董學(xué)綢(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 350004)

摘 要 本文主要介紹CARD/1系統(tǒng)軸線設(shè)計在山區(qū)高速公路平面定線中的應(yīng)用，探索山區(qū)高速公路定線合理性與便捷性。

關(guān)鍵詞 CARD/1系統(tǒng) 山區(qū)高速公路 平面定線 應(yīng)用

1 概述CARD/1系統(tǒng)（Computer Aided Road Design）是由德國IB&T公司研制開發(fā)的一個集勘測、設(shè)計、繪圖一體化的土木工程軟件，至今已有20多年歷史，現(xiàn)已發(fā)展到7.7版本。它自設(shè)圖形平臺且具有自己的圖形、表格、數(shù)據(jù)和文字編輯系統(tǒng)，數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部采用數(shù)據(jù)庫相互關(guān)聯(lián)的方式高效傳輸。CARD/1系統(tǒng)不僅為工程技術(shù)人員提供了靈活方便的布線方法，同時也為設(shè)計人員提供了進(jìn)行系統(tǒng)二次開發(fā)的語言平臺，便于設(shè)計人員設(shè)計思想和目標(biāo)的實現(xiàn)。CARD/1系統(tǒng)利用野外勘測數(shù)據(jù)或已有的數(shù)字化地形圖，構(gòu)建精密的三維數(shù)字地面模型，實現(xiàn)公路平、縱、橫線型的立體設(shè)計，最終達(dá)到設(shè)計、繪圖一體化的目的。由于CARD/1是一個高度集成的土木工程勘測設(shè)計軟件系統(tǒng)，功能眾多，本文僅就其軸線設(shè)計模塊中的一些功能在山區(qū)高速公路平面定線中的應(yīng)用作個簡單。

2 山區(qū)高速公路平面定線的特點(diǎn)高速公路平、縱、橫線形的設(shè)計與組合，是關(guān)系到路線使用功能、降低工程造價和營運(yùn)成本的關(guān)鍵，山區(qū)復(fù)雜地形高速公路平面定線的合理與否尤其如此。公路平面線型與縱面、橫斷面的形式緊密相關(guān)，這就要求在山區(qū)高速公路的平面定線中注重平、縱、橫立體線型的綜合設(shè)計，注重路線的多方案比較選擇。結(jié)合我省已建多條高速公路的成功經(jīng)驗及山區(qū)地形特點(diǎn)，大體可總結(jié)以下幾條關(guān)于平面定線的特點(diǎn)：⑴路線平面設(shè)計應(yīng)最大限度的與沿線地形相適應(yīng)。選線時結(jié)合地形，采用以曲線為主的基本線型組合，力求合理利用土地，少占良田、少拆遷。⑵路線應(yīng)盡可能避開滑坡、崩塌、泥石流、軟土等不良地質(zhì)地段。⑶選線時應(yīng)充分考慮環(huán)保和景觀因素，盡可能減少對自然生態(tài)的破壞，并力求路線與自然景觀相協(xié)調(diào)。⑷合理把握技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，平面線型要為減少高填深挖創(chuàng)造條件。并本著"以隧道代替深挖方、以橋梁代替高填方、可能時以橋帶隧"的指導(dǎo)思想，辯證的從平面線位上處理高填深挖。簡言之，山區(qū)高速公路的平面定線就是一個不斷調(diào)整、比較、優(yōu)化的重復(fù)過程，采用CARD/1系統(tǒng)進(jìn)行路線設(shè)計正可幫助廣大設(shè)計人員從大量的重復(fù)性勞動中解放出來，將更多的精力投入方案設(shè)計上。

