CAD技術在道路平面交叉口豎向設計中的應用

收稿日期:2009207210 作者簡介:王貴杰(19792 ) , 男,碩士,講師,從事城市規(guī)劃設計研究. Email :wgj.lx 文章編號:167129352(2009)1120079204 CAD技術在道路平面交叉口豎向設計中的應用 王貴杰 1 ,王文德 2 ,姚德利 1 (1. 聊城大學建筑工程學院,山東 聊城252059; 2.聊城大學計算機學院,山東 聊城252059) 摘要:針對道路平面交叉口的豎向設計,總結分析了常規(guī)設計方法優(yōu)缺點,吸取并集成諸方法的優(yōu)點,并以這些方 法為基礎,應用計算機輔助設計(CAD)技術,完成方格網等高線施工圖的自動繪制,并通過三維網格表面模型及三 維全景動態(tài)透視效果圖進行設計效果的檢驗。CAD技術在道路平面交叉口豎向設計中的應用不僅保證了豎向設 計表面的平順度和行車的舒適性,而且明顯提高了設計的效率和質量。 關鍵詞:平面交叉口;豎向設計;CAD技術 中圖分類號:U412 文獻標志碼: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計是道路設計的重要組 成部分。隨著交通事業(yè)的迅速發(fā)展,現代汽車性能 結構的不斷改進,汽車對路面平整度質量的要求也 越來越高,從而對道路平面交叉口豎向設計也提出 了更高的要求。在交叉口形式確定后,如何進行交 叉口豎向設計,并把設計意圖用圖形快速、 準確地表 達出來,一直是設計人員在實際操作中的難題。 交叉口豎向設計的任務是通過調整交叉口范圍 各點的設計標高,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,使之相互協調而具有更 良好的空間感,以符合行車舒適、 排水迅速以及建筑 藝術3個方面的要求 1 。確定與周邊道路及建筑地 坪標高相協調的平順設計表面,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;使交叉口范圍內的地面水能迅速排除;使行車道 和人行道的各點標高能與建筑物的地面標高相協調 而具有良好的空間觀感。 常規(guī)的設計方法有方格網法、 設計等高線法、 圓 心法、 等分法等,它們的不足之處是:豎向設計表面 普遍存在折線現象,特別是在交叉口中心區(qū)域的表 面平順度較低,導致行車的舒適性受到較大影響 2 。 針對上述問題,結合CAD技術,采用高程函數曲線 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 學 報 (理 學 版) Journal of Shandong University(Natural Science) 2009年11月 Nov. 2009 別設置統(tǒng)一的豎曲線或拋物線,設計結果表面平順 度有較大改善,設計質量得到較明顯提高。 1 交叉口豎向設計常規(guī)方法 111 方格網法 方格網法是在交叉口范圍內以相交道路中心線 為坐標基線打方格網,求出方格網節(jié)點上的設計標 高,并根據各點上的設計標高勾繪出交叉口的設計 等高線。該方法適合于普通的小型交叉口;便于設 計、 計算和施工,其采用離散網格描述交叉口豎向表 面的方法具有十分重要的應用價值。 112 設計等高線法 設計等高線法是在交叉口的設計范圍內,選定 路脊線或由圓心法、 等分法確定的少量高程計算線, 算出路脊線和標高計算線上各點的設計標高,然后 根據經驗直接勾畫出設計等高線,并算出各點的施 工高度 3 。設計等高線法的優(yōu)點是可以清晰直觀地 反映出交叉口的設計地形,且能使設計、 檢驗與調整 一步完成,其直觀、 形象的設計效果非常明顯。 113 方格網設計等高線法 方格網法和設計等高線法的結合形成方格網設 計等高線法。比較以上2種方法可知,設計等高線 法比方格網法更能清晰地反映出交叉口豎向設計的 形狀,但等高線上的標高點在施工放樣時不如方格 網法方便,為此將以上2種方法結合使用,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緣石曲線 的圓心連接,連線交到緣石曲線上,即構成標高計算 線網。 115 等分法 等分法是將交叉口范圍內的路脊線與相應的緣 石曲線等分成相同的份數,依次連接這些等分點,即 形成以路脊線為分水線,經路脊線交點為控制標高 計算線網 4 。等分法與圓心法相比,其高程計算線 既近似地與右轉車道垂直,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 用方格網法,對瀝青路面宜采用設計等高線法,對于 大型的、 復雜的交叉口及廣場、 訓練場等的豎向設計 通常采用方格網設計等高線法 5 。交叉口范圍內除 標注路脊上各點的設計標高外,還應加密設計標高 點,才能更形象地反映出交叉口豎向設計的形態(tài)。 