道路設(shè)計方法探索

解錕 胡樹超

道路設(shè)計方法決定其設(shè)計出道路的質(zhì)量、工程量及設(shè)計過程中設(shè)計人員所花費時間和精力的多少。因此，在社會日新月異、科技高速發(fā)展、各行各業(yè)都致力于改革與創(chuàng)新的今天，道路設(shè)計方法的改革與創(chuàng)新也迫在眉睫。

1 道路設(shè)計方法簡介

現(xiàn)有的道路設(shè)計方法主要有現(xiàn)場勘探設(shè)計、紙上設(shè)計和計算機(jī)設(shè)計。

現(xiàn)場勘探設(shè)計是指有經(jīng)驗的專業(yè)人員通過對現(xiàn)場地形進(jìn)行勘探，根據(jù)專業(yè)知識和經(jīng)驗，在現(xiàn)場設(shè)計出道路的路線、坡度、坡向及大概的標(biāo)高。其優(yōu)點是設(shè)計出來的道路與現(xiàn)場地形結(jié)合較好；缺點是過多地依靠主觀經(jīng)驗，沒有進(jìn)行精確的客觀計算，無法在路線行車舒適性及工程量上達(dá)到最優(yōu)。

紙上設(shè)計是設(shè)計人員通過對地形圖的分析，考慮路線行車舒適性及工程量等因素，在圖紙上進(jìn)行道路設(shè)計。其優(yōu)點是可以統(tǒng)籌全局，精確設(shè)計并計算工程量；缺點是會因地形圖的不準(zhǔn)確而影響設(shè)計道路的適用性，且修改比較困難。

計算機(jī)設(shè)計是使用電子地形圖，利用計算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計，過程與紙上設(shè)計相似。其優(yōu)點是精確度比紙上設(shè)計更高，且大部分計算過程由計算機(jī)完成，修改也簡單方便，能有效提高工作效率；盡管如此，為確保準(zhǔn)確性，最好能通過現(xiàn)場勘探確保地形圖的準(zhǔn)確性及對其完全地理解。

2 道路設(shè)計方法思考

三種現(xiàn)有道路設(shè)計方法相比之下，計算機(jī)設(shè)計能依據(jù)最精確的地形圖，最大限度地代替設(shè)計人員進(jìn)行計算，很好地提高設(shè)計人員的工作效率。因此，計算機(jī)設(shè)計成為時下應(yīng)用最為廣泛的道路設(shè)計方法。

計算機(jī)設(shè)計一般通過應(yīng)用道路設(shè)計軟件來實現(xiàn)。國內(nèi)的這類軟件基本是由開發(fā)人員根據(jù)國內(nèi)道路設(shè)計的一些專業(yè)要求，基于AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)而來。

道路設(shè)計主要分三步：第一步是道路平面設(shè)計，即對道路路線進(jìn)行設(shè)計；第二步是道路縱斷面設(shè)計，即通常所稱的拉坡，主要根據(jù)自然地形、行車舒適性及工程量大小進(jìn)行；第三步是道路橫斷面設(shè)計，主要包括路面寬度及分幅情況，由道路的性質(zhì)、交通流情況及交通量大小決定。具體設(shè)計時，道路平面設(shè)計和縱斷面設(shè)計相互影響較大，這兩步總要相互對照進(jìn)行，設(shè)計經(jīng)驗不足時需要多次修改才能達(dá)到最優(yōu)。道路橫斷面設(shè)計可能在路線兩邊可用寬度不足時會影響平面設(shè)計，而對縱斷面設(shè)計影響很小。

國內(nèi)的道路設(shè)計軟件一般也是根據(jù)以上三步進(jìn)行的。首先根據(jù)地形圖進(jìn)行路線設(shè)計，之后繪出縱斷面圖，繼而完成道路縱斷面設(shè)計；若發(fā)現(xiàn)設(shè)計路線有不妥的地方，需要調(diào)整路線，重新繪制縱斷面圖，直至設(shè)計出滿意的道路縱斷面；完成以上兩步后開始進(jìn)行道路橫斷面圖的繪制，主要根據(jù)已經(jīng)設(shè)計好的道路縱斷面，結(jié)合道路平面進(jìn)行繪制；若發(fā)現(xiàn)道路平面或縱斷面有不妥的地方，需要返回對其重新設(shè)計，如此反復(fù)直至平縱橫協(xié)調(diào)一致，達(dá)到最優(yōu)，至此道路設(shè)計完成，出圖。

可以看出，國內(nèi)現(xiàn)有這類軟件只是簡單地將道路設(shè)計過程從紙上搬到計算機(jī)上，主要利用計算機(jī)完成一些繁瑣的計算和繪圖過程，并沒有應(yīng)用當(dāng)今計算機(jī)技術(shù)優(yōu)勢功能，如高仿真、智能化和3D技術(shù)。因此，設(shè)計師們不應(yīng)局限于這些常用的道路設(shè)計軟件，開闊視野，尋找那些將道路設(shè)計變得更加直觀、簡單化，且能夠最大限度地幫助設(shè)計者拓寬設(shè)計思路的道路設(shè)計軟件和方法。

3 國外道路設(shè)計方法探究—利用Civil3d進(jìn)行道路設(shè)計

為分析國外學(xué)者研究道路設(shè)計方法的新思路及創(chuàng)新，這里對一款較為先進(jìn)的國外道路設(shè)計軟件——C3D的道路設(shè)計過程進(jìn)行簡單地研究，希望從中得到一些啟示。

