市政路橋線形設(shè)計(jì)分析

劉子杰

（廣州市市政集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510060）

0 引言

市政工程的線形方案對(duì)于城市規(guī)劃具有一定作用，居民建筑、商用建筑對(duì)于工程線形均有影響。線形設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

（1）市政項(xiàng)目交通設(shè)施較多、交通交匯情況具有多樣性，線形設(shè)計(jì)需參考多種因素。

（2）市政道路設(shè)計(jì)，應(yīng)契合城市發(fā)展理念，嚴(yán)格設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)，從出行需求、人口密集性、經(jīng)濟(jì)實(shí)況等方面，綜合確定給出線型設(shè)計(jì)。

1 市政路橋設(shè)計(jì)的積極作用

1.1 增加路橋曲線美

路橋線形設(shè)計(jì)融合了幾何作圖方法。橋型中線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將道路內(nèi)外兩個(gè)中線設(shè)計(jì)在相同直線上。然而，實(shí)踐設(shè)計(jì)時(shí)，存在道內(nèi)、道外兩個(gè)中心位置偏差問(wèn)題。為此，需在兩組中線表層均添加一組直線。采取測(cè)量工藝，獲取兩個(gè)中線的偏差角度。假設(shè)偏角為A，在A角內(nèi)進(jìn)行幾何作圖，補(bǔ)充中線。此種設(shè)計(jì)方法，能夠利用通航孔橋，創(chuàng)建五連跨的路橋結(jié)構(gòu)。水中引橋設(shè)計(jì)，采用雙幅橋面結(jié)構(gòu)方案，對(duì)主梁進(jìn)行分離設(shè)計(jì)。鋼箱梁采取自然流線設(shè)計(jì)方法，提升結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力。邊跨位置的箱梁，保持主梁高度、箱體整高、梁柱高度的相同性。斜拉索的制作材料為“高強(qiáng)環(huán)氧鋼絞線”，拉索下方區(qū)域添加了止振設(shè)備，以此防止出現(xiàn)共振問(wèn)題。在塔外增設(shè)兩個(gè)凹槽，提升主塔結(jié)構(gòu)整體線條的曲線美。

1.2 保證雨水收集有效性

市政道路施工任務(wù)中，管渠是較為多見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。使用路面積水設(shè)施，收集路面匯集的雨水，經(jīng)過(guò)連接管道，將雨水導(dǎo)入城市排水程序。參照城市道路設(shè)計(jì)要求，人行路、道路積水處、街邊庭院均需設(shè)計(jì)雨水口，道路低洼、積水聚集較多的位置，應(yīng)結(jié)合實(shí)情添加雨水口。為此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)規(guī)范掌握各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)給出基礎(chǔ)方案。在市政道路豎向斷面位置添加雨水收集口，具有雨水收集設(shè)計(jì)的常見(jiàn)性。此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，豎向曲線兩側(cè)的邊坡，表現(xiàn)出一定差距，并未進(jìn)行對(duì)稱設(shè)計(jì)，變坡節(jié)點(diǎn)與最低點(diǎn)位難以統(tǒng)一，由此形成豎向邊坡對(duì)稱性不足問(wèn)題，在雨水收集、污水排出、水流疏導(dǎo)期間，會(huì)降低排水速度，形成水源浪費(fèi)。在線型設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)變坡點(diǎn)，利用幾何作圖形式，找出最低點(diǎn)方位，測(cè)算出雨水口的設(shè)計(jì)范圍。由此發(fā)現(xiàn)：使用道路線型設(shè)計(jì)，能夠準(zhǔn)確找出雨水口位置，增強(qiáng)道路排水順暢性，提高雨水收集有效性。