3 CARD/1系統(tǒng)路線軸線設(shè)計在完成地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)入CARD/1系統(tǒng)管理之后（地形圖數(shù)據(jù)庫同時也成為了軸線設(shè)計模塊屏幕定線的地形背景），即可開始路線平面的軸線設(shè)計工作，CARD/1軸線設(shè)計模塊凝聚了許多當(dāng)前國際上先進(jìn)的設(shè)計思想，其靈活多樣的軸線設(shè)計工具和方法幫助設(shè)計人員流暢、準(zhǔn)確的表達(dá)其設(shè)計意圖，諸如在山區(qū)高速公路平面定線中靈活、快捷的敷設(shè)"S"型、卵形、復(fù)合型曲線，以使平面線型更好的適應(yīng)地形條件，達(dá)到設(shè)計上的合理。CARD/1系統(tǒng)軸線設(shè)計從建立軸線號（或選擇已有設(shè)計軸線號），創(chuàng)建線位單元，修改線位單元，線位單元定位，到設(shè)計軸線計算，一條完整的設(shè)計軸線即被建立，而后利用系統(tǒng)構(gòu)建的三維數(shù)字地模，計算出路線縱斷面、橫斷面相對應(yīng)的地面線，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行縱、橫面的線型設(shè)計。據(jù)此即可評價所定平面線位的合理性，流程簡單明了，并且所有操作均可在可視圖形背景下完成，系統(tǒng)還提供了眾多的數(shù)據(jù)輸入、點(diǎn)位捕捉、控制點(diǎn)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢的方式方法，以幫助實現(xiàn)各種設(shè)計意圖。在CARD/1軸線設(shè)計中，工作的成敗主要取決于設(shè)計者的設(shè)計理念，及如何便捷的實現(xiàn)設(shè)計理念，而CARD/1軸線設(shè)計的"線位單元創(chuàng)建"與"線位單元定位"則是實現(xiàn)設(shè)計理念的關(guān)鍵。3.1線位單元創(chuàng)建CARD/1系統(tǒng)軸線設(shè)計的線位單元（以下簡稱"線元"）包括直線和圓弧，緩和曲線依附于圓弧。系統(tǒng)提供了設(shè)計單元和修改單元兩個平行的線元創(chuàng)建功能，在設(shè)計單元功能中提供了多種創(chuàng)建線元的方法，其中： 2點(diǎn)、2點(diǎn)和距離、最小二乘擬合、平行設(shè)計軸線的方法為山區(qū)高速公路平面定線所常用；修改單元功能中提供了諸如修改連接方向、單元點(diǎn)、半徑、緩和曲線等的方法。（1）"2點(diǎn)"法。通過輸入2單元點(diǎn)坐標(biāo)（屏幕拾取地形點(diǎn)、鍵盤輸入大地坐標(biāo)均可）創(chuàng)建一個線元，然后鍵盤輸入或鼠標(biāo)拖動單元通過點(diǎn)確定曲線半徑，也可為直線單元，若是曲線需進(jìn)一步輸入兩端回旋線參數(shù)或長度。該法與傳統(tǒng)的導(dǎo)線定線法利用彎尺敷設(shè)曲線相類似，但CARD/1可利用鼠標(biāo)拖動單元通過點(diǎn)確定曲線半徑的作法，顯然使得曲線的敷設(shè)較傳統(tǒng)彎尺法方便、快捷，也大大提高了所布設(shè)線型適應(yīng)地形條件的能力，如在山凹、山嘴處就能更快的布設(shè)出順應(yīng)等高線走向的曲線，達(dá)到節(jié)省工程量的目的（如圖1所示 見附件）。(2) "2點(diǎn)和距離"法。 根據(jù)實地2點(diǎn)及所要創(chuàng)建的新單元對該2點(diǎn)間應(yīng)保持的距離要求生成新單元（可為直線或曲線）。該法在路線局部需同時繞避2個控制點(diǎn)時最為常用，如路線繞避文物、高壓電塔、重要工礦設(shè)施等（如圖2所示 見附件）。（3）"最小二乘擬合"法。 如圖3所示，根據(jù)一組已知點(diǎn)位（圖中的十）（控制點(diǎn)、地形地物點(diǎn)等），系統(tǒng)按最小二乘法擬合計算，自動求出與已知點(diǎn)擬合最好的曲線或直線單元，該法在利用老路段落或路線受系列點(diǎn)位控制（如山區(qū)越嶺線放坡）時，使用非常方便，避免了設(shè)計人員大量的試算工作，同時系統(tǒng)擬合的線位也更加切合實際。（4）"平行設(shè)計軸線"法。 拷貝已有軸線上指定樁號范圍的線元生成單元組，該法在山區(qū)高速公路定線中的應(yīng)用也較為廣泛，如用于不同方案間段落替換、軸線拼接、平行式加、減速車道設(shè)計等，對于布設(shè)適應(yīng)山區(qū)地形特點(diǎn)的左右分離的線形尤為方便，有助于設(shè)計人員實現(xiàn)山區(qū)高速公路地形選線的理念（如圖4所示 見附件）。3.2 線位單元定位在每個新的線元被創(chuàng)建后，系統(tǒng)自動根據(jù)新單元的類型進(jìn)入相應(yīng)"單元定位"功能，新單元作為當(dāng)前工作單元。系統(tǒng)提供了多種靈活的定位方法，同時也允許在單元定位前后用"修改單元"功能對線元參數(shù)進(jìn)行修改。CARD/1系統(tǒng)的線元定位基于"不論何種定位方法，除當(dāng)前工作單元的位置可被改變外，其相鄰單元的位置不被改變"的基本原則，以此實現(xiàn)靈活、方便的單元定位。CARD/1軸線設(shè)計的強(qiáng)大功能除了體現(xiàn)于其線元創(chuàng)建的靈活多樣外，更體現(xiàn)于其線元定位的方式方法上。由于不同類型的線元均有各自適合的最佳定位方法，設(shè)計人員的意圖才能方便快捷的得到實現(xiàn)，充分體現(xiàn)設(shè)計以人為本的思想。下面介紹幾種在山區(qū)高速公路定線中較常用的定位方法。（1）《2單元》法。當(dāng)前工作單元（意欲定位的單元）的相鄰2單元位置固定，根據(jù)三單元間的邏輯連接關(guān)系及參數(shù)，當(dāng)前單元被換算到與相鄰單元路線方向連接的位置，單元間邏輯連接關(guān)系不變。該法既可對前后圓弧間的直線定位，也可在前后直線間敷設(shè)曲線，使用最為頻繁。在山區(qū)高速公路的定線中，常有一些隧道因前后地形限制，進(jìn)出口均須敷設(shè)曲線且位置又要既定，采用該法對前后相鄰圓弧間的直線段定位就要比傳統(tǒng)導(dǎo)線彎尺法更快捷、精確的布設(shè)出理想的線位

