CAD技術(shù)在道路平面交叉口豎向設(shè)計中的應(yīng)用

收稿日期:2009207210 作者簡介:王貴杰(19792 ) , 男,碩士,講師,從事城市規(guī)劃設(shè)計研究. Email :wgj.lx 文章編號:167129352(2009)1120079204 CAD技術(shù)在道路平面交叉口豎向設(shè)計中的應(yīng)用 王貴杰 1 ,王文德 2 ,姚德利 1 (1. 聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院,山東 聊城252059; 2.聊城大學(xué)計算機學(xué)院,山東 聊城252059) 摘要:針對道路平面交叉口的豎向設(shè)計,總結(jié)分析了常規(guī)設(shè)計方法優(yōu)缺點,吸取并集成諸方法的優(yōu)點,并以這些方 法為基礎(chǔ),應(yīng)用計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù),完成方格網(wǎng)等高線施工圖的自動繪制,并通過三維網(wǎng)格表面模型及三 維全景動態(tài)透視效果圖進行設(shè)計效果的檢驗。CAD技術(shù)在道路平面交叉口豎向設(shè)計中的應(yīng)用不僅保證了豎向設(shè) 計表面的平順度和行車的舒適性,而且明顯提高了設(shè)計的效率和質(zhì)量。 關(guān)鍵詞:平面交叉口;豎向設(shè)計;CAD技術(shù) 中圖分類號:U412 文獻標(biāo)志碼:A Study and application of CAD technology in grade crossing vertical design WANG Gui2jie 1 , WANGWen2de 2 , Y AO De2li 1 (1. School of Civil Engineering , Liaocheng University , Liaocheng 252059 , Shandong , China; 2. Department of Computer Science , Liaocheng University , Liaocheng 252059 , Shandong , China) Abstract: The advantages and disadvantages are analysed on the basis of the grade crossing vertical design. Based on these de2 sign methods and computer aided design(CAD)technology ,grid and contour line construction drawings are given by auto draft.De2 sign results could be checked by the three2dimensional Surface model basedon the grids data and the three2dimensional panoramic dynamic perspective picture. Finally , as certification , some road grade crossing engineering cases which are designed by these methods and CAD technology are presented. Key words: grade crossing; vertical design; CAD technology 0 引言 道路平面交叉口豎向設(shè)計是道路設(shè)計的重要組 成部分。隨著交通事業(yè)的迅速發(fā)展,現(xiàn)代汽車性能 結(jié)構(gòu)的不斷改進,汽車對路面平整度質(zhì)量的要求也 越來越高,從而對道路平面交叉口豎向設(shè)計也提出 了更高的要求。在交叉口形式確定后,如何進行交 叉口豎向設(shè)計,并把設(shè)計意圖用圖形快速、 準(zhǔn)確地表 達出來,一直是設(shè)計人員在實際操作中的難題。 