1.3 提高工程美學(xué)欣賞價(jià)值

立交匝道設(shè)計(jì)引入工程美學(xué)設(shè)計(jì)思想，使交通流空間處于分割狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)保證立交匝道位置的合理性，使其處于安全使用狀態(tài)，再融合美學(xué)設(shè)計(jì)理念。路線線形的規(guī)劃，應(yīng)結(jié)合工程具體實(shí)況，保證設(shè)計(jì)規(guī)范的可用性，參照各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)范，提升立交匝道設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)性，增加道路線形的美感。在道路功能完善時(shí)，可使用數(shù)學(xué)計(jì)量形式，準(zhǔn)確獲取彎道度數(shù)、匝道高程、坡度大小各項(xiàng)參數(shù)，以此提升道路功能設(shè)計(jì)的規(guī)范性，帶給人們道路功能視覺(jué)美感[1]。

2 市政路橋引入BIM技術(shù)設(shè)計(jì)的具體用法

2.1 選地

路橋線形設(shè)計(jì)需合理選擇線形的設(shè)計(jì)點(diǎn)位，以保障路橋線形的整體視覺(jué)效果。使用BIM與地理信息平臺(tái)結(jié)合的形式，全面收集路橋周邊的信息，提升BIM模型的創(chuàng)建質(zhì)量，完整呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，給出針對(duì)性措施，綜合確定路橋線形。

2.2 可視設(shè)計(jì)

一般情況下，市政路橋的設(shè)計(jì)工作主要參照平面圖。設(shè)計(jì)人員無(wú)法全面掌握橋梁的結(jié)構(gòu)信息，會(huì)進(jìn)行多次修改，保證路橋線形設(shè)計(jì)質(zhì)量。使用BIM技術(shù)，可創(chuàng)建立體模型，模擬工藝方案，展現(xiàn)施工效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路橋線形設(shè)計(jì)的不足，設(shè)計(jì)師可自行調(diào)整線形，提高設(shè)計(jì)人員的線形方案優(yōu)化速度，呈現(xiàn)視覺(jué)更自然、線條更美觀的路橋線形設(shè)計(jì)。此種可視設(shè)計(jì)，可提高路橋線形設(shè)計(jì)質(zhì)量。BIM技術(shù)支持多方主體共同進(jìn)行路橋線形設(shè)計(jì)，以此加強(qiáng)設(shè)計(jì)、施工各個(gè)參建單位的設(shè)計(jì)協(xié)同性，獲取更可行的路橋線形方案[2]。

2.3 優(yōu)化道路線型

道路線形設(shè)計(jì)作為市政道路規(guī)劃的關(guān)鍵任務(wù)，設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)有效控制多種因素。選定道路中線時(shí)，應(yīng)全面思考多種控制條件，參照道路線位設(shè)計(jì)方法，開(kāi)展擬合處理，結(jié)合道路設(shè)計(jì)規(guī)范的各類規(guī)范，對(duì)平曲線、緩和線進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以此保證線條設(shè)計(jì)的優(yōu)化性。道路豎向斷面的線形設(shè)計(jì)，能夠顯著優(yōu)化城市空間的設(shè)計(jì)效果，可增強(qiáng)城市建設(shè)能力，提高市政交通的運(yùn)行秩序。BIM平臺(tái)可進(jìn)行立體地形設(shè)計(jì)，參照道路中線位置，給出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，獲取較好的設(shè)計(jì)效果。

3 市政路橋線型設(shè)計(jì)實(shí)例分析

3.1 工程概述

案例城市道路項(xiàng)目起始于S114廣州市花都區(qū)省道，終點(diǎn)在一所熱力電廠門口，道路項(xiàng)目的行駛方向?yàn)椤澳媳薄?，路長(zhǎng)3304m，路況9m，采取雙向通行車道的設(shè)計(jì)方法。道路設(shè)計(jì)方案如表1所示。道路起點(diǎn)處有“巴江河”，需進(jìn)行橋梁施工，橋梁長(zhǎng)度合計(jì)454m，路寬17m，主橋采取三跨一聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，主橋長(zhǎng)度總和為204m。

