道路交叉口立面設(shè)計CAD的研究和開發(fā)

劉 輝，廖東杰，方曉亮

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北武漢 430023）

1 概述

交叉口設(shè)計主要分為柔性路面和剛性路面兩種類型。

柔性路面的設(shè)計基本步驟為：

（1）構(gòu)造道口邊界線和路脊線；

（2）設(shè)置和修改控制點(diǎn)、繪圖參數(shù)等；

（3）繪制計算線、等高線；

（4）計算、查詢高程；

（5）圖面整理（刪除標(biāo)注、等高線、網(wǎng)格、控制點(diǎn)等）。

剛性路面在步驟（2）與（3）之間增加了網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格編輯和計算的功能，其中網(wǎng)格劃分有5種方式：道路等級不同差異較大的十字道口、道路等級不同差異較小的十字道口、道路等級相同的十字道口、全局方格網(wǎng)法以及區(qū)域方格網(wǎng)法。

本系統(tǒng)的交叉口模塊道口路脊線可以為直線型或者弧線型，路脊線可以不交于一點(diǎn)（剛性路面道口的區(qū)域劃分除外），可適用于城市道路的大部分道口設(shè)計，計算高程考慮了縱斷面的豎曲線高程和坡度，利用控制點(diǎn)高程和計算線進(jìn)行插值計算，結(jié)果較為精確。

2 關(guān)于“控制點(diǎn)”的研究

為了能將道路交叉口立面設(shè)計開發(fā)成CAD軟件，引入“控制點(diǎn)”的概念，控制點(diǎn)是一些特殊點(diǎn)，分為基本控制點(diǎn)和用戶定義的控制點(diǎn)。基本控制點(diǎn)是必須的，分布在道口邊界線上，由程序自動生成，高程由程序自動算出來，用戶可以修改高程，但不能刪除它；用戶定義的控制點(diǎn)：用戶可以根據(jù)需要隨意在道口區(qū)域設(shè)置控制點(diǎn)并指定其高程。

（1）特征點(diǎn)位置

根據(jù)邊界線特征，自動計算控制點(diǎn)位置（考慮特征點(diǎn)0、1、3、4是否存在等不同情況，如只有特征點(diǎn) 0、1、3，而特征點(diǎn) 4不存在）。

特征點(diǎn)說明如下：

路脊線與邊界線交點(diǎn)為入口點(diǎn)，即點(diǎn)5、6；

邊界線上，與入口點(diǎn)相鄰的左右節(jié)點(diǎn)，即為左右轉(zhuǎn)折點(diǎn) 0、4；

邊界線上，凸度最大的一段為轉(zhuǎn)角圓弧，其兩端節(jié)點(diǎn)為轉(zhuǎn)角切點(diǎn)，即點(diǎn)1、3；

圓弧中間控制點(diǎn)在轉(zhuǎn)角圓弧上，與AB延長線的交點(diǎn)，見圖1。

圖1 特征點(diǎn)示意圖

（2）計算特征點(diǎn)高程

入口點(diǎn)高程，根據(jù)路脊線中心控制點(diǎn)高程和縱坡，或根據(jù)豎曲線計算；

轉(zhuǎn)折點(diǎn)和轉(zhuǎn)角切點(diǎn)的高程，根據(jù)對應(yīng)路脊線上的點(diǎn)，及入口橫坡計算。

轉(zhuǎn)角圓弧中點(diǎn)的高程，算法如下：

通過3、1兩點(diǎn)的線性延伸求得B點(diǎn)高程H1，

通過4、2兩點(diǎn)的線性延伸求得B點(diǎn)高程H2,

則B點(diǎn)最終高程為Hb=(H1+H2)/2；

中心控制點(diǎn)和B點(diǎn)連線的線性延伸，求得0點(diǎn)處高程。

（3）編輯控制點(diǎn)

插入控制點(diǎn)：

a.在邊界線上插入控制點(diǎn)，該控制點(diǎn)的高程，通過邊界線上相鄰控制點(diǎn)線性內(nèi)插計算求得。

b.在路脊線上插入控制點(diǎn)，該控制點(diǎn)的高程，通過路脊線上相鄰折點(diǎn)線性內(nèi)插計算求得；或是通過關(guān)聯(lián)豎曲線計算。

c.在面片內(nèi)部插入控制點(diǎn):方法一，若新插入點(diǎn)在已有計算線上，根據(jù)計算線起點(diǎn)高程和插入點(diǎn)高程，重新推算出計算線終點(diǎn)高程，并將該終點(diǎn)添加到邊界線上控制點(diǎn)集合中。方法二，若新插入點(diǎn)不在已有計算線上，先找出該點(diǎn)所在面片，再找出該點(diǎn)在哪兩條計算線之間，然后按插入點(diǎn)到兩計算線距離之比構(gòu)造新的計算線，并求得新計算線在路脊線上高程，然后按方法一的方法操作。

