山區(qū)低等級公路縱斷面計算機(jī)自動化設(shè)計

鄭 勇

山區(qū)低等級公路設(shè)計速度及線形指標(biāo)較低,在設(shè)計時更多的考慮工程經(jīng)濟(jì)性問題,這就要求路線的平縱線形要盡可能的依山就勢,減少對原地形的破壞以取得較少的工程量。

本文基于自動化設(shè)計理念,嘗試?yán)脭?shù)學(xué)模型盡可能代替線形設(shè)計中人為參與的部分工作,利用計算機(jī)語言編程能夠在最短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整的縱斷面線形設(shè)計。將本研究成果應(yīng)用于山區(qū)公路縱斷面輔助設(shè)計中,不僅可以為縱斷面線形方案提供參考和評價,也有望能夠在該成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行再加工最終形成符合實(shí)際工程應(yīng)用的設(shè)計成果[1-3]。計算機(jī)自動調(diào)整,對縱坡相近的相鄰坡段進(jìn)行合并;7)配置豎曲線。根據(jù)上一步的結(jié)果,計算豎曲線半徑、縱坡差、豎曲線長度、起始點(diǎn)樁號坐標(biāo),配置合適的豎曲線半徑和長度,得到縱斷面階段設(shè)計成果,根據(jù)程序給出的設(shè)計成果判斷是否需要進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)整;8)人機(jī)交互調(diào)整。利用人機(jī)交互方式通過增刪變坡點(diǎn)、對指定路段坡度、坡長的具體數(shù)值的調(diào)整達(dá)到對設(shè)計方案的優(yōu)化,調(diào)整結(jié)束進(jìn)入豎曲線配置;9)最終成果。包括所有縱斷面設(shè)計要素及評價指標(biāo)的計算及數(shù)值輸出,及整個地面線、變坡線、豎曲線及其樁號、高程的完整圖形輸出。

1 程序設(shè)計流程

本程序使用MATLAB語言編寫,設(shè)計流程是一個從地面線數(shù)據(jù)到最終設(shè)計線的一個包含縱斷面線形設(shè)計的完整過程:1)數(shù)據(jù)及控制指標(biāo)輸入。輸入地面線各點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),同時根據(jù)規(guī)范及公路等級設(shè)計要求,確定地面線擬合次數(shù)、最小坡長、最小縱坡、最大縱坡4個主要控制指標(biāo),以及凹形/凸形豎曲線最小半徑、豎曲線最小長度等一般控制指標(biāo);2)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。檢驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)的完整性;3)擬合地面線。首先利用多項(xiàng)式擬合地面線,通過調(diào)整多項(xiàng)式的次數(shù)獲得合適的擬合地面線;4)生成初始變坡點(diǎn)。對地面線進(jìn)行三階求導(dǎo),通過求解導(dǎo)函數(shù)零點(diǎn)實(shí)根找到局部坡段極大變化點(diǎn),即“準(zhǔn)變坡點(diǎn)”;5)指標(biāo)判斷。對上一步得到的變坡點(diǎn)、變坡線等依據(jù)步驟1的控制指標(biāo)進(jìn)行判斷,不滿足要求則回到第1步進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,滿足要求后進(jìn)入下一步;6)坡段約束處理。對初始變坡線各坡段縱坡和坡長指標(biāo)按照規(guī)范及控制指標(biāo)要求進(jìn)行

2 評價指標(biāo)

2.1 縱斷面線形評價指標(biāo)

本文針對部分路段的坡度組合評價問題提出了坡長飽和系數(shù)rli,這一指標(biāo)將單個坡段的坡長和坡度指標(biāo)聯(lián)系起來,坡長飽和系數(shù)越小,車輛爬坡或下坡就越容易,對運(yùn)行速度的影響也就越小,對于大型車輛的行駛就更有利。將整個路段的各單獨(dú)坡段的坡長飽和系數(shù)相加得到坡長飽和系數(shù)和,這樣就把整個路段各坡段聯(lián)系了起來,其表達(dá)式如下:

式中:li——第 i個坡段的設(shè)計坡長,m;

limax——第 i個坡段設(shè)計速度及設(shè)計縱坡下的限制坡長,m。

2.2 工程經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)

這里構(gòu)造一個簡單描述填挖工程量的指標(biāo)高差標(biāo)準(zhǔn)差s:

式中:yhi——第 i點(diǎn)處設(shè)計線高程,m;

yHi——第 i點(diǎn)處地面線高程,m。

高差標(biāo)準(zhǔn)差s利用編程可以很方便求出,表示設(shè)計線高程與地面線高程差的幅度大小,高差標(biāo)準(zhǔn)差越小,則高程差的整體幅度越小,總的填方或挖方工程量自然就越小。

3 自動化設(shè)計實(shí)例

樣本選自山西省內(nèi)某山區(qū)二級公路一段長8 910 m的路段,在一段約3 km的連續(xù)上坡路段后緊接著一段2 km長的連續(xù)下坡路段,變化豐富的地形非常適合檢驗(yàn)程序的設(shè)計效果。

程序主要是通過擬合次數(shù)、最大縱坡、最小縱坡和最小坡長這4個指標(biāo),同時結(jié)合人機(jī)交互來調(diào)整線形產(chǎn)生不同的方案,其中以前3個指標(biāo)為主。通過不同的指標(biāo)組合,運(yùn)行程序得到3個可行方案(見表1)。

表1 多方案評價指標(biāo)表

經(jīng)驗(yàn)證,3個方案各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,從表1可以看出,方案C在反映工程量的指標(biāo)高差標(biāo)準(zhǔn)差上控制的最好,為37.79 m,說明方案C最為經(jīng)濟(jì)合理;再進(jìn)行縱斷面線形質(zhì)量評價,方案C的坡長飽和系數(shù)和也為3個方案中最小,僅為1.84,相對其他兩個方案優(yōu)勢明顯作為最佳方案。綜上可見方案C在工程經(jīng)濟(jì)性及縱斷面線形指標(biāo)的簡單評價中均為最優(yōu)方案,方案成果見表2。

表2 方案C設(shè)計成果表

4 結(jié)語

本文著重針對山區(qū)低等級公路縱斷面設(shè)計特點(diǎn),在滿足良好工程經(jīng)濟(jì)性和線形質(zhì)量的前提下,對縱斷面線形設(shè)計理論的模型化、程序化改造進(jìn)行了理論分析和實(shí)現(xiàn)方法研究。結(jié)果表明:該程序能夠適應(yīng)一般山區(qū)公路復(fù)雜地形條件下的設(shè)計要求,允許設(shè)計者根據(jù)地形特點(diǎn)、公路等級要求等制定一系列不同的控制指標(biāo),僅需少量的人工參與,程序便能快速自動產(chǎn)生符合設(shè)計要求的縱斷面線形,設(shè)計成果具有良好的線形質(zhì)量和工程經(jīng)濟(jì)性。

[1] 符鋅砂.公路計算機(jī)輔助設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,1998.

[2] 霍 明.山區(qū)高速公路勘察設(shè)計指南[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3] 朱照宏,陳雨人.道路路線CAD[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1998.