線形設(shè)計在改善公路景觀中的作用探討

吳鈞

作者簡介：吳?鈞（1973—），碩士，高級工程師，主要從事道路工程勘察設(shè)計工作。

文章基于公路建設(shè)與環(huán)境、景觀的關(guān)系，分析了公路景觀設(shè)計的要求，并從優(yōu)化線形幾何設(shè)計以改善公路路容景觀的理論和手段方面，探討了線形設(shè)計在改善公路景觀中的作用。

道路工程；公路；路線設(shè)計；景觀工程

U412.3A291024

0?引言

公路作為社會交通的主要承載者，是我國最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，對發(fā)展社會經(jīng)濟(jì)、改善交通出行起到了極其重要的作用，但同時由于其本身特性，在修建公路的過程中難免對周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了各種不良影響，過去由于認(rèn)知水平的有限及控制造價的因素，在公路的建設(shè)過程中往往單純重視主體工程的施工，而忽視沿線環(huán)境的保護(hù)及改善，造成對生態(tài)環(huán)境的破壞。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平、文化素質(zhì)的不斷提高，社會對公路建設(shè)提出更高要求，不再簡單地定義在“安全”和“通達(dá)”的基本功能上，而開始提升公路的綜合功能，追求出行的舒適性、美觀性，公路景觀設(shè)計也由原來的少挖少填避免破壞環(huán)境等進(jìn)化到綜合線形、結(jié)構(gòu)、環(huán)保、人文等因素，使之成為系統(tǒng)化、特性化的景觀新亮點(diǎn)。

1?公路景觀概論

公路景觀包括天然景觀、人文景觀和公路工程景觀三部分。

天然景觀是指因地球物理活動及地質(zhì)演化自然形成且未受人類活動影響的景觀，其三要素為地形、地貌、地物，是構(gòu)成公路整體景觀的主體。人文景觀是指人類在其社會性活動中進(jìn)行的建設(shè)或干涉行為形成的人工作品或痕跡。公路工程景觀是指公路建設(shè)中刻意形成的工程景觀，包括公路幾何空間線形、相關(guān)構(gòu)造物、公路沿線設(shè)施以及公路綠化等特殊工程景物，可通過景觀設(shè)計及工程措施等手段實(shí)現(xiàn)。

公路景觀設(shè)計是指在美學(xué)原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)公路外部環(huán)境結(jié)合公路自身線形（帶狀物）及構(gòu)造物造型等，謀求整體景觀協(xié)調(diào)、優(yōu)美的過程。

近年來，我國的公路景觀設(shè)計得到充分的重視，有了明顯的改善，交通運(yùn)輸部頒布的《公路環(huán)境保護(hù)和景觀設(shè)計規(guī)范》，在公路景觀設(shè)計中得到了較好地執(zhí)行，但其側(cè)重點(diǎn)主要在工程環(huán)境保護(hù)，對公路線形在公路景觀設(shè)計中所起的作用尚未引起足夠的重視。引入航測高分辨影像、高精度數(shù)模、BIM正向設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)后，設(shè)計人員得以直觀地檢驗(yàn)線形與周邊環(huán)境的契合情況，使公路景觀設(shè)計得到較大的發(fā)展。

2?公路景觀設(shè)計要求

公路景觀不是單純的工程景觀，不能超脫于社會審美觀的統(tǒng)一而獨(dú)立存在，其必須與周邊自然景觀有機(jī)結(jié)合，在滿足公路交通功能的前提下，以美學(xué)理論為指導(dǎo)，進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃與設(shè)計，使其具有使用和欣賞的雙重功能［1］。公路景觀造型主要包括帶狀線路空間幾何造型、斷面造型、構(gòu)造物造型、交叉工程造型及服務(wù)設(shè)施、線外工程造型等，本文僅從路線設(shè)計出發(fā)對美化路線空間幾何造型進(jìn)行討論。