交叉口豎向設(shè)計的任務(wù)是通過調(diào)整交叉口范圍 各點的設(shè)計標(biāo)高,合理確定相交道路之間及周圍建 筑物之間的共同曲面形狀,使之相互協(xié)調(diào)而具有更 良好的空間感,以符合行車舒適、 排水迅速以及建筑 藝術(shù)3個方面的要求 1 。確定與周邊道路及建筑地 坪標(biāo)高相協(xié)調(diào)的平順設(shè)計表面,且滿足行車舒適、 排 水通暢、 工程量小、 美觀等要求,使相交的道路在交 叉口內(nèi)能有一個平順的共同面,便利車輛和行人交 通;使交叉口范圍內(nèi)的地面水能迅速排除;使行車道 和人行道的各點標(biāo)高能與建筑物的地面標(biāo)高相協(xié)調(diào) 而具有良好的空間觀感。 常規(guī)的設(shè)計方法有方格網(wǎng)法、 設(shè)計等高線法、 圓 心法、 等分法等,它們的不足之處是:豎向設(shè)計表面 普遍存在折線現(xiàn)象,特別是在交叉口中心區(qū)域的表 面平順度較低,導(dǎo)致行車的舒適性受到較大影響 2 。 針對上述問題,結(jié)合CAD技術(shù),采用高程函數(shù)曲線 斜率連續(xù)的邊界線和通過交叉口中心呈輻射狀分布 的高程計算線,根據(jù)相交道路坡度的一致性情況分 第44卷 第11期 Vol.44 No.11 山 東 大 學(xué) 學(xué) 報 (理 學(xué) 版) Journal of Shandong University(Natural Science) 2009年11月 Nov. 2009 別設(shè)置統(tǒng)一的豎曲線或拋物線,設(shè)計結(jié)果表面平順 度有較大改善,設(shè)計質(zhì)量得到較明顯提高。 1 交叉口豎向設(shè)計常規(guī)方法 111 方格網(wǎng)法 方格網(wǎng)法是在交叉口范圍內(nèi)以相交道路中心線 為坐標(biāo)基線打方格網(wǎng),求出方格網(wǎng)節(jié)點上的設(shè)計標(biāo) 高,并根據(jù)各點上的設(shè)計標(biāo)高勾繪出交叉口的設(shè)計 等高線。該方法適合于普通的小型交叉口;便于設(shè) 計、 計算和施工,其采用離散網(wǎng)格描述交叉口豎向表 面的方法具有十分重要的應(yīng)用價值。 112 設(shè)計等高線法 設(shè)計等高線法是在交叉口的設(shè)計范圍內(nèi),選定 路脊線或由圓心法、 等分法確定的少量高程計算線, 算出路脊線和標(biāo)高計算線上各點的設(shè)計標(biāo)高,然后 根據(jù)經(jīng)驗直接勾畫出設(shè)計等高線,并算出各點的施 工高度 3 。設(shè)計等高線法的優(yōu)點是可以清晰直觀地 反映出交叉口的設(shè)計地形,且能使設(shè)計、 檢驗與調(diào)整 一步完成,其直觀、 形象的設(shè)計效果非常明顯。 113 方格網(wǎng)設(shè)計等高線法 方格網(wǎng)法和設(shè)計等高線法的結(jié)合形成方格網(wǎng)設(shè) 計等高線法。比較以上2種方法可知,設(shè)計等高線 法比方格網(wǎng)法更能清晰地反映出交叉口豎向設(shè)計的 形狀,但等高線上的標(biāo)高點在施工放樣時不如方格 網(wǎng)法方便,為此將以上2種方法結(jié)合使用,取長補 短,能直觀地反映出交叉口立面的形狀和滿足施工 方便放樣的要求。 114 圓心法 圓心法是將路脊線上的等分點與相應(yīng)緣石曲線 的圓心連接,連線交到緣石曲線上,即構(gòu)成標(biāo)高計算 線網(wǎng)。 115 等分法 等分法是將交叉口范圍內(nèi)的路脊線與相應(yīng)的緣 石曲線等分成相同的份數(shù),依次連接這些等分點,即 形成以路脊線為分水線,經(jīng)路脊線交點為控制標(biāo)高 計算線網(wǎng) 4 。等分法與圓心法相比,其高程計算線 既近似地與右轉(zhuǎn)車道垂直,也基本趨向于與直行車 道垂直,因此兼顧了2種車道的行車舒適性,因此比 圓心法更加合理,另外,等分法更適合于路緣石曲線 設(shè)置有緩和曲線的情況。 