0 引言

合理的施工交通組織方案設(shè)計，直接關(guān)系到公路改擴建或大中修養(yǎng)護施工項目影響區(qū)域內(nèi)，路網(wǎng)的交通運行狀態(tài)、施工作業(yè)區(qū)內(nèi)的交通通暢性和安全性以及項目施工的工期長度。微觀交通仿真技術(shù)是對交通組織設(shè)計方案進行驗證、比選和優(yōu)化的有效手段，但傳統(tǒng)微觀交通仿真技術(shù)因仿真結(jié)果可視化水平不高，在進行施工交通組織方案評審和報批時難以直觀形象的預演方案的實施效果。

BIM技術(shù)的優(yōu)越性體現(xiàn)在三維可視化、可模擬性和信息集成等多方面，可應(yīng)用于項目全生命周期的各個階段。在交通組織設(shè)計方面，BIM模型的可視化特點和軟件的漫游功能，已經(jīng)應(yīng)用于城市互通立交、地鐵、綜合管廊和航站機場施工中，通過施工場地和相關(guān)設(shè)施的BIM模型的綜合展示來輔助進行交通導改和交通疏解，但是這些案例應(yīng)用，基本都忽略了施工期間項目影響區(qū)內(nèi)的交通運行情況，動畫成果往往缺乏真實交通流數(shù)據(jù)的驅(qū)動（文獻1-4）。文獻5在快速路工程BIM技術(shù)應(yīng)用中使用交通仿真技術(shù)分析了城市道路交叉口的交通運行情況；文獻6將BIM三維建筑模型作為配景導入Vissim軟件中進行了地下停車場閘機進出設(shè)計方案的微觀交通仿真分析。但是目前，將BIM可視化特征與交通仿真定量化特征有機結(jié)合進行公路項目施工交通組織設(shè)計的應(yīng)用尚不多見。

本文利用BIM交通模擬技術(shù)，為公路改擴建和大中修養(yǎng)護施工的交通組織設(shè)計工作，探索一種能兼顧可視化效果展示和定量化指標分析的技術(shù)路線和一系列應(yīng)用點，通過預演設(shè)施的交通運行狀態(tài)，評價施工產(chǎn)生的交通影響，協(xié)助提出相應(yīng)的緩解措施，可有效的優(yōu)化設(shè)計并輔助決策。

1 BIM交通模擬技術(shù)

BIM交通模擬技術(shù)，融合了BIM三維可視化技術(shù)、GIS地理信息技術(shù)和微觀交通仿真技術(shù)的可視化和定量化特征，可實現(xiàn)道路精確化建模和路網(wǎng)批量建模，交通流仿真結(jié)果的可視化輸出，以及交通指標的定性定量分析，可用于預測設(shè)施的交通運行狀態(tài)、預演交通組織和管控方案的實施效果，并輔助方案比選和設(shè)計優(yōu)化。

BIM模型和交通仿真系統(tǒng)之間的信息傳遞流程（圖1）是BIM交通模擬技術(shù)的核心。完善的BIM交通模擬技術(shù)應(yīng)當基于微觀交通仿真理論在BIM模型環(huán)境中再現(xiàn)交通運行狀態(tài)，從而結(jié)合動畫和交通流指標對交通組織方案實現(xiàn)定性定量分析與展示。

圖1 BIM交通模擬技術(shù)信息傳遞過程

BIM模型包含道路的三維線形、橫斷面設(shè)計等幾何信息和道路等級、設(shè)計速度等非幾何信息，將這些信息全部或者部分傳遞給交通仿真系統(tǒng)，可以省去仿真建模中重復性的道路建模工作，從而提高工作效率。尤其是當項目影響區(qū)域涉及多條高速公路和諸多地方道路時，BIM結(jié)合GIS技術(shù)可實現(xiàn)BIM路網(wǎng)批量建模，進一步減輕仿真模型中的道路建模工作量。

交通仿真建模是實現(xiàn)交通組織方案定量化分析的關(guān)鍵，一般包含路網(wǎng)設(shè)置、人-車特性設(shè)置、需求設(shè)置、交通控制設(shè)置、分配規(guī)則設(shè)置、仿真規(guī)則設(shè)置和結(jié)果輸出設(shè)置等步驟。仿真規(guī)則是仿真模型的核心部分，該模塊在已知仿真基本條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)一定的發(fā)車規(guī)則、跟馳規(guī)則和換道規(guī)則，對分析時段內(nèi)的車輛狀態(tài)進行模擬計算。模型標定和有效性檢驗，是保證交通仿真模型可靠性的必要工作。

仿真運行產(chǎn)生的車輛軌跡數(shù)據(jù)，包含車輛標識、車輛類型、時間和位置等信息。車輛位置信息包括車輛的橫縱坐標和高程數(shù)據(jù)。當車輛位置信息與BIM道路模型坐標保持一致時，可實現(xiàn)車輛軌跡與BIM道路模型的精確匹配，從而在BIM模型里在準確交通數(shù)據(jù)驅(qū)動下再現(xiàn)交通運行狀態(tài)。

