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道路平面線形設計方法介紹

新聞時間:2018-07-19 文章來源: 文章作者:ztcjjt
道路平面設計是復雜而又系統(tǒng)的,隨著城市化進程的加快發(fā)展以及機動化水平的提高,道路的交通構(gòu)成發(fā)生了巨大變化,同時人們對精神生活的要求也越來越高,對道路也有了更高的人性化要求。面對這些挑戰(zhàn),道路設計工作者們需要與時俱進不斷思考,設計出更適合于行車曲線的平面線形。 
中國論文網(wǎng) /8/view-6742443.htm
  關(guān)鍵詞:平面線形設計 直線型 曲線型 設計方法 特點 
  公路是自然界中的人工構(gòu)造物,其位置確定不僅受地形、地質(zhì)、生態(tài)等建設條件的影響,而且修建以后又反作用于自然,對自然的地形、生態(tài)等會造成或多或少的破壞,同時路線位置還會對運行安全產(chǎn)生長期深遠的影響。公路線形設計是公路設計的核心,最終決定了公路的空間位置和反饋于駕駛員的視覺形態(tài)。線形質(zhì)量的好壞,直接影響公路運營的安全、經(jīng)濟、舒適、快捷功能的發(fā)揮。 
  1 直線型設計 
  1.1直線型設計原理及方法 
  工程技術(shù)人員根據(jù)道路的等級、路線走向、控制條件和技術(shù)要求,首先在實地或圖上采用一系列連續(xù)的導線來控制公路的走向和基本位置,然后在路線的轉(zhuǎn)彎處,為適應行車和地形的要求,采用不同的曲線或曲線組合來完成導線折線處的合理過渡,從而形成整個路線的平面線形。即所謂的直線型設計方法。直線用以控制路線的走向和方位,在路線布置和設計過程中起主導作用。直線型設計方法通常有紙上定線和實地定線兩種。 
  在我國公路建設早期,由于技術(shù)和現(xiàn)實條件等原因,不可能采用高水平的線形指標。因此,直線型設計得到了廣泛的應用和推廣。為我國公路建設的發(fā)展起到了很大的推動作用。 
  1.2直線型設計的特點 
  傳統(tǒng)道路線形即為直線回旋線圓曲線的硬性組合。簡單的運用直線與大半徑圓曲線相結(jié)合,沒有與地形地物條件相協(xié)調(diào)。以直線為主體、先定導線后定曲線,布線過程中導向線控制了路線走向,圓曲線、緩和曲線是直線的配角,線形單調(diào),線形的均衡性和連續(xù)性較差。 
  隨著科學技術(shù)的進步,傳統(tǒng)的直線型設計方法已難以滿足高等級公路平面線形設計的要求。近年來,曲線型設計方法日益被人們接受、采用。公路平面線型是由直線、圓曲線、緩和曲線構(gòu)成,它們是公路平面線型的基本要素,我們稱之為平面線型的單元。一條復雜多變的公路平面線型是由若干個單元首尾相連而成的,一旦各個單元確定,平面線形就隨之而定。因此,只要對各個單元進行選擇、組合和計算就可以了。 
  2 曲線型設計 
  主要有曲直法、積木法、擬合法、綜合法、弦切線法、閉合導線法、端點受限法等 
  2.1曲直法 
  曲直法設計的步驟:(1)根據(jù)路線走向、地形與地物約束條件和技術(shù)要求,在地形圖上徒手繪制若干段直線和圓弧,控制路線的總體線位,形成線形基本骨架;(2)根據(jù)直線與圓弧、圓弧與圓弧間的相對位置關(guān)系,利用圖解法或解析法配置合適的緩和曲線,確定參數(shù)A值并考察各種線形元素之間的協(xié)調(diào)性和均衡性;(3)判斷曲線組合類型,按照曲線組合類型采用“緩和曲線+圓曲線”即“LS + LY ”線形組合形式輸入數(shù)據(jù),進行平面線形(曲線)的計算、敷設和調(diào)整。 
  曲直法既保留了傳統(tǒng)直線型設計方法的基本特征,用直線控制路線的走向和總體方位,有采取了曲線控制具體線位,利用直曲組合形成線形的骨架并合理配置相應的緩和曲線。這一方法與直線型設計方法相比較,計算簡便靈活、直觀,實際運用過程中具有明顯的優(yōu)越性。 
  2.2積木法 