綜上所述,對于普通交叉口的混凝土路面宜采 用方格網(wǎng)法,對瀝青路面宜采用設(shè)計等高線法,對于 大型的、 復(fù)雜的交叉口及廣場、 訓(xùn)練場等的豎向設(shè)計 通常采用方格網(wǎng)設(shè)計等高線法 5 。交叉口范圍內(nèi)除 標(biāo)注路脊上各點的設(shè)計標(biāo)高外,還應(yīng)加密設(shè)計標(biāo)高 點,才能更形象地反映出交叉口豎向設(shè)計的形態(tài)。 2 基于上述方法的平面交叉口豎向 設(shè)計CAD技術(shù) 將計算機CAD技術(shù)應(yīng)用于道路工程設(shè)計中,可 以有效提高工作的效率、 計算的精準(zhǔn)度以及道路設(shè) 計的自動化程度。目前計算機自動繪圖技術(shù)主要是 在AutoCAD及3DSMAX等軟件平臺基礎(chǔ)上,通過軟 件的二次開發(fā)及編譯接口數(shù)據(jù)文件得以實現(xiàn)。應(yīng)用 于AutoCAD的自動繪圖技術(shù)主要有:腳本數(shù)據(jù)接口 文件(. SCR)、 圖形交換接口數(shù)據(jù)文件(. DXF)、Auto2 CAD VBA技 術(shù)、AutoCAD ActiveX Automation、Au2 toLISP、VisualLISP、ADS、ARX技術(shù)等 6 。 211 基本設(shè)計原理 在平面交叉口豎向設(shè)計中,針對常規(guī)方法存在 的不足,采用方格網(wǎng)法布置交叉口范圍內(nèi)的高程計 算點,以利于設(shè)計圖紙的繪制與施工;然后根據(jù)路拱 橫斷面的高程曲線,在滿足曲線斜率連續(xù)性的條件 下確定路緣石段邊界線上的設(shè)計高程曲線;以交叉 口中心位置為起點、 連接各網(wǎng)格點的射線構(gòu)成高程 計算線;再根據(jù)相交道路縱坡的一致性情況,分別設(shè) 置具有相同外矢距的豎曲線,或具有公共水平切面 的拋物線,計算網(wǎng)格點處的設(shè)計高程;最后繪制等高 線設(shè)計圖及三維網(wǎng)格表面透視效果圖進行檢驗。 212 設(shè)計步驟 21211 方格網(wǎng)圖的繪制 (1)確定平面交叉口的分布范圍(大矩形) 方格網(wǎng)圖的繪制采用矩形網(wǎng)格模型RSG(regu2 lar square grids) ,先將道路的平面交叉口從道路的整 體中提取出來,將包含曲線路緣石在內(nèi)的相交路線 確定為平面交叉口的設(shè)計范圍,如圖1所示。 圖1 確定平面交叉口的分布范圍 Fig.1 The distributions of intersection 80 山 東 大 學(xué) 學(xué) 報 (理 學(xué) 版)第44卷 (2)對大矩形進行方格網(wǎng)劃分 根據(jù)設(shè)定的小矩形網(wǎng)格大小Dx(Dy) (一般為 5 m) ,將大矩形劃分為若干小矩形網(wǎng)格。大矩形尺 寸可根據(jù)Dx(Dy)進行調(diào)整(為整數(shù)倍 ) , 如圖2所示。 圖2 對大矩形進行方格網(wǎng)劃分 Fig.2 The divisions of GRS (3)根據(jù)平面交叉口豎向設(shè)計的幾種算法,依 據(jù)相交道路縱坡坡度方向是否一致的情況分別設(shè)置 豎曲線線形與拋物線線形,確保交叉口中心及附近 區(qū)域設(shè)計表面的平順性。在交叉口中心位置處的高 程曲線線形確定后,采用豎曲線或拋物線相應(yīng)的高 程插值計算方法,得到計算線上網(wǎng)格點的設(shè)計高程, 計算出各方格網(wǎng)格點的高程。 (4)方格網(wǎng)圖的繪制 將已計算并存儲的方格網(wǎng)格點高程應(yīng)用Auto2 CAD的自動繪圖技術(shù),腳本數(shù)據(jù)接口文件(. SCR)、 圖形交換接口數(shù)據(jù)文件(. DXF)或其他CAD技術(shù)進 行圖形繪制,如圖3所示。 