隨著公路等級及車輛運(yùn)行速度的提高，駕駛者更多地將注意力集中在公路主體工程上，公路線形幾何造型對駕駛者視覺的影響越來越大，而兩側(cè)自然環(huán)境產(chǎn)生的影響越來越小。公路線形設(shè)計在滿足機(jī)動車行駛需求的基礎(chǔ)上，開始兼顧滿足司乘人員駕駛舒適性和視覺美感的要求。因此，公路線形設(shè)計必須強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的選擇及線形組合，使之能結(jié)合周邊地形和環(huán)境因素，與其有機(jī)地融合在一起，在視覺上體現(xiàn)出足夠的誘導(dǎo)性和自然觀感，避免或降低公路對自然環(huán)境產(chǎn)生的切割感和隔絕感。

公路景觀設(shè)計除了要求公路自身景觀和諧、統(tǒng)一外，還要求其與周邊自然景觀、沿線其他人工景觀均達(dá)到和諧統(tǒng)一，從而建立起新的完整總體景觀系統(tǒng)。公路線形設(shè)計應(yīng)以優(yōu)美的幾何造型適應(yīng)周邊自然及人文環(huán)境變化，并使司乘人員產(chǎn)生心理上的舒適感為要求，因此，良好的公路線形設(shè)計除考慮安全、經(jīng)濟(jì)等因素外，還應(yīng)充分注重公路景觀的要求，達(dá)到以下設(shè)計要求。

（1）通視：要求路線空間幾何分布各部分組合適當(dāng)，在能清晰目視視距要求范圍內(nèi)前方路況的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大司乘人員的斜向及橫向通視范圍，以消除行車時的心理壓迫感。

（2）導(dǎo)向：建立一個由近及遠(yuǎn)的視覺系統(tǒng)，使司乘人員能清晰感知視距要求范圍以外公路線形及走向，并能做出相應(yīng)的駕駛措施。

（3）協(xié)調(diào)：創(chuàng)建美觀和諧的空間幾何造型，使公路自身融入沿線自然景觀、其他人工景觀，相互協(xié)調(diào)，避免格格不入。

（4）改善：對于原有地形、地貌雜亂無章或存在缺陷時，可結(jié)合公路線形設(shè)計對其進(jìn)行修繕及調(diào)整，對原有景觀進(jìn)行改善。

線形設(shè)計在改善公路景觀中的作用探討/吳?鈞

3?線形設(shè)計在改善公路景觀中的作用

公路線形是平面線形、縱斷面線形和橫斷面的集合體。在空間上，它是由長度、高度和寬度共同確定的三維立體線形［2］，在三維空間要素基礎(chǔ)上再引入“時間”以及“速度”的概念，則成為四維空間理論，公路線形也因此成為與時間因素及行駛速度密切相關(guān)的四維線形。

公路作為帶狀物，其幾何線形是構(gòu)成公路景觀的基本元素，優(yōu)美的公路線形是公路景觀設(shè)計的基礎(chǔ)，其重點(diǎn)體現(xiàn)在公路線形自身的優(yōu)美、流暢、協(xié)調(diào)，以及公路線形與周邊自然環(huán)境、其他景觀的協(xié)調(diào)這些方面。

3.1?平面線形

平面線形采用直線、圓曲線、緩和曲線（回旋線）。

3.1.1?直線

直線是公路線形中最普遍的線形要素，在通常的平面設(shè)計中，要避免采用過長或者過短的直線，過長的直線行車感覺單調(diào)、呆板，過短的直線深感線形不順暢，因此平面線形應(yīng)以直線及不同曲率的圓曲線、緩和曲線相互組合搭配，敷設(shè)于相應(yīng)地形地物中。見圖1。

除考慮滿足相關(guān)規(guī)范對直線長度的要求外，還應(yīng)考慮其與周邊地形、地物、各類景觀的配合程度，使其滿足司乘人員生理及心理舒適的要求，避免過度緊張駕駛或過度放松引發(fā)倦怠。