2 基于上述方法的平面交叉口豎向 設計CAD技術 將計算機CAD技術應用于道路工程設計中,可 以有效提高工作的效率、 計算的精準度以及道路設 計的自動化程度。目前計算機自動繪圖技術主要是 在AutoCAD及3DSMAX等軟件平臺基礎上,通過軟 件的二次開發(fā)及編譯接口數據文件得以實現。應用 于AutoCAD的自動繪圖技術主要有:腳本數據接口 文件(. SCR)、 圖形交換接口數據文件(. DXF)、Auto2 CAD VBA技 術、AutoCAD ActiveX Automation、Au2 toLISP、VisualLISP、ADS、ARX技術等 6 。 211 基本設計原理 在平面交叉口豎向設計中,針對常規(guī)方法存在 的不足,采用方格網法布置交叉口范圍內的高程計 算點,以利于設計圖紙的繪制與施工;然后根據路拱 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計高程曲線;以交叉 口中心位置為起點、 連接各網格點的射線構成高程 計算線;再根據相交道路縱坡的一致性情況,分別設 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,計算網格點處的設計高程;最后繪制等高 線設計圖及三維網格表面透視效果圖進行檢驗。 212 設計步驟 21211 方格網圖的繪制 (1)確定平面交叉口的分布范圍(大矩形) 方格網圖的繪制采用矩形網格模型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的相交路線 確定為平面交叉口的設計范圍,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 學 報 (理 學 版)第44卷 (2)對大矩形進行方格網劃分 根據設定的小矩形網格大小Dx(Dy) (一般為 5 m) ,將大矩形劃分為若干小矩形網格。大矩形尺 寸可根據Dx(Dy)進行調整(為整數倍 ) , 如圖2所示。 圖2 對大矩形進行方格網劃分 Fig.2 The divisions of GRS (3)根據平面交叉口豎向設計的幾種算法,依 據相交道路縱坡坡度方向是否一致的情況分別設置 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的高 程插值計算方法,得到計算線上網格點的設計高程, 計算出各方格網格點的高程。 (4)方格網圖的繪制 將已計算并存儲的方格網格點高程應用Auto2 CAD的自動繪圖技術,腳本數據接口文件(. SCR)、 圖形交換接口數據文件(. DXF)或其他CAD技術進 行圖形繪制,如圖3所示。 圖3 自動繪制的方格網圖 Fig.3 The grid graph by autodraft 21212 等高線圖的繪制程序 (1)建立數字高程模型(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。對所有網格循 環(huán):第i個網格開始 實施算法 第i個網格結束 網格循環(huán)結束。對網格的4個邊進行循環(huán),對含 有高程h的邊進行線性內差,得到高程為h的點的 坐標并存儲。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 設計計算結果 應用前述平面交叉口豎向設計方法計算,并結 合CAD自動繪圖技術,得到交叉口的平面設計圖 (圖 5) 、 交叉口豎向等高線圖(圖 6) 、 交叉口豎向網 格圖(圖 7) 、 交叉口三維表面模擬圖(圖 8) ?？梢钥?出該結果中消除了等分法等常規(guī)方法設計的豎向表 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技術在道路平面交叉口豎向設計中的應用81 度有較好的改善。 圖5 交叉口平面設計圖 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 綜上,道路平面交叉口豎向設計中,在確定了方 格網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)域設計表面的平順度。利用 CAD技術,能夠較容易地建立矩形網格DEM模型進 行設計圖形的繪制。隨著道路設計理念的不斷更新 與工程CAD技術的不斷發(fā)展,平面交叉口豎向設計 的質量、 設計的效果和設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 化設計技術。 參考文獻: 1沈建武,吳瑞麟.城市交通分析與道路設計M.武漢:武 漢大學出版社,2001. 2李玉華,李陸平.平面交口豎向設計高程計算的中心點 法J .武漢理工大學學報,2007(6) :95298. 3段成章.道路平面交叉口豎向設計基本方法