(shí)例，驗(yàn)證了UC win/road能夠直觀的評價(jià)景觀設(shè)計(jì)方案的實(shí)施效果，分析結(jié)果能夠直接反饋用于景觀設(shè)計(jì)過程。