兩同向圓曲線間直線不宜過短，這是因?yàn)樗境巳藛T經(jīng)常忽略該段直線，產(chǎn)生將兩個曲線視同為一個曲線的錯覺。而當(dāng)兩同向圓曲線間直線具有一定長度（但不足以在視覺上被分辨出單獨(dú)的直線段）時，司乘人員常將該段直線看成與兩端圓曲線呈反向小偏角的大半徑曲線（斷背曲線），造成視覺上的偏差，影響司乘人員對前方線形的判斷，對行車不利。因此各國對圓曲線間的最小長度都有所限制，一般同向圓曲線間直線長度以＞6 v為宜（以m計，以下同），受外在條件嚴(yán)格限制時，經(jīng)論證應(yīng)≥4.5 v；反向圓曲線間直線長度為≥2 v。

當(dāng)采用非常長的直線時，路線通常難以適應(yīng)周邊地形變化，且單一線形極易使司乘人員感到單調(diào)和疲勞，造成偏道或超速，從而引發(fā)交通事故，因此德國、日本等發(fā)達(dá)國家將直線長度的最大值控制在＜20 v，我國路線設(shè)計規(guī)范對此雖然沒有專門的規(guī)定，但一般在設(shè)計中予以參考引用。

應(yīng)盡量避免在長隧道內(nèi)設(shè)置較長的直線，可用大半徑的曲線予以替代，這是因?yàn)樗淼纼?nèi)通常每隔一定距離設(shè)置有各彩色輪廓燈，由近至遠(yuǎn)重疊在一個視覺點(diǎn)上，容易引起司乘人員的注意力不集中，從而影響駕駛。

3.1.2?圓曲線

公路平面設(shè)計采用曲線最初是為繞避障礙，主要從降低造價來考慮的，例如減少土石方、減少拆遷等，其次則從安全因素考慮，例如采用較大半徑避免急驟轉(zhuǎn)向，很少從景觀融合、美學(xué)造型、行車舒適度等因素來考慮。近年來，由于公路運(yùn)行速度及車輛機(jī)械性能的提高，人們追求行駛過程的精神水平提高，開始“享受”駕駛過程，才意識到直線與圓曲線、復(fù)曲線、卵形曲線、緩和曲線、反向曲線等的科學(xué)合理組合，可以構(gòu)成順滑、連續(xù)、美觀的空間線形，使司乘人員心曠神怡，保持警覺和興奮，克服單調(diào)、呆板引起的疲勞和注意力不集中。

圓曲線半徑值應(yīng)結(jié)合周邊各控制因素盡可能采取較大數(shù)值，以獲得良好的行車視距及行車舒適感，并根據(jù)前后線形要素間相互關(guān)系，求得一連串平面線形的整體均衡。見圖2。

當(dāng)路線沿等高線或呈較小角度布設(shè)時，更容易與地形協(xié)調(diào)。除設(shè)置橋梁、隧道等構(gòu)造物外，應(yīng)盡量避免公路垂直或大角度穿越等高線。

平面曲線應(yīng)根據(jù)周圍地形、地物及沿途環(huán)境進(jìn)行線形設(shè)計，比如路線從狹長地帶通過時，外部景觀對司乘人員將產(chǎn)生警惕情緒影響，促使司乘人員集中注意力及控制車速。而當(dāng)路線從寬闊地帶通過時，司乘人員容易產(chǎn)生放松和懈怠的感覺，此時需要通過種植一定程度的綠植來改善單調(diào)視覺。

采用過大的曲線半徑往往導(dǎo)致曲線較長，不利于平縱組合設(shè)計，如采用半徑＞8 000 m的圓曲線，將導(dǎo)致局部視覺效果近似直線，破壞路線的空間幾何造型，產(chǎn)生類似長直線上行駛出現(xiàn)的單調(diào)感和疲勞感。在大半徑的曲線上行駛也會誘使車速過快，如果相鄰曲線的半徑之比偏大，則容易造成司機(jī)判斷錯誤，增大事故概率。

汽車行駛在曲線上，假如其長度過短，將導(dǎo)致急促轉(zhuǎn)向，使得離心加速度急劇變化，引發(fā)行車不適感，對司乘人員產(chǎn)生不良心理影響，提高事故發(fā)生率，因此一般對圓曲線最短長度有一定要求，通?！? s車程（以m計，以下同），一次轉(zhuǎn)向完成的平曲線極限最短長度為1.5～1.8 v為宜。