圖3 自動繪制的方格網(wǎng)圖 Fig.3 The grid graph by autodraft 21212 等高線圖的繪制程序 (1)建立數(shù)字高程模型(digital elevation model , DEM) 7并確定高程范圍 ;基于已有的矩形網(wǎng)格DEM 模型,確定高程范圍和等高距。 (2)繪制高程為h的等高線。對所有網(wǎng)格循 環(huán):第i個網(wǎng)格開始 實施算法 第i個網(wǎng)格結(jié)束 網(wǎng)格循環(huán)結(jié)束。對網(wǎng)格的4個邊進行循環(huán),對含 有高程h的邊進行線性內(nèi)差,得到高程為h的點的 坐標(biāo)并存儲。對不包含高程h的邊不操作。對得 到的高程為h的點連線,為高程為h的等高線的初 始線。對高程為h的等高線初始線定義成多義線, 并進行平滑處理,通過AutoCAD繪出,如圖4所示。 圖4 自動繪制的等高線圖 Fig.4 The design contour line graph by autodraft 3 工程應(yīng)用實例 311 原始資料 正交四支路交叉口:交叉口中心點A的設(shè)計高 程HA= 85109 m。主線道路半幅寬w1= 1815 m;路 脊線縱坡Iv1= 0162 % ,Iv2= 1132 % (向外 ) ; 橫坡 It1=It2=1150 %;中間帶寬610 m,機動車道寬715 m, 隔離帶寬110 m ,非機動車道寬410 m ,人行道寬 310 m ,緣石半徑2010 m。支線道路半幅寬w2= 16 m;路脊線縱坡Iv3= 1131 % ,Iv4= 1171 % (向外 ) ; 橫 坡It1=It2= 1150 %;無中間帶,機動車道寬715 m , 隔離帶寬115 m ,非機動車道寬410 m ,人行道寬310 m ,緣石半徑2010 m。 312 設(shè)計計算結(jié)果 應(yīng)用前述平面交叉口豎向設(shè)計方法計算,并結(jié) 合CAD自動繪圖技術(shù),得到交叉口的平面設(shè)計圖 (圖 5) 、 交叉口豎向等高線圖(圖 6) 、 交叉口豎向網(wǎng) 格圖(圖 7) 、 交叉口三維表面模擬圖(圖 8) 。可以看 出該結(jié)果中消除了等分法等常規(guī)方法設(shè)計的豎向表 面存在的折線,并在交叉口中心附近區(qū)域表面平順 第11期王貴杰,等:CAD技術(shù)在道路平面交叉口豎向設(shè)計中的應(yīng)用81 度有較好的改善。 圖5 交叉口平面設(shè)計圖 Fig.5 The plane design drawing of intersection 圖6 交叉口豎向等高線圖 Fig.6 The design contour line drawing of intersection 圖7 交叉口豎向網(wǎng)格圖 Fig.7 The design grid node elevation drawing of intersection 圖8 三維表面模擬圖CAD Fig.8 The three2dimensional surface model of intersection by AutoCAD 4 小結(jié) 綜上,道路平面交叉口豎向設(shè)計中,在確定了方 格網(wǎng)格點位置和算出格點高程后,采用通過交叉口 中心點呈輻射狀分布的射線作為高程計算線,在交 叉口中心點處設(shè)置統(tǒng)一豎曲線或拋物線,可以保證 交叉口中心及附近區(qū)域設(shè)計表面的平順度。利用 CAD技術(shù),能夠較容易地建立矩形網(wǎng)格DEM模型進 行設(shè)計圖形的繪制。隨著道路設(shè)計理念的不斷更新 與工程CAD技術(shù)的不斷發(fā)展,平面交叉口豎向設(shè)計 的質(zhì)量、 設(shè)計的效果和設(shè)計的效率將有待于更進一 步地提高和完善,并逐漸形成集成化、 自動化、 智能 化設(shè)計技術(shù)。 參考文獻: 1沈建武,吳瑞麟.城市交通分析與道路設(shè)計M.武漢:武 漢大學(xué)出版社,2001. 2李玉華,李陸平.平面交口豎向設(shè)計高程計算的中心點 法J .武漢理工大學(xué)學(xué)報,2007(6) :95298. 3段成章.道路平面交叉口豎向設(shè)計基本方法