d.若插入控制點(diǎn)在道口中心控制點(diǎn)位置，不處理。

移動控制點(diǎn)。僅允許在邊界線和路脊線上移動控制點(diǎn)，高程不變。

刪除控制點(diǎn)。

修改控制點(diǎn)高程。

3 關(guān)于“分割線”的研究（本軟件重要創(chuàng)新）

3.1 “分割線”適用情況

交叉口豎向設(shè)計中，以“面片”為基本單位。MEDS可直接處理的面片為“L型”面片，它由兩條相交的路脊線和邊界線圍成，見圖2。但設(shè)計過程中，可能出現(xiàn)特殊形狀的面片，如圖3中存在“U型”面片。對此，需要利用“分割線”功能，將其分割成標(biāo)準(zhǔn)的“L型”面片。如圖3中，綠色的分割線將“U型”面片分割成兩個“L型”面片。

圖2 L型面片

圖3 U型面片

3.2 分割線使用的注意事項

（1）程序會自動判斷是否存在“特殊面片”，從而提示選擇“分割線”。“分割線”對于正常的面片不起作用；

（2）分割線兩端需要分別與路脊線和邊界線有交點(diǎn)，從而保證形成閉合的“L型”面片；

（3）請用CAD直線命令，繪制分割線；

（4）分割線盡量不要切在“轉(zhuǎn)角圓弧”上，以防影響基本控制點(diǎn)的生成；

（5）當(dāng)一個交叉口中，存在多個“特殊面片”，可以為每個“特殊面片”繪制一條分割線，分割線支持多選，見圖4；

圖4 分割線使用示意

（6）當(dāng)在一個“特殊面片”中繪制了多條分割線，程序自動選取第一條分割線，其它舍棄不用。

3.3 分割線操作流程

（1）用戶根據(jù)經(jīng)驗，在執(zhí)行“繪制基本控制點(diǎn)”命令之前，于“特殊面片”處繪制好“分割線”；

（2）設(shè)置完交叉口參數(shù)并點(diǎn)擊確定后，程序會自動判斷是否存在“特殊面片”，從而在CAD命令行提示用戶選擇“分割線”；

（3）程序自動完成標(biāo)準(zhǔn)面片的分割。

4 軟件主要開發(fā)內(nèi)容

（1）整理邊界線

選擇道路邊界多段線，其中多段線Z坐標(biāo)應(yīng)為0，且為閉合狀態(tài)，定義完畢邊界線呈紅色顯示。

（2）繪制基本控制點(diǎn)

選擇邊界線和路脊線，設(shè)置有關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)將自動繪制基本控制點(diǎn)，見圖5。

（3）插入控制點(diǎn)

在CAD中選擇插入點(diǎn)位置，命令行中輸入控制點(diǎn)高程，確定即可。

（4）修改控制點(diǎn)高程

選擇控制點(diǎn)的塊參照，命令行中輸入新的高程，確定后標(biāo)注也同步更改。

（5）修改繪圖參數(shù)

選擇邊界線后，可調(diào)整所選道口的計算線間距、等高距參數(shù)。

（6）繪制等高線

系統(tǒng)根據(jù)前面的設(shè)計，自動繪制等高線，見圖6。

（7）標(biāo)注等高線

在CAD中分別指定標(biāo)注的起點(diǎn)、終點(diǎn)及設(shè)置標(biāo)注字高參數(shù)，則在所選點(diǎn)形成的直線與等高線的交點(diǎn)處將高程標(biāo)注出來。

（8）查詢高程

（9）劃分網(wǎng)格

若圖中有多個道口，首先選擇要操作的道口邊線，彈出如下圖對話框，選擇道口劃分方法，分5種方式：道路等級不同差異較大的十字道口、道路等級不同差異較小的十字道口、道路等級相同的十字道口、全局方格網(wǎng)法以及區(qū)域方格網(wǎng)法。其中十字道口劃分方法只適用于4個道路和4根路脊線的道口，全局方格網(wǎng)法和區(qū)域方格網(wǎng)法適用于所有類型。選擇板塊劃分的寬度和長度，確定即可，見圖7。

圖7 劃分網(wǎng)格

（10）修剪網(wǎng)格線

選擇命令后，會對CAD中所有在MEDS網(wǎng)格系統(tǒng)圖層中的線段批量進(jìn)行修剪，只留下在道口中的部分。

（11）標(biāo)注角點(diǎn)高程

設(shè)置標(biāo)注字體的高度后確定即可。

（12）刪除控制點(diǎn)，刪除計算線，刪除等高線，刪除標(biāo)注，刪除網(wǎng)格。