3.1.3?緩和曲線

直線與圓曲線銜接時，若圓曲線半徑值小于路線規(guī)范規(guī)定不設(shè)超高的最小半徑時，需要在兩者間設(shè)置緩和曲線過渡段，實(shí)現(xiàn)曲率半徑線性變化，其目的主要為控制離心率加速度變化，同時控制超高變化引起的路面旋轉(zhuǎn)角速度，緩和曲線主要采用回旋線。

緩和曲線的最小長度主要由滿足超高漸變率所需長度，在實(shí)際設(shè)計中，緩和曲線主要作為在視覺上滿足前方線形總體平滑圓滑效果，視覺良好的線形組合中一般緩和曲線設(shè)置較長，基本型曲線中緩-圓-緩長度之比一般以1∶1～2∶1為宜。

3.2?縱斷面線形

縱斷面線形分為直線和豎曲線。豎曲線設(shè)置在縱坡轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，用以緩和行駛車輛因運(yùn)動中重力當(dāng)量的變化而遭受的沖擊，同時保證縱面凸形部分所必需的視距以及凹形部分滿足汽車前燈所必須照射范圍的最小值。從簡化計算的角度出發(fā)，豎曲線主要采用圓曲線，國外某些地區(qū)可采用拋物線。

縱斷面設(shè)計中應(yīng)采用圓滑的線形以適應(yīng)地形起伏變化，力求與平面協(xié)調(diào)?？v斷面線形應(yīng)設(shè)計成與平面線形密切結(jié)合、視覺上連續(xù)圓滑的線形。

縱斷面設(shè)計應(yīng)努力做到縱面坡度均衡，避免造成空間線形扭曲、駝峰、跳躍等景觀缺陷，尤其應(yīng)避免出現(xiàn)視覺上的中斷（俗稱暗凹），即能看得見眼前和遠(yuǎn)處而看不見中間凹處的線形。一個較長段落內(nèi)的縱坡如形成明顯的單向變化趨勢（如越嶺線），在這個段落內(nèi)應(yīng)盡可能的采用同向變化的縱坡，避免形成反向坡，避免在視覺上產(chǎn)生公路與地形的切割感。見圖3。

縱斷面設(shè)計時應(yīng)結(jié)合地形盡可能采用較長的縱坡，短的縱坡極易產(chǎn)生凹凸起伏縱面效果，給司乘人員造成顛簸不適的感覺，容易導(dǎo)致方向操縱失誤，我國路線設(shè)計規(guī)范中規(guī)定最小坡長為2.5 v，實(shí)際使用中一般應(yīng)≥6 v才能取得良好的線形效果，如受條件限制必須采用較短坡長時，應(yīng)盡可能控制相鄰坡度代數(shù)差，以期獲得平順連續(xù)的幾何線形。

兩個同向凹形豎曲線間如果設(shè)置了短直線，會導(dǎo)致司乘人員產(chǎn)生局部凸起的錯覺，造成不良視覺效果，致使駕駛?cè)藛T的緊張情緒，應(yīng)將這兩個豎曲線連接，或通過設(shè)置能將這兩個豎曲線包含在內(nèi)的大豎曲線來消除這一不良影響。

適當(dāng)加大豎曲線半徑對工程量總體增加不多，但對改善行車視覺十分有效，也有利于構(gòu)造優(yōu)美的縱面線形，特別是在與路線上的構(gòu)造物例如橋梁、隧道配合時，更應(yīng)注意這一點(diǎn)，目前路線規(guī)范中豎曲線的最小長度主要考慮滿足3 s行程要求，而實(shí)際中應(yīng)＞9 s才不會在行車視覺上覺得該段曲線短促。