  又稱作線元設計法,是將組合復雜的道路平面線形“化整為零”分解成若干個線形單元,在已知道路線形起點信息(如坐標、切線或法線方向、曲率半徑等)的基礎上,從起點處開始設置任一單元(可沿任何方向延伸),并據(jù)此推算出該單元的終點信息(如坐標、法線方位角或曲率半徑等)的方法。之后,再將此終點信息作為下一單元的起點信息加以利用,如此逐個單元往下推算,如同搭積木一樣,將各單元首尾連接,構(gòu)成一條連續(xù)完整的平面線形。 
  總之,積木法是一種比較典型的曲線設計方法,它完全摒棄了導線和交點,以構(gòu)成公路平面線形的基本曲線單元(直線元、圓曲線元、緩和曲線元),將復雜多變的平面線型組合分解成逐個單元進行計算。具有如下特點: 
  1)曲線組合自由、靈活、多變,不受傳統(tǒng)設計方法中線型組合形式的限制,常能直接表達設計人員的意圖。 
  2)計算方法簡捷、方便、明確,便于應用計算機進行輔助設計和計算。 
  3)積木法較適用于初步設計階段和施工圖設計 階段的平面線型設計,最適應于旋工放線測量計算,尤其是對互通匝道計算特別方便。 
  4)積木法最大缺點是平面線型中某一線元發(fā)生變化,將導致整條路線的位置都要發(fā)生變化,曲線需重新計算,因而不便于線型的修改。 
  2.3擬合法 
  所謂“曲線擬合”,簡單講,就是如何將給定的一組數(shù)據(jù)(型值點)用一條光滑曲線連接起來的問題。根據(jù)擬合曲線對型值點接近程度的不同,擬合問題可分為“插值”和“逼近”兩種類型。如果要求擬合曲線通過各型值點,則稱為曲線“插值”;如果只要求擬合曲線以某種程度接近各型值點,則稱為“逼近”。 
  常用的擬合曲線有:圓弧樣條曲線、三次B樣條曲線、局部坐標下三次樣條曲線、三次參數(shù)樣條曲線。 
  工程實踐中所使用的擬合曲線,除應具有幾何不變性質(zhì)外,一般還需具有下列品質(zhì):①光滑性:一般要求擬合曲線至少具有二階連續(xù)性; ②凹凸性:根據(jù)型值點確定的曲線要素,應保持型值點所具有的凹凸狀態(tài); ③精確性:由擬合構(gòu)造出的曲線要通過或比較近地逼近所給定的型值點。 
  2.4綜合法 
  綜合法是將擬合法和積木法的優(yōu)點加以綜合應用,揚長避短,實現(xiàn)由擬合線形向傳統(tǒng)線形轉(zhuǎn)化的一種曲線型設計方法。其基本思路是:先對路線布設過程中確定的控制點進行樣條曲線擬合設計,生成一條滿足約束條件的光滑曲線,并沿路線前進方向求出一定間隔點處的曲率,生成擬合曲線的曲率圖;由人工或計算機對擬合曲線曲率圖進行“規(guī)則化”處理,得到與公路平面線形組合模式相一致的曲率圖,據(jù)此推算出對應曲線單元的設計參數(shù)值;最后利用積木法進行曲線計算與敷設,繪制出公路平面線位圖。   綜合法將曲線擬合與線元設計有機結(jié)合起來,具有靈活、方便、易于控制的特點;這種設計方法的核心是兩種曲線曲率圖之間的轉(zhuǎn)換;三次B樣條擬合函數(shù)是逼近函數(shù)而不是插值函數(shù),若要求生成的擬合曲線嚴格通過控制點或經(jīng)濟點,最好對輸入的控制點作一些技巧上的處理或采用三次樣條擬合;另外, 曲線敷設和計算也可以采用前述積木法中的直線、緩和曲線、圓曲線單元進行;應用這種方法,曲線的擬合過程可用于路線或匝道的方案布線,而在此基礎上進行的“Ls+Ly”線元計算過程又能很好地應用于路線施工圖設計和施工放樣,因此,對于公路路線設計而言,綜合法具有較好的應用價值。 
  2.5弦切線法 
  對于路線平面線形而言,其基本構(gòu)成單元無外乎是圓曲線(直線)和緩和曲線。一段圓曲線的終點,可認為事其弦長(弧長)在相應的方向上的延伸所構(gòu)成的:一段緩和曲線的終點,課認為是由其方向和距離所構(gòu)成的。因此,在一段路線的起、終點坐標和切線方向固定的情況下,便能容易的求出坐標增量、方位增量的計算式,進而得出各曲線參數(shù)。設計人員只需在地形圖上根據(jù)線形技術(shù)標準要求、地形和地物及環(huán)境約束情況,確定構(gòu)成路線或匝道線形單元的弦線、半徑等,并計算切線長度,確定曲線單元位置。這種當導線確定后,如何取舍放坡點,形成路線導線和交點,并使導線長度滿足相應技術(shù)要求的方法即為弦切線法。 
