CAD技术在道路平面交叉口竖向设计中的应用

收稿日期:2009207210 作者简介:王贵杰(19792 ) , 男,硕士,讲师,从事城市规划设计研究. Email :wgj.lx 文章编号:167129352(2009)1120079204 CAD技术在道路平面交叉口竖向设计中的应用 王贵杰 1 ,王文德 2 ,姚德利 1 (1. 聊城大学建筑工程学院,山东 聊城252059; 2.聊城大学计算机学院,山东 聊城252059) 摘要:针对道路平面交叉口的竖向设计,总结分析了常规设计方法优缺点,吸取并集成诸方法的优点,并以这些方 法为基础,应用计算机辅助设计(CAD)技术,完成方格网等高线施工图的自动绘制,并通过三维网格表面模型及三 维全景动态透视效果图进行设计效果的检验。CAD技术在道路平面交叉口竖向设计中的应用不仅保证了竖向设 计表面的平顺度和行车的舒适性,而且明显提高了设计的效率和质量。 关键词:平面交叉口;竖向设计;CAD技术 中图分类号:U412 文献标志码: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 道路平面交叉口竖向设计是道路设计的重要组 成部分。随着交通事业的迅速发展,现代汽车性能 结构的不断改进,汽车对路面平整度质量的要求也 越来越高,从而对道路平面交叉口竖向设计也提出 了更高的要求。在交叉口形式确定后,如何进行交 叉口竖向设计,并把设计意图用图形快速、 准确地表 达出来,一直是设计人员在实际操作中的难题。 交叉口竖向设计的任务是通过调整交叉口范围 各点的设计标高,合理确定相交道路之间及周围建 筑物之间的共同曲面形状,使之相互协调而具有更 良好的空间感,以符合行车舒适、 排水迅速以及建筑 艺术3个方面的要求 1 。确定与周边道路及建筑地 坪标高相协调的平顺设计表面,且满足行车舒适、 排 水通畅、 工程量小、 美观等要求,使相交的道路在交 叉口内能有一个平顺的共同面,便利车辆和行人交 通;使交叉口范围内的地面水能迅速排除;使行车道 和人行道的各点标高能与建筑物的地面标高相协调 而具有良好的空间观感。 常规的设计方法有方格网法、 设计等高线法、 圆 心法、 等分法等,它们的不足之处是:竖向设计表面 普遍存在折线现象,特别是在交叉口中心区域的表 面平顺度较低,导致行车的舒适性受到较大影响 2 。 针对上述问题,结合CAD技术,采用高程函数曲线 斜率连续的边界线和通过交叉口中心呈辐射状分布 的高程计算线,根据相交道路坡度的一致性情况分 第44卷 第11期 Vol.44 No.11 山 东 大 学 学 报 (理 学 版) Journal of Shandong University(Natural Science) 2009年11月 Nov. 2009 别设置统一的竖曲线或抛物线,设计结果表面平顺 度有较大改善,设计质量得到较明显提高。 1 交叉口竖向设计常规方法 111 方格网法 方格网法是在交叉口范围内以相交道路中心线 为坐标基线打方格网,求出方格网节点上的设计标 高,并根据各点上的设计标高勾绘出交叉口的设计 等高线。该方法适合于普通的小型交叉口;便于设 计、 计算和施工,其采用离散网格描述交叉口竖向表 面的方法具有十分重要的应用价值。 112 设计等高线法 设计等高线法是在交叉口的设计范围内,选定 路脊线或由圆心法、 等分法确定的少量高程计算线, 算出路脊线和标高计算线上各点的设计标高,然后 根据经验直接勾画出设计等高线,并算出各点的施 工高度 3 。设计等高线法的优点是可以清晰直观地 反映出交叉口的设计地形,且能使设计、 检验与调整 一步完成,其直观、 形象的设计效果非常明显。 113 方格网设计等高线法 方格网法和设计等高线法的结合形成方格网设 计等高线法。