保證公路橫斷面設(shè)計正確性的方法研究與應(yīng)用

劉利民

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 引言

公路橫斷面設(shè)計是路線平縱橫設(shè)計的重要組成部分。路基橫斷面設(shè)計，俗稱“戴帽子”，是一個循序漸進(jìn)、逐漸深入的過程。路基橫斷面影響因素眾多，設(shè)計工作量大、反復(fù)多，與之相關(guān)的設(shè)計成果多，是橫斷面設(shè)計的典型特征。

橫斷面設(shè)計與平面設(shè)計、縱斷面設(shè)計的不同之處，在于平縱面設(shè)計是線形設(shè)計，設(shè)計成果為一條線，而橫斷面設(shè)計是用抽樣的典型橫斷面代表整條公路的橫斷面，因此橫斷面設(shè)計是單個的、離散的。各個橫斷面之間的地面線、填挖狀況、邊坡高度、邊坡坡率及邊溝尺寸等可能千差萬別。橫斷面本身的特點決定了它很難一次或少數(shù)幾次反復(fù)就可以完成設(shè)計，而需要若干次的反復(fù)才能完成。雖然橫斷面設(shè)計已經(jīng)完全實現(xiàn)了模板和參數(shù)化的計算機(jī)輔助設(shè)計，但基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)和橫斷面設(shè)計成果之間的一致性，也就是保證橫斷面設(shè)計成果的正確性研究很缺乏?，F(xiàn)有路線CAD軟件基本沒有檢測橫斷面數(shù)據(jù)變化對橫斷面設(shè)計成果影響的功能，完全依靠人工保證橫斷面設(shè)計成果的正確性具有相當(dāng)大的難度，設(shè)計中難免出現(xiàn)疏忽或錯誤。因此，如何保證橫斷面設(shè)計及其相關(guān)設(shè)計成果的正確性是一個值得研究的問題。

在JSL-路線專家系統(tǒng)的研發(fā)過程中，為保證橫斷面設(shè)計成果的正確性，需研發(fā)一種錯誤消息和提醒消息功能來保證橫斷面設(shè)計的正確性，以提高橫斷面設(shè)計的自動化程度。

2 橫斷面設(shè)計的影響因素及內(nèi)容

一個公路工程項目的橫斷面?zhèn)€數(shù)少則數(shù)百個，多則數(shù)千個，管理難度大。例如一個里程50 km的公路項目，按照平均15 m間隔一個橫斷面計算，1 km約70個橫斷面，全線共有3 500個橫斷面。這么多橫斷面需要逐個設(shè)計至滿足要求，設(shè)計工作量大。

影響橫斷面設(shè)計的因素眾多，包括縱斷面地面線、橫斷面地面線、設(shè)計高程、標(biāo)準(zhǔn)路幅、超高橫坡、加寬、邊坡坡率、邊坡分級高度、邊坡平臺寬度(含碎落臺寬度、護(hù)坡道寬度)、邊溝尺寸、溝底高程、擋土墻設(shè)置、路基防護(hù)形式、橋臺與路基的銜接方式、隧道進(jìn)出口位置的變化以及洞口的邊坡形式等，均直接影響著橫斷面設(shè)計，這些數(shù)據(jù)的變化會直接導(dǎo)致需要重新戴帽子，才能保證橫斷面設(shè)計圖和設(shè)計數(shù)據(jù)一致，保證橫斷面設(shè)計成果正確。

橫斷面設(shè)計除了受多個因素控制外，還會直接影響多種設(shè)計圖表的輸出，包括公路平面總體設(shè)計圖、公路用地圖、路基橫斷面設(shè)計圖、匝道連接部設(shè)計圖、匝道連接部標(biāo)高數(shù)據(jù)圖、路基設(shè)計表、邊溝(排水溝)設(shè)計表、平曲線上路面加寬表、路基土石方數(shù)量表、路基每公里土石方數(shù)量表和路基土石方運(yùn)量統(tǒng)計表等。

在絕大多數(shù)常用的路線CAD軟件中橫斷面設(shè)計失敗僅會以AutoCAD命令行或系統(tǒng)信息的形式輸出。設(shè)計人員需要對照提示信息對橫斷面逐個核對，逐個修改橫斷面相關(guān)資料后重新設(shè)計。重新設(shè)計時可能又出現(xiàn)新的橫斷面設(shè)計失敗，如此循環(huán)進(jìn)行橫斷面設(shè)計，手工工作量大。最終與橫斷面相關(guān)的設(shè)計成果輸出時，仍然難以確定所有的橫斷面是否均設(shè)計成功。另一方面，與橫斷面設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)修改后，橫斷面是否重新設(shè)計過，軟件一般沒有任何提示，僅依靠人工記憶，橫斷面設(shè)計成果可能不是設(shè)計人員最終設(shè)計思想的表達(dá)。如未對設(shè)計失敗的橫斷面進(jìn)行修改，或者數(shù)據(jù)修改后未重新進(jìn)行橫斷面設(shè)計，均會影響橫斷面設(shè)計及相關(guān)文件的設(shè)計質(zhì)量。基于橫斷面設(shè)計的重要性和復(fù)雜性，保證其正確性是路線設(shè)計的一項重要內(nèi)容。

3 實現(xiàn)方法

通過深入研究，在JSL-路線專家系統(tǒng)中研發(fā)了錯誤消息和提醒消息功能，可保證數(shù)據(jù)與橫斷面設(shè)計成果的一致性。錯誤消息是指橫斷面設(shè)計失敗時的橫斷面樁號信息，提醒消息是指橫斷面相關(guān)數(shù)據(jù)修改之后影響的橫斷面樁號信息。具體實現(xiàn)方法如下：