3.3?平縱組合

平縱組合重點(diǎn)考慮的是公路平、縱、橫三要素間互相協(xié)調(diào)的問題，保持空間帶狀造型的流暢性，切忌設(shè)計線形對原始地形、地貌產(chǎn)生大量的切割，留下過多的人工痕跡，如反向于地形變化的圓曲線、反向于高差變化的縱坡等。平、縱面線形的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)大小均衡，組合得當(dāng)，避免從直、緩陡然變化到坡、彎，使公路線形和駕駛體驗(yàn)感在視覺上乃至心理上保持協(xié)調(diào)，并有利于保障行車安全和排除路面積水。平面半徑與豎曲線半徑的取值若不均衡，不僅造成工程量的浪費(fèi)，同時也將失去平、縱線形中指標(biāo)低的一方的視覺性，進(jìn)而導(dǎo)致心理上失去均衡。

平、縱線形組合應(yīng)充分對應(yīng)保持平面線形與縱面線形的對應(yīng)，構(gòu)造順暢優(yōu)美的線形，在視覺上自然誘導(dǎo)司乘人員的視線，并保持視覺上的連續(xù)性。平曲線與豎曲線一一對應(yīng)，平曲線稍長于豎曲線，是十分理想的空間組合，可構(gòu)成連續(xù)順暢、造型優(yōu)美的空間幾何線形。

直線段內(nèi)插入半徑較小的豎曲線、豎曲線與緩和曲線出現(xiàn)大段落的重疊、在長直路段上設(shè)置陡坡及小半徑凹形豎曲線，都將致使幾何線形顯得呆板、僵硬，導(dǎo)致司乘人員在視覺上產(chǎn)生硬彎的錯覺，與周邊地形不匹配，從而產(chǎn)生緊張的駕駛感覺，應(yīng)予以避免。

從線形美學(xué)角度而言，司乘人員在一個線元段內(nèi)同時看到兩個甚至更多的豎曲線時，會產(chǎn)生公路被扭曲或被隔成若干段的錯覺，從而感到困惑和緊張，導(dǎo)致不安的行車反應(yīng)，應(yīng)盡量予以避免。在確保視距的前提下，對司乘人員能看見的前方道路一定長度范圍（3～6倍視距）內(nèi)線形應(yīng)予以控制，其視覺上的平面同向變化不應(yīng)超過兩個，反向變化應(yīng)≤3個，其視覺上的縱面凹凸變化應(yīng)≤3個。見圖4。

在某些特殊地區(qū)，受地形限制必須在長的平面直線上設(shè)置多個豎曲線，難免導(dǎo)致公路幾何線形及行車視覺上的駝峰和暗凹，這時應(yīng)注意改善縱坡線形，減小相鄰縱坡代數(shù)差，同時盡可能加大豎曲線半徑并將豎曲線連接起來，設(shè)置成連續(xù)的復(fù)曲線，或者調(diào)整平面線形，設(shè)置大半徑的長曲線代替直線，以美化路線空間幾何造型，改善行車視覺。實(shí)踐證明，在平曲線為直線或長大半徑曲線上設(shè)置坡差＜1％、坡長≥700 m、豎曲線長度≥400 m的2～3個變坡的平縱組合，不會導(dǎo)致駕駛者產(chǎn)生線形不連續(xù)的感覺。

對于受到地形及地貌條件限制，無法利用平縱組合有效完成視覺導(dǎo)向的地區(qū)，可通過設(shè)置防護(hù)蓬、植樹、邊坡、交通等工程手段來改善公路環(huán)境，并完成輔助向?qū)?，例如在下坡轉(zhuǎn)彎路段的外側(cè)及直線越嶺坡頂路段植樹，可起到誘導(dǎo)司乘人員視線至道路上的作用，消除其行車不安全感。

4?結(jié)語

公路線形是影響車輛運(yùn)行最重要的因素，確定公路線形的各種因素錯綜復(fù)雜，造型優(yōu)美、令人滿意的線形，可改善公路路容景觀，提供更為舒適良好的行車環(huán)境，不僅能使司乘人員心曠神怡，得到美的享受，同時可以保持司乘人員的警覺性和興奮性，克服行駛疲勞和注意力下降，降低事故發(fā)生率。

參考文獻(xiàn)

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［2］張?元.公路設(shè)計對交通安全的重要性［J］.城市建設(shè)理論研究（電子版），2014-01-15.