表1 案例項(xiàng)目的施工值選取情況

3.2 創(chuàng)建地形曲線模型

使用案例道路工程的DWG地形文件，用作地形數(shù)據(jù)，創(chuàng)建地形曲面模型。使用Civil 3D程序創(chuàng)建空地形模型，再點(diǎn)擊曲面定義功能，在地形曲面模型中添加等高線、高程點(diǎn)等信息，形成資料完整的地形曲面。去除曲面高程的偏差點(diǎn)，進(jìn)行邊界檢查、立體渲染等處理，獲取地形曲面模型。

3.3 平面線形設(shè)計(jì)

路橋線形的工藝方案，是參照市政道路設(shè)計(jì)需求，給出相應(yīng)的路網(wǎng)規(guī)劃成果，結(jié)合項(xiàng)目勘察、市內(nèi)交通數(shù)量各項(xiàng)因素，給出的線形規(guī)劃方案。線路方位對(duì)于城市周邊環(huán)境、設(shè)施性能具有一定影響作用。平面設(shè)計(jì)應(yīng)考量道路地形、周邊地物的布置方法，已經(jīng)確定的線路平面規(guī)劃，不可作出調(diào)整。平面設(shè)計(jì)項(xiàng)目含有：平曲線半徑、行車視距等。圍繞行車安全、行車高效等理念，綜合給出平面設(shè)計(jì)方案。道路線形含有路長(zhǎng)、路寬等多種類型的數(shù)據(jù)，是道路線形的水平畫面。平面線形設(shè)計(jì)包括曲線、直線兩種設(shè)計(jì)方法。曲線法含有積木設(shè)計(jì)、單元設(shè)計(jì)等類型，直線設(shè)計(jì)以“交點(diǎn)法”為主要方法。路橋線形規(guī)劃期間，曲線半徑參數(shù)的確定，應(yīng)參照用路規(guī)劃級(jí)別、地形實(shí)況、地物特征等多個(gè)因素，綜合給出線形方案。平曲線設(shè)計(jì)理念，應(yīng)盡可能地選出半徑最大值，提高道路通行能力。如果項(xiàng)目所在位置、周邊地物，對(duì)于路橋線條具有一定設(shè)計(jì)干擾，可前期給出曲線切線、外矢距各類參數(shù)，獲取設(shè)計(jì)結(jié)果[3]。案例路橋項(xiàng)目的線位設(shè)計(jì)理念，圍繞“少用地”“紅線控制”等思想，共給出11組圓曲線。參照城市分路的設(shè)計(jì)規(guī)范，行車速度40km/h，少數(shù)路段行車速度減半，逐一給出設(shè)計(jì)方案，保證指標(biāo)設(shè)計(jì)符合規(guī)范。

3.4 斷面線形設(shè)計(jì)

Civil 3D程序在進(jìn)行豎向斷面線形設(shè)計(jì)時(shí)，有兩種設(shè)計(jì)路徑：參照單元法給出豎向斷面線形的具體方案；以直線交點(diǎn)為初始位置，確定直線后，添加豎曲線各項(xiàng)參數(shù)。以地形曲線模型為參考，用作豎向斷面設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)資料，使用線交點(diǎn)形式，獲取拉坡線，添加豎曲線數(shù)據(jù)，獲取豎向斷面線形的具體規(guī)劃。Civil 3D程序可進(jìn)行多窗口設(shè)計(jì)工作，準(zhǔn)確提取平面線形資料，保證豎向斷面線形的規(guī)劃質(zhì)量，以此顯著增強(qiáng)平面、豎向兩種線形的設(shè)計(jì)效果，在變動(dòng)平面線形時(shí)，可查看豎向斷面的整體情況。橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)，案例項(xiàng)目為市政項(xiàng)目，路寬9m，河款17m，全面調(diào)查項(xiàng)目周邊的路網(wǎng)規(guī)劃情況，對(duì)規(guī)劃用地進(jìn)行特征分析，同步計(jì)算交通流量，對(duì)比各類橫斷面方案。案例項(xiàng)目的橫斷面工藝內(nèi)容為：路緣帶1m×2，行車路徑寬7m。豎向斷面設(shè)計(jì)時(shí)，參照坡長(zhǎng)、豎向坡度的最大值等參數(shù)，設(shè)計(jì)方案如表2所示。