玻纖土工格柵是一種用于路面增強(qiáng)、老路補(bǔ)強(qiáng)，加固路基及軟土基的優(yōu)良土工合成材料。玻纖土工格柵高強(qiáng)無堿玻璃纖維通過國際先進(jìn)的經(jīng)編工藝制成網(wǎng)狀基材，經(jīng)表面涂覆處理而制成的半剛性制品。具有經(jīng)、緯雙向很高的抗拉強(qiáng)度和較低的延伸率，并具有耐高溫、耐低寒、抗老化、耐腐蝕等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于瀝青路面、水泥路面及路基的增強(qiáng)和鐵路路基、堤壩護(hù)坡、機(jī)場跑道、防沙治沙等工程項目。

（見圖5 見附件）。?。?）《單元旋轉(zhuǎn)---與相鄰單元連接》法。該法只考慮當(dāng)前工作單元與相鄰前或后單元一段的連接，當(dāng)前工作單元繞自身某一單元點(diǎn)、某一地形點(diǎn)、相鄰單元某一單元點(diǎn)中的任一點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)連接。在山區(qū)高速公路定線中，當(dāng)需要路線精確通過某一特定點(diǎn)（如事先擬定的控制點(diǎn)）或特定點(diǎn)限制的范圍時，用該法定位單元（不論是直線還是曲線）能快速得到理想的線位。圖6示出較典型的一種情況。 見附件（3）《確定緩和曲線》法在確保單元位置（圓心）不變的前提下，通過自動計算緩和曲線長度實現(xiàn)定位連接。該法在山區(qū)高速公路定線中使用亦較為頻繁，可以較為方便的敷設(shè)出"S"型、卵型、復(fù)合型曲線，提高了所定線型對地形的適應(yīng)能力，從方法和手段上保證了高速公路線型的連續(xù)性。該法定位單元的條件，為所確定的緩和曲線長在數(shù)學(xué)上有解，通常有以下三種情況： ①圓與直線連接，定位圓，需滿足直線和圓相離或相切； ②卵型曲線敷設(shè)，需滿足大圓包含小圓的條件。定位時自動計算小圓的緩和曲線，如果大圓（外圓）與小圓（內(nèi)圓）連接端已設(shè)置了緩和曲線，系統(tǒng)將大圓的緩和曲線刪除，生成依附于小圓的緩和曲線。 ③"S"型曲線敷設(shè)，需滿足圓和圓相離且曲線轉(zhuǎn)向相反的條件。當(dāng)其中一個圓的連接端緩和曲線已確定，系統(tǒng)自動求解另一個圓連接端的緩和曲線長度，可以檢查系統(tǒng)設(shè)置的結(jié)果并通過調(diào)整已設(shè)緩和曲線的參數(shù)，重復(fù)采用該法定位得到滿意的結(jié)果；當(dāng)兩圓連接端均未給出緩和曲線，系統(tǒng)則自動設(shè)置兩個參數(shù)值相等的對稱"S"型緩和曲線。圖7示出卵型曲線的線元定位情況。見附件

4 工程應(yīng)用CARD/1系統(tǒng)自1999年引入我院服務(wù)于工程設(shè)計后，在路線、互通立交、通道、分離式立交等多個專業(yè)上應(yīng)用，在提高工作效率的同時，也大大提高了設(shè)計方案的合理性，許多國際上較先進(jìn)的路線設(shè)計理念也正為我院廣大設(shè)計人員所借鑒。筆者應(yīng)用該系統(tǒng)先后設(shè)計或參與設(shè)計了"京福國道主干線三明際口至福州蘭圃段、邵武沙塘隘至三明際口段高速公路"、"漳州至龍巖高速公路漳州市境段""浦城至南平高速公路"等多條山區(qū)高速公路的路線設(shè)計。圖8為"京福國道主干線三明際口至福州蘭圃段福州市境段FA7合同段"某路段的路線平面布置圖，系采用CARD/1系統(tǒng)設(shè)計、繪圖的成果，具有典型山區(qū)高速公路的特點(diǎn)。圖8"京福國道主干線三明際口至福州蘭圃段福州市境段FA7合同段"某路段的路線平面布置圖