基于GIS技術(shù)的山地道路豎向設(shè)計(jì)方法

黎 慧，游 峰

(中國工程物理研究院建筑設(shè)計(jì)院,四川 綿陽 621000)

1 GIS技術(shù)在道路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景

在傳統(tǒng)道路設(shè)計(jì)中,通常先根據(jù)功能需求確定道路平面選線定位,再根據(jù)平面匹配豎向設(shè)計(jì)[1]。在平原地區(qū),平面、豎向設(shè)計(jì)的先后順序?qū)Y(jié)果影響不大,但在地形復(fù)雜地區(qū),平面和豎向不宜截然分開設(shè)計(jì),合理的設(shè)計(jì)時(shí)序?qū)嶋H上需要從三維出發(fā),統(tǒng)籌考慮平面和豎向問題。

GIS全稱地理信息系統(tǒng),是利用計(jì)算機(jī)對地理空間各類信息進(jìn)行收集、分析、管理和應(yīng)用的綜合系統(tǒng)[2]。相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具,GIS的突出優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:其一,空間數(shù)據(jù)收集和管理功能強(qiáng)大,可以靈活調(diào)用各種圖形和文字信息,并在空間上一一對應(yīng)。其二,數(shù)據(jù)分析和可視化功能強(qiáng)大,支持?jǐn)?shù)據(jù)疊加對比分析、拓?fù)渥兓?、函?shù)歸納計(jì)算等,并且可以將分析結(jié)果空間可視化,應(yīng)用于道路豎向輔助設(shè)計(jì)有較大的優(yōu)勢。

2 道路豎向設(shè)計(jì)影響因素

2.1 道路自身設(shè)計(jì)要求

道路豎向設(shè)計(jì)主要是指道路縱斷面的坡長、坡度、坡向和控制點(diǎn)高程設(shè)計(jì),廣義豎向還包括道路交叉口的立交設(shè)計(jì)、穿越自然山體或河流的豎向方式等。

根據(jù)道路級別和設(shè)計(jì)時(shí)速不同,道路坡度一般要求在0.3%～8%區(qū)間內(nèi)取值;道路縱向坡長不宜過短或過長,較長的連續(xù)坡段需加設(shè)緩和段;縱坡方向變化處需設(shè)緩和曲線?？缭胶恿骰蛏襟w的路段,有相應(yīng)的道路等級和跨度要求。

此外,道路平面和豎向控制指標(biāo)相互關(guān)聯(lián),平面路線長度和高程變化對應(yīng)縱向坡長和坡度的變化。

2.2 道路地下管網(wǎng)設(shè)計(jì)要求

當(dāng)?shù)缆废路椒笤O(shè)管線、廊道時(shí),要求適宜的敷設(shè)深度。給水、消防、燃?xì)獾葔毫α?需統(tǒng)籌考慮低壓區(qū)可靠性和高壓區(qū)經(jīng)濟(jì)性,對高程差值控制有較高要求。雨水、污水等重力流,需考慮區(qū)域整體流向,對坡向連續(xù)性要求較高。

2.3 道路兩側(cè)用地匹配要求

當(dāng)?shù)缆穬蓚?cè)為建設(shè)用地時(shí),需考慮道路與地塊的豎向關(guān)系。為避免地塊淹沒風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)減少市政建設(shè)成本,地塊高程不宜比所有圍合道路高程低。為減小用地土方平整成本,宜控制道路與地塊高程的差值,尤其應(yīng)控制填方高度。為爭取建筑設(shè)計(jì)的自由度,宜爭取道路臨用地緩坡段長度較大,以提供更多的地塊出入口位置。

2.4 道路特殊設(shè)計(jì)要求

根據(jù)道路功能不同,可能存在特殊的設(shè)計(jì)要求。對于景觀性或游覽性道路,需要對行進(jìn)路線上的視線進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)需要展示或隱藏對象,以取得良好的景觀效果。

3 GIS輔助豎向設(shè)計(jì)思路

3.1 項(xiàng)目概況

我國南方城市M市規(guī)劃某新區(qū)建設(shè),臨湖路為擬建景觀性主干道。路段所處地形呈丘陵?duì)?地勢北高南低,東西高中部低,地形自然高程471.30 m～530.30 m。臨湖路西側(cè)與規(guī)劃主干道相交,東側(cè)與現(xiàn)狀主干道相交。臨湖路中段有三條保留景觀山體,山頂高程分別為514.6 m,509.6 m,502.4 m,中段以南約500 m有規(guī)劃中心景觀湖,湖岸高程約469.8 m～472.3 m。

設(shè)計(jì)臨湖路,確定道路各控制點(diǎn)定位及豎向設(shè)計(jì)。要求考慮與地形有機(jī)結(jié)合,兼顧周邊山水環(huán)境的良好關(guān)系。