在施工交通組織設(shè)計中應(yīng)用BIM交通模擬技術(shù)的工作流程，如圖2所示。首先應(yīng)當根據(jù)目前的方案建立BIM交通導改模型和交通仿真模型，然后針對不同交通流量和交通組成進行交通模擬，完成模擬結(jié)果的可視化輸出和定性、定量分析，最終完成方案驗證、比選和優(yōu)化。

圖2 工作流程

2 技術(shù)實現(xiàn)方法

根據(jù)信息傳遞流程的不同，同時也是BIM建模、微觀仿真和動畫展示所使用軟件的不同，本文探索了BIM交通模擬技術(shù)的三種實現(xiàn)方法：BIM交通模擬一體化技術(shù)、單向BIM交通模擬技術(shù)以及BIM+Vissim組合技術(shù)。

2.1 BIM交通模擬一體化技術(shù)

本項技術(shù)使用的代表性軟件是Infraworks。該軟件是歐特克公司的交通基礎(chǔ)設(shè)施方案設(shè)計軟件，軟件的交通模擬模塊，利用BIM道路模型在云端服務(wù)器進行微觀交通仿真分析，并在本地模型中返回交通模擬動畫和車輛延誤、排隊長度等交通指標，返回的交通模擬動畫還可以配合Infraworks道路模型的漫游功能進行播放。

目前infraworks軟件受道路建模規(guī)則和車輛行駛規(guī)則的限制，實現(xiàn)公路改擴建項目中通過中央分隔帶開口進行左右幅交通轉(zhuǎn)換的BIM道路模型與微觀仿真道路模型之間的自動轉(zhuǎn)換較為困難，還需要在仿真面板中對仿真道路模型和匝道進出口控制規(guī)則進行適當調(diào)整。

2.2 單向BIM交通模擬技術(shù)

本項技術(shù)使用的代表性軟件是Infraworks。Infraworks的移動性模擬模塊可以將BIM道路模型通過軟件的云端功能生成仿真路網(wǎng)（圖3）返回本地并在本地運行仿真然后輸出結(jié)果，但不能像交通模擬模塊一樣返回車輛軌跡數(shù)據(jù)到BIM模型中產(chǎn)生效果較好的模擬動畫（圖4）。本技術(shù)在交通仿真系統(tǒng)建模方面提供了更大的自由度，同樣也節(jié)省了部分搭建路網(wǎng)的工作量。利用該項技術(shù)，可以實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多種交通模式共同分析，并能通過交通分配規(guī)則設(shè)置實現(xiàn)繞行方案中指定繞行路徑的選擇。

圖3 BIM道路模型（左圖）和對應(yīng)的交通仿真道路模型（右圖）

圖4 交通模擬（左圖）和移動模擬（右圖）的可視化效果對比

本技術(shù)建立的交通仿真模型，需要進行駕駛行為、車輛尺寸與加減速性能、仿真規(guī)則、交通控制和交通需求等方面的參數(shù)設(shè)置和模型校正，針對不同交通量、交通組成和交通控制方案運行交通仿真，可以輸出仿真動畫和Excel格式的數(shù)據(jù)文件。模擬結(jié)果包含交通流量、交通密度、車輛速度、行程時間、延遲、加速度、車輛間隙和車頭時距等宏觀和微觀交通流指標。

代表車輛性能的關(guān)鍵參數(shù)為車輛的加速度，移動性模擬模塊中車輛加速度是通過“發(fā)動機”來定義的，每一類“發(fā)動機”都對應(yīng)一個由坡度和行駛速度區(qū)間定義的二維加（減）速度矩陣，并支持發(fā)動機自定義功能。在公路項目中，可以按照額定載重汽車的加速度，對部分超載貨車的加速度進行折減，用以反應(yīng)貨車啟動和爬坡時的真實情況，有利于路口排隊長度、路段行程時間、服務(wù)水平和車均延誤指標的模擬計算。在交通控制和分配規(guī)則設(shè)置方面，移動性模擬技術(shù)利用交叉口控制實現(xiàn)分流、合流和避讓規(guī)則設(shè)置及信號周期設(shè)置；利用閘機控制實現(xiàn)收費站進出控制；利用車道控制和車速控制，實現(xiàn)分車道限行和分車型限速；利用車道選擇、路徑選擇等功能，實現(xiàn)繞行方案下基于OD需求的車流路網(wǎng)重分配。在公路項目中，仿真規(guī)則中的跟馳模型可采用Wiedemann模型。換道模型是軟件內(nèi)置的Commuter5模型。

2.3 BIM+Vissim組合技術(shù)

本項技術(shù)路線，將BIM三維建模和微觀交通仿真工作分別在不同的軟件中實現(xiàn)，然后在3D軟件中將BIM模型與仿真車輛軌跡相結(jié)合，完成數(shù)據(jù)驅(qū)動下的可視化效果展示。

