道路平面設計是復雜而又系統的，隨著(zhù)城市化進(jìn)程的加快發(fā)展以及機動(dòng)化水平的提高，道路的交通構成發(fā)生了巨大變化，同時(shí)人們對精神生活的要求也越來(lái)越高，對道路也有了更高的人性化要求。面對這些挑戰，道路設計工作者們需要與時(shí)俱進(jìn)不斷思考，設計出更適合于行車(chē)曲線(xiàn)的平面線(xiàn)形。 
中國論文網(wǎng) /8/view-6742443.htm
　　關(guān)鍵詞：平面線(xiàn)形設計 直線(xiàn)型 曲線(xiàn)型 設計方法 特點(diǎn) 
　　公路是自然界中的人工構造物，其位置確定不僅受地形、地質(zhì)、生態(tài)等建設條件的影響，而且修建以后又反作用于自然，對自然的地形、生態(tài)等會(huì )造成或多或少的破壞，同時(shí)路線(xiàn)位置還會(huì )對運行安全產(chǎn)生長(cháng)期深遠的影響。公路線(xiàn)形設計是公路設計的核心，最終決定了公路的空間位置和反饋于駕駛員的視覺(jué)形態(tài)。線(xiàn)形質(zhì)量的好壞，直接影響公路運營(yíng)的安全、經(jīng)濟、舒適、快捷功能的發(fā)揮。 
　　1 直線(xiàn)型設計 
　　1.1直線(xiàn)型設計原理及方法 
　　工程技術(shù)人員根據道路的等級、路線(xiàn)走向、控制條件和技術(shù)要求，首先在實(shí)地或圖上采用一系列連續的導線(xiàn)來(lái)控制公路的走向和基本位置，然后在路線(xiàn)的轉彎處，為適應行車(chē)和地形的要求，采用不同的曲線(xiàn)或曲線(xiàn)組合來(lái)完成導線(xiàn)折線(xiàn)處的合理過(guò)渡，從而形成整個(gè)路線(xiàn)的平面線(xiàn)形。即所謂的直線(xiàn)型設計方法。直線(xiàn)用以控制路線(xiàn)的走向和方位，在路線(xiàn)布置和設計過(guò)程中起主導作用。直線(xiàn)型設計方法通常有紙上定線(xiàn)和實(shí)地定線(xiàn)兩種。 
　　在我國公路建設早期，由于技術(shù)和現實(shí)條件等原因，不可能采用高水平的線(xiàn)形指標。因此，直線(xiàn)型設計得到了廣泛的應用和推廣。為我國公路建設的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。 
　　1.2直線(xiàn)型設計的特點(diǎn) 
　　傳統道路線(xiàn)形即為直線(xiàn)回旋線(xiàn)圓曲線(xiàn)的硬性組合。簡(jiǎn)單的運用直線(xiàn)與大半徑圓曲線(xiàn)相結合，沒(méi)有與地形地物條件相協(xié)調。以直線(xiàn)為主體、先定導線(xiàn)后定曲線(xiàn)，布線(xiàn)過(guò)程中導向線(xiàn)控制了路線(xiàn)走向，圓曲線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)是直線(xiàn)的配角，線(xiàn)形單調，線(xiàn)形的均衡性和連續性較差。 
　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統的直線(xiàn)型設計方法已難以滿(mǎn)足高等級公路平面線(xiàn)形設計的要求。近年來(lái)，曲線(xiàn)型設計方法日益被人們接受、采用。公路平面線(xiàn)型是由直線(xiàn)、圓曲線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)構成，它們是公路平面線(xiàn)型的基本要素，我們稱(chēng)之為平面線(xiàn)型的單元。一條復雜多變的公路平面線(xiàn)型是由若干個(gè)單元首尾相連而成的，一旦各個(gè)單元確定，平面線(xiàn)形就隨之而定。因此，只要對各個(gè)單元進(jìn)行選擇、組合和計算就可以了。 
　　2 曲線(xiàn)型設計 
　　主要有曲直法、積木法、擬合法、綜合法、弦切線(xiàn)法、閉合導線(xiàn)法、端點(diǎn)受限法等 
　　2.1曲直法 