3.2 設(shè)計(jì)思路

GIS技術(shù)可以創(chuàng)建地形三維模型,并進(jìn)行各種數(shù)據(jù)管理與分析,分析結(jié)果可支持?jǐn)?shù)據(jù)可視化再編輯。通過GIS輔助,可以從三維視角統(tǒng)籌考慮平面及豎向,逐步確定并優(yōu)化各項(xiàng)豎向設(shè)計(jì)要點(diǎn)。主要設(shè)計(jì)流程思路見圖1。

4 GIS輔助三維豎向設(shè)計(jì)方法

4.1 道路起始點(diǎn)豎向設(shè)計(jì)

臨湖路西側(cè)與規(guī)劃主干道相交,東側(cè)與現(xiàn)狀主干道相交。根據(jù)道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),為保證外接道路的適宜縱坡,根據(jù)規(guī)劃主干道上已知高程點(diǎn),臨湖路與規(guī)劃主干道交點(diǎn)A高程取值范圍宜529.44 m～512.90 m。為不改變現(xiàn)狀道路,臨湖路與現(xiàn)狀主干道交點(diǎn)B取實(shí)測高程473.56 m(見圖2)。以兩交點(diǎn)直線距離核算,臨湖路綜合坡向?yàn)闁|向縱坡,綜合坡度約3.18%～2.24%,尚有一定的豎向調(diào)整幅度。

將地形導(dǎo)入GIS程序,創(chuàng)建三角網(wǎng)TIN模型,再由TIN生成三維柵格模型,由克里金法插值加密后,輸出地形高程分析結(jié)果。

由地形高程模型分析可得:臨湖路選線區(qū)域存在兩段低洼區(qū)域?？梢灶A(yù)計(jì):臨湖路兩端點(diǎn)之間至少需增1個(gè)～2個(gè)變坡點(diǎn),直線道路縱坡將大于前文計(jì)算綜合坡度。由于綜合坡度值已較大,平面選線宜適當(dāng)增加道路長度。

4.2 GIS輔助道路平面選線

在GIS中,用地形三維柵格模型,由Spatial Analyst工具/鄰域分析/焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具,計(jì)算鄰域像元最大值和最小值極差, 輸出地形起伏度分析結(jié)果。

地形起伏度的三維含義是地形的高差變化程度,由極大值和極小值的差值來度量。道路平面選線宜選擇起伏度較小的區(qū)段,當(dāng)必須穿越起伏度較大區(qū)域時(shí),宜從高起伏度區(qū)域側(cè)面相切處選線。選線穿越起伏度較大區(qū)段意味著可能需采取架橋或穿山措施。此外,起伏度較大區(qū)域從用地上,意味著用地平整代價(jià)較大,是不利于建設(shè)用地選擇的指標(biāo),宜做景觀型用地或建設(shè)規(guī)模較小的功能用地使用。

臨湖路平面選線優(yōu)選地形起伏度較小區(qū)域,避開起伏度較大的橙色及以上區(qū)域,確定較合理的平面定位,設(shè)計(jì)路段平面總長度約1 946.3 m(見圖3)。

4.3 GIS輔助坡向控制

在GIS中,用地形三維柵格模型,由Spatial Analyst工具/水文分析/填洼,處理柵格模型,再用Spatial Analyst工具/水文分析/流向分析工具,生成流向數(shù)據(jù)模型,再由盆域分析和流量分析工具,生成地形盆域分析圖和河網(wǎng)分級分析圖。

盆域邊界線的三維含義是同一個(gè)出水口所容納匯水區(qū)域的邊界線,近似于區(qū)域分水線。河網(wǎng)分級圖表示自然地表徑流的匯入關(guān)系,近似于區(qū)域匯水線。在無其他限制前提下,重力流管網(wǎng)分區(qū)宜與盆域分區(qū)相對應(yīng),控制變坡點(diǎn)宜在于河網(wǎng)交點(diǎn)處。

臨湖路跨越區(qū)域,為1個(gè)自然盆域,河網(wǎng)與路將形成2個(gè)交點(diǎn)?？紤]重力流管網(wǎng)布置一個(gè)分區(qū),綜合坡向?yàn)闁|西向中間,北向南。道路與河網(wǎng)交點(diǎn)取為道路變坡點(diǎn),以自然高程為擬設(shè)計(jì)高程:C點(diǎn)524.5 m,D點(diǎn)472.4 m。AC段坡向向東;CD段綜合坡向向東,綜合坡度約為4.7%;BD段綜合坡向向西(見圖4)。