在BIM軟件中進行道路建模，并導出為FBX格式的三維模型，F(xiàn)BX文件可以預先進行坐標偏移設(shè)置。

利用文獻7所述公路設(shè)計輔助軟件生成行車道中心線三維坐標，中心線坐標原點需要與FBX模型坐標原點保持一致。在德國PTV公司的Vissim軟件中，利用三維坐標數(shù)據(jù)進行仿真道路自動建模，并進一步完善微觀交通仿真模型，然后運行仿真并輸出車輛軌跡文件和路網(wǎng)文件。Vissim交通仿真模型同樣需要進行模型標定和有效性檢驗來確保仿真結(jié)果的可靠性。

經(jīng)過上述步驟后從Vissim中導出的車輛軌跡或路網(wǎng)坐標數(shù)據(jù)將與FBX模型的坐標保持一致，在3D軟件可實現(xiàn)二者坐標精準匹配，見圖5。利用腳本自動加載車輛，可進行下一步的動畫渲染和制作。（圖6）

圖5 道路三維模型疊加Vissim道路前（左圖）后（右圖）

圖6 主線半幅施工半幅通行的可視化效果展示

3 互通立交導改方案模擬分析

利用BIM交通模擬技術(shù)，可從以下三方面輔助互通立交施工導改方案設(shè)計。

3.1 整體導改方案展示與分析

利用BIM交通模擬一體化技術(shù)，根據(jù)相應(yīng)的交通量和交通組成，對互通立交改擴建不同時期的交通導改情況進行快速模擬展示和初步分析，結(jié)合仿真車輛運行動畫可以觀察互通匝道出入口的交織情況，初步分析交通組織方案的實施效果（圖7）。

圖7 某互通立交改擴建交通導改情況模擬展示

3.2 繞行方案交通影響分析

圖8表示某公路改擴建項目車輛繞行方案涉及的周邊路網(wǎng)，藍色線條表示高速公路，其樞紐互通立交需封閉匝道進行施工，繞行車輛經(jīng)附近收費站進出高速公路，在地方道路上行駛路線主要集中于紅色線條所示的地方主干道上。利用單向BIM交通模擬技術(shù)可以分析繞行流量疊加下受影響的高速公路收費站和城市主干道交叉口及路段的交通運行情況。

圖8 繞行方案涉及的周邊路網(wǎng)

該項目某時段繞行方案的模擬分析結(jié)果見表1和圖9。對于收費站，如果不發(fā)生車輛排隊長時間溢出至上游匝道和主線的情況，判定為繞行方案可行；對于地方道路，如果不發(fā)生路段交通擁堵、交叉口二次排隊等情況，判定為交通影響屬于可接受的范圍。當繞行方案不可接受時，可以建議調(diào)整繞行路線甚至施工組織計劃。

表1 繞行方案模擬輸出結(jié)果

圖9 收費站車輛排隊情況

3.3 主線導改方案比選

某互通立交主線段路基路面施工導改，沿主線下行方向，車輛由老路左幅兩車道經(jīng)中央分隔帶開口轉(zhuǎn)入老路右幅兩車道通行，同時原本連接老路左幅道路的互通立交B匝道和D匝道通過中央帶開口相繼匯入老路右幅車道。因此在主線下行方向數(shù)百米范圍內(nèi)存在多次交通流轉(zhuǎn)換，交通情況比較復雜。為減輕施工帶來的交通影響，現(xiàn)有兩組導改方案有待比選（圖10）：方案一，主線上游兩車道漸變?yōu)閱诬嚨?，B匝道匯入設(shè)置相應(yīng)的專用車道，與主線合流后下游D匝道直接匯入；方案二，在B匝道可通車的情況下主動封閉B匝道入口，主線保持兩車道經(jīng)分隔帶開口由老路左幅轉(zhuǎn)向右幅通行，下游D匝道直接匯入主線。各方案均依據(jù)《公路養(yǎng)護安全作業(yè)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定進行交通導改設(shè)置。

圖10 主線導改方案1和方案2

通過BIM+Vissim組合技術(shù)可以定量化且直觀形象的對不同導改方案的實施效果進行對比分析。因為本案例B、D匝道和主線下行方向流量較低（分別為111、52、268輛每小時），經(jīng)模擬分析發(fā)現(xiàn)（見表2），方案一和方案二主線通行情況差異不大，而方案二在B匝道可通車的情況下主動封閉B匝道，并不是必需的選擇。

表2 主線導改方案模擬結(jié)果

4 總結(jié)

本文探索了BIM交通模擬技術(shù)的三種實現(xiàn)途徑，并在互通立交施工交通組織設(shè)計中進行了初步應(yīng)用，切實提升了交通組織方案的可視化效果，且兼顧了公路項目對地方道路的交通影響，同時打通了BIM數(shù)字化模型與精細化微觀交通仿真模型之間的數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)了可視化與定量化的有機結(jié)合。

在公路改擴建或大中修項目中應(yīng)用BIM交通模擬技術(shù)輔助施工交通組織設(shè)計，有助于設(shè)計方案的驗證、比選和優(yōu)化，有助于確保施工順利、如期、高質(zhì)量完成，有助于減輕施工對項目主體、區(qū)域路網(wǎng)產(chǎn)生的影響。

同時應(yīng)當注意，infraworks的各項云分析功能需要將BIM模型提交到云端服務(wù)器，因此工作過程中應(yīng)防止涉密信息外泄。