3.1 消息產(chǎn)生

橫斷面自動設(shè)計，也就是自動戴帽子時，系統(tǒng)根據(jù)已有資料進(jìn)行橫斷面邊坡、邊溝設(shè)計，最后得到橫斷面設(shè)計結(jié)果。但在這個過程中，由于各方面的原因，如橫斷面地面線太短或邊坡太緩等原因，橫斷面邊坡與地面線沒有交點，橫斷面設(shè)計失敗。此時，將橫斷面的樁號、位置(左側(cè)還是右側(cè))、失敗原因記錄下來，存入錯誤消息列表。橫斷面設(shè)計完成后在錯誤消息列表中展示。

橫斷面設(shè)計完成后，邊坡、邊溝的初步設(shè)計方案未必能夠滿足設(shè)計的最終要求。因此需要進(jìn)行修改來滿足各種設(shè)計要求。此時可以修改邊坡段落、邊溝段落、溝底高程段落等相關(guān)數(shù)據(jù)達(dá)到目標(biāo)。數(shù)據(jù)修改后，對應(yīng)段落內(nèi)的橫斷面必須重新進(jìn)行設(shè)計，通過檢索，將這些樁號檢索出來，將樁號、修改的數(shù)據(jù)內(nèi)容逐個存入提醒消息列表中展示。

3.2 消息處理

當(dāng)系統(tǒng)重新進(jìn)行橫斷面設(shè)計后，清除所有對應(yīng)樁號的提醒消息，根據(jù)每個橫斷面重新戴帽子成功與否的情況進(jìn)行錯誤消息處理。具體如下：

(1)如果橫斷面戴帽子成功，則消除對應(yīng)樁號的錯誤消息。

(2)如果橫斷面戴帽子未成功且對應(yīng)樁無錯誤消息，則增加該樁號的錯誤消息。

(3)如果橫斷面戴帽子未成功且對應(yīng)樁有錯誤消息，則保留該樁號的錯誤消息。

3.3 消息用途

錯誤消息和提醒消息除了用于橫斷面設(shè)計過程本身外，還有下列作用：

(1)支持使用中的路幅、邊坡和邊溝等模板修改。使用中的模板修改后，通過檢索增加提醒消息，可將使用該模板的所有設(shè)計線的橫斷面都加入到各條設(shè)計線的消息列表中，提醒設(shè)計人員重新進(jìn)行橫斷面設(shè)計。

(2)錯誤消息和提醒消息，提供了一個直接瀏覽對應(yīng)橫斷面的快捷路徑。通過點擊消息列表的消息，設(shè)計人員可直接瀏覽對應(yīng)的橫斷面設(shè)計圖對其進(jìn)行檢查。

(3)系統(tǒng)可以將提醒消息的單個樁號，自動歸納為段落進(jìn)行重新設(shè)計，省去人工大量清理的時間和精力，設(shè)計人員不用關(guān)心修改了哪些橫斷面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動管理需要重新進(jìn)行設(shè)計的橫斷面樁號。

(4)可以用于與橫斷面設(shè)計相關(guān)的各種圖表出版前的正確性檢查。橫斷面設(shè)計完成后，理論上應(yīng)該將所有錯誤消息和提醒消息消除，才能輸出與之相關(guān)的各種圖表。但實際上，橫斷面設(shè)計本身一直在根據(jù)各種設(shè)計要求變化，使用過程中，經(jīng)常需要提供各種中間資料，如地圖、公路平面總體設(shè)計圖、路基橫斷面設(shè)計圖等。因此，若沒有錯誤消息和提醒消息，輸出的與橫斷面設(shè)計相關(guān)的成果無法保證其正確性；有了錯誤消息和提醒消息后，至少設(shè)計人員知道提供的中間成果的質(zhì)量。

橫斷面設(shè)計是多次循序漸進(jìn)重復(fù)的過程，重復(fù)的次數(shù)從幾次到近百次不等。錯誤消息和提醒消息循環(huán)產(chǎn)生、消除，包括相關(guān)的模板和數(shù)據(jù)修改產(chǎn)生提醒消息、戴帽子消除提醒消息、戴帽子成功消除錯誤消息、戴帽子失敗產(chǎn)生錯誤消息。錯誤消息和提醒消息始終反映橫斷面設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與橫斷面設(shè)計成果的一致性和正確性，錯誤消息和提醒消息將橫斷面設(shè)計相關(guān)的所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)修改及其修改結(jié)果統(tǒng)一到一起，不需擔(dān)心忘記數(shù)據(jù)修改之后是否重新進(jìn)行了橫斷面設(shè)計，方便橫斷面設(shè)計相關(guān)成果輸出時檢查橫斷面設(shè)計情況，消除了人為疏忽和錯誤導(dǎo)致的設(shè)計問題。

4 應(yīng)用

在JSL-路線專家系統(tǒng)研發(fā)中，實現(xiàn)了基于消息功能的橫斷面設(shè)計成果一致性和正確性保證方法。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于超過10 000 km的各等級公路設(shè)計中，反響良好。該方法能有效保證設(shè)計數(shù)據(jù)和圖表的一致性，也保證了橫斷面設(shè)計圖及相關(guān)成果的正確性。

5 結(jié)語

基于錯誤消息和提醒消息管理功能的橫斷面設(shè)計方法，是公路橫斷面計算機(jī)輔助設(shè)計中的一個重要創(chuàng)新和進(jìn)步。隨著JSL-路線專家系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，該方法更加廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計中。通過軟件系統(tǒng)自動化的消息管理功能，減少了人工參與的工作量，消除了由于人工操作產(chǎn)生的疏忽和錯誤，保證了橫斷面設(shè)計成果的正確性，提高了橫斷面設(shè)計圖及相關(guān)設(shè)計成果的文件質(zhì)量。