4.4 GIS輔助控制點(diǎn)高程設(shè)計(jì)

根據(jù)前述GIS分析工具得到的地形起伏度分析圖、河網(wǎng)分級圖為基礎(chǔ),疊加Spatial Analyst工具/表面分析/坡度和坡向分析結(jié)果,導(dǎo)入CAD中,整理出保留山體和河道藍(lán)線控制邊界。將剩余可建設(shè)用地圈出,以設(shè)計(jì)道路低一級道路的適宜間距切分可建設(shè)用地為若干單元。將單元填充面要素導(dǎo)入GIS軟件,導(dǎo)出要素為可編輯面要素,用Defence工具/數(shù)字和字母/對要素進(jìn)行編號。由Spatial Analyst工具/區(qū)域分析/以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)類型選擇“最小值、最大值和平均值”,計(jì)算各單元地塊的平均高程和填、挖高度。

平均高程可以近似看做建設(shè)用地單元的土方自平衡高程,最小值與其差值表示最大填方高度,最大值與其差值表示最大挖方高度。道路控制點(diǎn)高程宜根據(jù)為相鄰多個(gè)地塊高程的平均值減固定差值確定(當(dāng)?shù)貕K面積相差較大時(shí),應(yīng)考慮面積比例系數(shù))。

值得注意的是,當(dāng)填方高度過高時(shí),會造成建設(shè)不經(jīng)濟(jì),填方高度宜控制上限。為取得道路與用地的良好關(guān)系,宜爭取臨用地區(qū)段有較長緩坡。用地單元不宜大量出現(xiàn)低于四周道路高程的洼地。

以臨湖路道路中心線為基準(zhǔn),采用下級次干道的適宜間距300 m×300 m構(gòu)建網(wǎng)格,扣除山體和河道范圍,得到可建設(shè)用地單元15個(gè),根據(jù)高程統(tǒng)計(jì)分析,變坡點(diǎn)高程以相鄰地塊平均值減0.5 m確定,得到擬設(shè)計(jì)高程A點(diǎn)521.0 m,C點(diǎn)518.5 m,D點(diǎn)476.7 m。為取得道路與地塊的適宜差值,同時(shí)不改變前面確定的整體道路坡向,確定應(yīng)CD間增加變坡E點(diǎn)483.8 m,在DB間增加變坡F點(diǎn)480.0 m,且CE,BE段長度應(yīng)盡可能短,以道路縱坡極限值校核后確定點(diǎn)E,F定位(見圖5)。

4.5 GIS輔助視線優(yōu)化控制點(diǎn)高程

在GIS中,用地形三維柵格模型,由3D Analyst工具/可見性/視點(diǎn)分析,輸入觀察點(diǎn)要素選擇保留山體制高點(diǎn)和中心景觀湖控制點(diǎn),Z因子偏移取視點(diǎn)高度1.8 m,計(jì)算得到視點(diǎn)分析結(jié)果。

視點(diǎn)分析的三維含義是觀察點(diǎn)對周邊區(qū)域的可見不可見情況,屬性表中,0表示不可見,1表示可見,圖層Value值越高,可觀測點(diǎn)數(shù)量越多。打開視點(diǎn)分析圖層屬性表/按屬性選擇/選擇內(nèi)容類型/選擇當(dāng)前選擇內(nèi)容的子集,還組合各觀察點(diǎn)可見性條件,計(jì)算排列組合結(jié)果。

臨湖路附近保留山體選定4處制高點(diǎn),中心景觀湖選定道路方向2處水口控制點(diǎn),共計(jì)6個(gè)觀察視點(diǎn),分析區(qū)域可見性。由于視點(diǎn)均為景觀性控制點(diǎn),無需二次計(jì)算視點(diǎn)條件組合。臨湖路線路兩側(cè)視點(diǎn)分析結(jié)果賦值越高,表示路段上可看到的景觀數(shù)量越多,路段的景觀重要性越高。由分析結(jié)果可得,C點(diǎn)以東S1長約150 m,D點(diǎn)以西S2長約100 m,為景觀重要性高的路段,為保證步行舒適性及景觀休憩等設(shè)施建設(shè),宜設(shè)緩坡。CE段縱坡已無調(diào)整余地,S1段豎向不變。DE段坡度尚有調(diào)整余地,增加S2段中點(diǎn)為控制點(diǎn),設(shè)計(jì)高程取均坡計(jì)算值478.7 m,S2段設(shè)計(jì)縱坡調(diào)整為0.5%,S2與點(diǎn)D、點(diǎn)E段縱坡略微增大,得到優(yōu)化豎向(見圖6)。

5 結(jié)語

GIS為設(shè)計(jì)者提供了多種工具,將傳統(tǒng)上依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和判斷的各種因素,進(jìn)行客觀分析,簡潔直觀地呈現(xiàn)分析結(jié)果。通過GIS輔助,地形復(fù)雜地區(qū)的道路豎向設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)從三維出發(fā),統(tǒng)籌考慮平面、豎向設(shè)計(jì),并逐次優(yōu)化迭代設(shè)計(jì)成果,對提高設(shè)計(jì)質(zhì)量有較大幫助。