比较以上2种方法可知,设计等高线 法比方格网法更能清晰地反映出交叉口竖向设计的 形状,但等高线上的标高点在施工放样时不如方格 网法方便,为此将以上2种方法结合使用,取长补 短,能直观地反映出交叉口立面的形状和满足施工 方便放样的要求。 114 圆心法 圆心法是将路脊线上的等分点与相应缘石曲线 的圆心连接,连线交到缘石曲线上,即构成标高计算 线网。 115 等分法 等分法是将交叉口范围内的路脊线与相应的缘 石曲线等分成相同的份数,依次连接这些等分点,即 形成以路脊线为分水线,经路脊线交点为控制标高 计算线网 4 。等分法与圆心法相比,其高程计算线 既近似地与右转车道垂直,也基本趋向于与直行车 道垂直,因此兼顾了2种车道的行车舒适性,因此比 圆心法更加合理,另外,等分法更适合于路缘石曲线 设置有缓和曲线的情况。 综上所述,对于普通交叉口的混凝土路面宜采 用方格网法,对沥青路面宜采用设计等高线法,对于 大型的、 复杂的交叉口及广场、 训练场等的竖向设计 通常采用方格网设计等高线法 5 。交叉口范围内除 标注路脊上各点的设计标高外,还应加密设计标高 点,才能更形象地反映出交叉口竖向设计的形态。 2 基于上述方法的平面交叉口竖向 设计CAD技术 将计算机CAD技术应用于道路工程设计中,可 以有效提高工作的效率、 计算的精准度以及道路设 计的自动化程度。目前计算机自动绘图技术主要是 在AutoCAD及3DSMAX等软件平台基础上,通过软 件的二次开发及编译接口数据文件得以实现。应用 于AutoCAD的自动绘图技术主要有:脚本数据接口 文件(. SCR)、 图形交换接口数据文件(. DXF)、Auto2 CAD VBA技 术、AutoCAD ActiveX Automation、Au2 toLISP、VisualLISP、ADS、ARX技术等 6 。 211 基本设计原理 在平面交叉口竖向设计中,针对常规方法存在 的不足,采用方格网法布置交叉口范围内的高程计 算点,以利于设计图纸的绘制与施工;然后根据路拱 横断面的高程曲线,在满足曲线斜率连续性的条件 下确定路缘石段边界线上的设计高程曲线;以交叉 口中心位置为起点、 连接各网格点的射线构成高程 计算线;再根据相交道路纵坡的一致性情况,分别设 置具有相同外矢距的竖曲线,或具有公共水平切面 的抛物线,计算网格点处的设计高程;最后绘制等高 线设计图及三维网格表面透视效果图进行检验。 212 设计步骤 21211 方格网图的绘制 (1)确定平面交叉口的分布范围(大矩形) 方格网图的绘制采用矩形网格模型RSG(regu2 lar square grids) ,先将道路的平面交叉口从道路的整 体中提取出来,将包含曲线路缘石在内的相交路线 确定为平面交叉口的设计范围,如图1所示。 图1 确定平面交叉口的分布范围 Fig.1 The distributions of intersection 80 山 东 大 学 学 报 (理 学 版)第44卷 (2)对大矩形进行方格网划分 根据设定的小矩形网格大小Dx(Dy) (一般为 5 m) ,将大矩形划分为若干小矩形网格。大矩形尺 寸可根据Dx(Dy)进行调整(为整数倍 ) , 如图2所示。 图2 对大矩形进行方格网划分 Fig.2 The divisions of GRS (3)根据平面交叉口竖向设计的几种算法,依 据相交道路纵坡坡度方向是否一致的情况分别设置 竖曲线线形与抛物线线形,确保交叉口中心及附近 区域设计表面的平顺性。在交叉口中心位置处的高 程曲线线形确定后,采用竖曲线或抛物线相应的高 程插值计算方法,得到计算线上网格点的设计高程, 计算出各方格网格点的高程。 (4)方格网图的绘制 将已计算并存储的方格网格点高程应用Auto2 CAD的自动绘图技术,脚本数据接口文件(. SCR)、 图形交换接口数据文件(. DXF)或其他CAD技术进 行图形绘制,如图3所示。 