地形圖分析處理。C3D可以對處理好的地形圖進(jìn)行高程分析，精度可以根據(jù)需要調(diào)整。通過高程分析，可以直觀地看出地形的起伏狀態(tài)，如圖1。

圖1 地形高程分析（顏色由淺到深表示高程由低到高）

路線設(shè)計。在C3D中，繪制出路線后，能很快生成路線位置的地形縱斷面，從而直觀地查看原始地形的情況。同時，生成的地形縱斷面與路線動態(tài)關(guān)聯(lián)，可以幫助設(shè)計者很快地尋找到最優(yōu)路線。

縱斷面設(shè)計。完成路線設(shè)計后讓C3D生成道路縱斷面圖，可以選擇縱斷面圖表格中所需要的數(shù)據(jù)；該文原載于中國社會科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場信息導(dǎo)報》雜志http：//www.ems86.com

總第539期2014年第07期-----轉(zhuǎn)載須注名來源然后在縱斷面圖中繪制出道路縱斷面設(shè)計線，該設(shè)計線和道路縱斷面圖也是動態(tài)關(guān)聯(lián)的，方便縱斷面設(shè)計線的優(yōu)化修改。

道路裝配設(shè)計。道路裝配設(shè)計也就是常說的橫斷面設(shè)計，C3D提供了各類道路所需的多種配件，設(shè)計者將這些配件進(jìn)行組合，形成符合要求的道路裝配即可，而且組合好的裝配可以保存起來，供以后使用。

道路建模。道路建模是C3D的一個先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)道路路線、縱斷面及道路裝配可以建立道路的實體模型，如圖2、圖3。實體模型是在三維空間中建立的，通過它我們可以全方位直觀地觀察道路情況，還能以第一視角模仿汽車在道路上的行駛狀態(tài)。當(dāng)路線發(fā)生改變時，重新生成道路模型即可，非常方便。

圖2 道路模型局部

圖3 道路整體模型與地形結(jié)合情況

至此，利用C3D設(shè)計道路的過程基本完成。

C3D道路設(shè)計主要有以下幾個優(yōu)點：（1）觀察地形及設(shè)計道路的三維形態(tài)非常直觀；（2）動態(tài)關(guān)聯(lián)特性為設(shè)計者省去很多繁瑣的計算和修改工作；（3）道路建模精確地將道路實體化，為效果圖制作及道路仿真提供方便；（4）為專業(yè)人員的二次開發(fā)預(yù)留了足夠的接口。

4 道路設(shè)計軟件發(fā)展方向探討

結(jié)合上述對道路設(shè)計方法和C3D道路設(shè)計過程的分析，提出道路設(shè)計軟件創(chuàng)新與發(fā)展的幾個方向：

直觀化。充分利用計算機(jī)3D優(yōu)勢，直觀地顯示地形圖及設(shè)計道路，使設(shè)計者能夠細(xì)致地查看各階段設(shè)計道路的具體情況，以便提出最優(yōu)方案或?qū)Ψ桨缸龀鱿鄳?yīng)的修改；

智能化。智能化主要有三個方面，一是動態(tài)關(guān)聯(lián)，例如道路的平縱橫設(shè)計動態(tài)關(guān)聯(lián)，當(dāng)其中一個發(fā)生改變時，其他兩個即時改變，避免重復(fù)工作；二是自動糾錯功能，例如當(dāng)設(shè)計路線經(jīng)過不宜穿越地形（峽谷、河流、地質(zhì)不良等）時，軟件自動提示設(shè)計者；三是智能路線設(shè)計，即按設(shè)計要求給出最佳路線，例如按標(biāo)準(zhǔn)橫斷面及坡度、坡長要求，自動推薦出土石方量最小的設(shè)計方案；

模擬仿真。通過模擬仿真檢查設(shè)計道路的整體情況，同時在匯報時便于業(yè)主對方案的了解；

自動檢查。以道路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對設(shè)計道路進(jìn)行檢查，例如對車速、路線線形、視距等進(jìn)行檢查；

標(biāo)準(zhǔn)化出圖。通過設(shè)置軟件的繪圖格式，使所繪圖紙能很好地滿足國內(nèi)道路設(shè)計行業(yè)的出圖要求。

綜上所述，計算機(jī)設(shè)計憑借其計算精準(zhǔn)快速和繪圖便捷等特點，已經(jīng)成為道路設(shè)計的主要方法。然而，國內(nèi)主流道路設(shè)計軟件只是簡單地將紙上設(shè)計搬到計算機(jī)上，幫助設(shè)計者完成復(fù)雜的計算及繪圖過程，并沒有充分發(fā)揮計算機(jī)的優(yōu)勢而提供更好的設(shè)計環(huán)境，讓設(shè)計者設(shè)計出最優(yōu)的方案。

相比而言，國外學(xué)者已經(jīng)根據(jù)設(shè)計者的需求，利用計算機(jī)技術(shù)，開發(fā)出像Civil3d這種集三維化、智能化、道路建模等一體的道路設(shè)計軟件，實現(xiàn)了道路設(shè)計方法的改革。因此，國內(nèi)設(shè)計人員及軟件開發(fā)人員應(yīng)該借鑒國外先進(jìn)軟件的發(fā)展方向，結(jié)合國內(nèi)道路設(shè)計行業(yè)的具體要求，在此基礎(chǔ)上探索、開發(fā)適合國內(nèi)設(shè)計人員使用的道路設(shè)計軟件。

（作者單位：中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司；中國核電工程有限公司）