  特點:弦切線法采用一系列的直線構(gòu)筑路線的具體走向和方位, 總體上給人以直觀明了的印象,設計人員操作簡單方便;各種曲線類型已知參數(shù)值(如曲率半徑等)可以在地形圖上初步擬定;終點或中間點的控制條件會影響到整條路線的幾何布置,;整條路線線位合理與否,關(guān)鍵取決于各弦線長度、位置及各弦線之間的相互關(guān)系,而這些在線形布置和曲線敷設之前都帶有一定的盲目性。 
  2.6閉合導線法 
  在公路平面設計時,常常會遇到一些特殊的設計問題,如一些立交匝道、道路中間帶、居民區(qū)道路線形設計,需采用曲線的復雜組合連接兩條主線。針對上述情況,可將兩條主線、匝道當成一個封閉的線路分析。根據(jù)閉合導線邊長及角度之間的內(nèi)在幾何關(guān)系,設計出組合復雜的平面線形,即為閉合導線法。 
  閉合導線法具有通用性、簡潔性及易于程序操作計算的特點,容易被技術(shù)人員接受,而成為公路工程及測量工作的一種有用的工具;閉合導線法盡管借助導線來進行計算,但就其路線幾何布置方式和計算方法而言,仍然是工程師們在圖紙上直接擬定圓弧參數(shù)及其組合形式,因而是一種典型的曲線型的設計方法;由于閉合導線法不適用于帶緩和曲線的平面曲線組合,因此,這種方法僅能作為公路平面線形設計的一種輔助方法加以運用。 
  2.7端點受限法 
  顧名思義,端點受限是指組合形式已知的某段平面線形的起、終點的位置坐標(x,y)、方位角 和曲率半徑R給定或受到限制。端點受限法完全擺脫了導線模式和繁雜的幾何推導,其數(shù)學模型簡潔、精確、統(tǒng)一和通用;同時解決了線形參數(shù)自動求解計算和線形自動定位計算這兩類主要設計計算問題,便于應用和交互式圖形CAD軟件開發(fā),而不必關(guān)心所設計線形的組合形式的復雜性,從而提高了設計的自動化水平。 
  3 其他曲線型設計方法 
  主要有BP神經(jīng)網(wǎng)絡法、CBR法和圓弧移動法。這三種方法目前應用較少,筆者也不甚了解,只做初步的特點說明。 
  3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡法 
  BP神經(jīng)網(wǎng)絡能很好地逼近和模擬線位約束條件與線形參數(shù)之間的依存關(guān)系,由輸出結(jié)果所得到的線形可很好地逼近所給的控制點位。因此,BP神經(jīng)網(wǎng)絡方法是一種用于平面布線的快速、有效的輔助方法。當然,應用這種方法的前提和關(guān)鍵是選取合適的樣本集來訓練BP網(wǎng)絡。 
  3.2 CBR法 
  CBR方法體現(xiàn)了人工智能原理和方法,將別人的設計經(jīng)驗以樣本集或事例庫的形式保存下來,以便于指導相似的設計,減少甚至避免人工多次試探和調(diào)整,從而提高設計的自動化和智能水平。 
  3.3 圓弧移動法 
  圓弧移動方法作為曲線型設計方法的有效輔助手段,易于在交互式圖形CAD軟件系統(tǒng)中實現(xiàn),充分發(fā)揮交互式圖形設計功能,以輔助各種曲線型設計方法的應用,減少設計中的盲目性,從而提高設計效率。 
  4 結(jié)束語 
  采用不同類型的平面線形設計方法進行公路選線、設計,都要處理好線形與地形、環(huán)境及行車要求的關(guān)系。應根據(jù)直線基本型和曲線型(曲直法、擬合法、積木法、綜合法、弦切線法、閉合導線法、端點受限法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡法、CBR法、圓弧移動法)等不同線型設計方法的特點合理采用不同方法,提高道路平面線形設計的質(zhì)量。本文分析了道路平面設計方法的原理及特點,這些方法的提出,為設計人員在選線過程中合理協(xié)調(diào)各種影響因素、解決設計主要矛盾提供了有益的參考。 
  參考文獻: 
  [1]吳國雄.公路平面線形曲線型設計方法[M].北京:人民交通出版社,1999.11. 
  [2]楊軼.山區(qū)公路平面線形設計方法綜述[J].山西建筑,2009,35(13):255-256. 
  [3]宋清峻.淺析公路線形設計方案選擇[J].工程科技,2011,11,245. 
  [4]焦銀禾.公路平面線形設計[J].現(xiàn)代公路,2008,10(34):85.

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