图3 自动绘制的方格网图 Fig.3 The grid graph by autodraft 21212 等高线图的绘制程序 (1)建立数字高程模型(digital elevation model , DEM) 7并确定高程范围 ;基于已有的矩形网格DEM 模型,确定高程范围和等高距。 (2)绘制高程为h的等高线。对所有网格循 环:第i个网格开始 实施算法 第i个网格结束 网格循环结束。对网格的4个边进行循环,对含 有高程h的边进行线性内差,得到高程为h的点的 坐标并存储。对不包含高程h的边不操作。对得 到的高程为h的点连线,为高程为h的等高线的初 始线。对高程为h的等高线初始线定义成多义线, 并进行平滑处理,通过AutoCAD绘出,如图4所示。 图4 自动绘制的等高线图 Fig.4 The design contour line graph by autodraft 3 工程应用实例 311 原始资料 正交四支路交叉口:交叉口中心点A的设计高 程HA= 85109 m。主线道路半幅宽w1= 1815 m;路 脊线纵坡Iv1= 0162 % ,Iv2= 1132 % (向外 ) ; 横坡 It1=It2=1150 %;中间带宽610 m,机动车道宽715 m, 隔离带宽110 m ,非机动车道宽410 m ,人行道宽 310 m ,缘石半径2010 m。支线道路半幅宽w2= 16 m;路脊线纵坡Iv3= 1131 % ,Iv4= 1171 % (向外 ) ; 横 坡It1=It2= 1150 %;无中间带,机动车道宽715 m , 隔离带宽115 m ,非机动车道宽410 m ,人行道宽310 m ,缘石半径2010 m。 312 设计计算结果 应用前述平面交叉口竖向设计方法计算,并结 合CAD自动绘图技术,得到交叉口的平面设计图 (图 5) 、 交叉口竖向等高线图(图 6) 、 交叉口竖向网 格图(图 7) 、 交叉口三维表面模拟图(图 8) 。可以看 出该结果中消除了等分法等常规方法设计的竖向表 面存在的折线,并在交叉口中心附近区域表面平顺 第11期王贵杰,等:CAD技术在道路平面交叉口竖向设计中的应用81 度有较好的改善。 图5 交叉口平面设计图 Fig.5 The plane design drawing of intersection 图6 交叉口竖向等高线图 Fig.6 The design contour line drawing of intersection 图7 交叉口竖向网格图 Fig.7 The design grid node elevation drawing of intersection 图8 三维表面模拟图CAD Fig.8 The three2dimensional surface model of intersection by AutoCAD 4 小结 综上,道路平面交叉口竖向设计中,在确定了方 格网格点位置和算出格点高程后,采用通过交叉口 中心点呈辐射状分布的射线作为高程计算线,在交 叉口中心点处设置统一竖曲线或抛物线,可以保证 交叉口中心及附近区域设计表面的平顺度。利用 CAD技术,能够较容易地建立矩形网格DEM模型进 行设计图形的绘制。随着道路设计理念的不断更新 与工程CAD技术的不断发展,平面交叉口竖向设计 的质量、 设计的效果和设计的效率将有待于更进一 步地提高和完善,并逐渐形成集成化、 自动化、 智能 化设计技术。 参考文献: 1沈建武,吴瑞麟.城市交通分析与道路设计M.武汉:武 汉大学出版社,2001. 2李玉华,李陆平.平面交口竖向设计高程计算的中心点 法J .武汉理工大学学报,2007(6) :95298. 3段成章.道路平面交叉口竖向设计基本方法