3.5 橋梁結(jié)構(gòu)的線形設(shè)計(jì)

（1）預(yù)拱度設(shè)計(jì)。案例橋梁項(xiàng)目中跨位置的預(yù)拱度參數(shù)為20mm，邊跨位置未設(shè)預(yù)拱度。

（2）河堤斷面設(shè)計(jì)。案例橋梁項(xiàng)目的河堤防護(hù)等級(jí)為“4級(jí)”，使用的緣石強(qiáng)度為“C20”，用料裝配期間，各組用料間隔位置預(yù)留5cm的排水溝。主拱位置的斷面設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

表2 豎向斷面設(shè)計(jì)方案

圖1 主拱位置的斷面設(shè)計(jì)方案

3.6 工程安全評(píng)價(jià)

案例項(xiàng)目的行車速度，是指交通運(yùn)輸為“自由流動(dòng)”時(shí)，特定位置獲取的行車速度，可在曲線中獲得其真實(shí)運(yùn)行速度。參照相關(guān)研究，對(duì)于相鄰兩個(gè)路徑的行車速度差值ΔV、行車速度梯度值ΔI，用兩個(gè)參數(shù)的絕對(duì)值，判斷兩個(gè)路徑行車的平穩(wěn)性。行車速度V減去設(shè)計(jì)速度差值ΔV，計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)值，可用于判斷相同道路周邊路徑的行車平穩(wěn)性。安全評(píng)價(jià)規(guī)則如表3所示。

表3 安全評(píng)價(jià)規(guī)則

參照公路工藝規(guī)范的硬性設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行視距安全性評(píng)價(jià)，以此保障行車安全。道路沿線各個(gè)車道應(yīng)保證視距的充足性，以此提升行車安全性，在出現(xiàn)行車不利問(wèn)題時(shí)，行車人員可及時(shí)給予響應(yīng)。道路行車視距的干擾因素有：“平曲線”“豎向斷面”“邊坡”“護(hù)欄”等。為此，立體結(jié)構(gòu)視距測(cè)算結(jié)果，更加符合項(xiàng)目視距實(shí)況[4]。

使用BIM技術(shù)規(guī)范測(cè)定立體視距參數(shù)，融合空間兩點(diǎn)通視理念，優(yōu)先算出駕駛者、障礙物兩個(gè)節(jié)點(diǎn)高度，再獲取兩個(gè)空間視線的清晰性。運(yùn)行Civil 3D程序，使用立體模型開(kāi)展行車模擬，前期設(shè)定車輛的通行位置，引入空間兩點(diǎn)通視思想，獲取行車人員視線位置，得出可視路面的某物體距離最大值，即可獲得立體空間的視距測(cè)算結(jié)果。道路線形設(shè)計(jì)的視距安全性評(píng)價(jià)方法如圖2所示。

圖2 道路線形設(shè)計(jì)的視距安全性評(píng)價(jià)方法

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，使用BIM調(diào)整行車路徑的平面線條、豎向斷面線條，給出相應(yīng)的道路線形安全評(píng)價(jià)方法。實(shí)踐中，BIM技術(shù)可融合路橋線形參數(shù)調(diào)整，表現(xiàn)出較強(qiáng)可視設(shè)計(jì)、參數(shù)調(diào)整等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，順應(yīng)各方主體的線形設(shè)計(jì)需求。Civil 3D平臺(tái)給出的各類線形設(shè)計(jì)方法，可顯著提高道路平面、斷面的設(shè)計(jì)質(zhì)量，增強(qiáng)道路線形設(shè)計(jì)方案的可用性。從行車速度、視距兩個(gè)方面，綜合判斷道路線形設(shè)計(jì)的安全性，具有工程評(píng)價(jià)的客觀性，可用于判斷線形設(shè)計(jì)方案的可用性。