　　曲直法設計的步驟：（1）根據路線(xiàn)走向、地形與地物約束條件和技術(shù)要求，在地形圖上徒手繪制若干段直線(xiàn)和圓弧，控制路線(xiàn)的總體線(xiàn)位，形成線(xiàn)形基本骨架；（2）根據直線(xiàn)與圓弧、圓弧與圓弧間的相對位置關(guān)系，利用圖解法或解析法配置合適的緩和曲線(xiàn)，確定參數A值并考察各種線(xiàn)形元素之間的協(xié)調性和均衡性；（3）判斷曲線(xiàn)組合類(lèi)型，按照曲線(xiàn)組合類(lèi)型采用“緩和曲線(xiàn)+圓曲線(xiàn)”即“LS + LY ”線(xiàn)形組合形式輸入數據，進(jìn)行平面線(xiàn)形（曲線(xiàn)）的計算、敷設和調整。 
　　曲直法既保留了傳統直線(xiàn)型設計方法的基本特征，用直線(xiàn)控制路線(xiàn)的走向和總體方位，有采取了曲線(xiàn)控制具體線(xiàn)位，利用直曲組合形成線(xiàn)形的骨架并合理配置相應的緩和曲線(xiàn)。這一方法與直線(xiàn)型設計方法相比較，計算簡(jiǎn)便靈活、直觀(guān)，實(shí)際運用過(guò)程中具有明顯的優(yōu)越性。 
　　2.2積木法 
　　又稱(chēng)作線(xiàn)元設計法，是將組合復雜的道路平面線(xiàn)形“化整為零”分解成若干個(gè)線(xiàn)形單元，在已知道路線(xiàn)形起點(diǎn)信息（如坐標、切線(xiàn)或法線(xiàn)方向、曲率半徑等）的基礎上，從起點(diǎn)處開(kāi)始設置任一單元（可沿任何方向延伸），并據此推算出該單元的終點(diǎn)信息（如坐標、法線(xiàn)方位角或曲率半徑等）的方法。之后，再將此終點(diǎn)信息作為下一單元的起點(diǎn)信息加以利用，如此逐個(gè)單元往下推算，如同搭積木一樣，將各單元首尾連接，構成一條連續完整的平面線(xiàn)形。 
　　總之，積木法是一種比較典型的曲線(xiàn)設計方法，它完全摒棄了導線(xiàn)和交點(diǎn)，以構成公路平面線(xiàn)形的基本曲線(xiàn)單元（直線(xiàn)元、圓曲線(xiàn)元、緩和曲線(xiàn)元），將復雜多變的平面線(xiàn)型組合分解成逐個(gè)單元進(jìn)行計算。具有如下特點(diǎn)： 
　　1）曲線(xiàn)組合自由、靈活、多變，不受傳統設計方法中線(xiàn)型組合形式的限制，常能直接表達設計人員的意圖。 
　　2）計算方法簡(jiǎn)捷、方便、明確，便于應用計算機進(jìn)行輔助設計和計算。 
　　3）積木法較適用于初步設計階段和施工圖設計 階段的平面線(xiàn)型設計，最適應于旋工放線(xiàn)測量計算，尤其是對互通匝道計算特別方便。 
　　4）積木法最大缺點(diǎn)是平面線(xiàn)型中某一線(xiàn)元發(fā)生變化，將導致整條路線(xiàn)的位置都要發(fā)生變化，曲線(xiàn)需重新計算，因而不便于線(xiàn)型的修改。 
　　2.3擬合法 
　　所謂“曲線(xiàn)擬合”，簡(jiǎn)單講，就是如何將給定的一組數據（型值點(diǎn)）用一條光滑曲線(xiàn)連接起來(lái)的問(wèn)題。根據擬合曲線(xiàn)對型值點(diǎn)接近程度的不同，擬合問(wèn)題可分為“插值”和“逼近”兩種類(lèi)型。如果要求擬合曲線(xiàn)通過(guò)各型值點(diǎn)，則稱(chēng)為曲線(xiàn)“插值”；如果只要求擬合曲線(xiàn)以某種程度接近各型值點(diǎn)，則稱(chēng)為“逼近”。 
　　常用的擬合曲線(xiàn)有：圓弧樣條曲線(xiàn)、三次B樣條曲線(xiàn)、局部坐標下三次樣條曲線(xiàn)、三次參數樣條曲線(xiàn)。 
　　工程實(shí)踐中所使用的擬合曲線(xiàn)，除應具有幾何不變性質(zhì)外，一般還需具有下列品質(zhì)：①光滑性：一般要求擬合曲線(xiàn)至少具有二階連續性； ②凹凸性：根據型值點(diǎn)確定的曲線(xiàn)要素，應保持型值點(diǎn)所具有的凹凸狀態(tài)； ③精確性：由擬合構造出的曲線(xiàn)要通過(guò)或比較近地逼近所給定的型值點(diǎn)。 
　　2.4綜合法 
　　綜合法是將擬合法和積木法的優(yōu)點(diǎn)加以綜合應用，揚長(cháng)避短，實(shí)現由擬合線(xiàn)形向傳統線(xiàn)形轉化的一種曲線(xiàn)型設計方法。其基本思路是：先對路線(xiàn)布設過(guò)程中確定的控制點(diǎn)進(jìn)行樣條曲線(xiàn)擬合設計，生成一條滿(mǎn)足約束條件的光滑曲線(xiàn)，并沿路線(xiàn)前進(jìn)方向求出一定間隔點(diǎn)處的曲率，生成擬合曲線(xiàn)的曲率圖；由人工或計算機對擬合曲線(xiàn)曲率圖進(jìn)行“規則化”處理，得到與公路平面線(xiàn)形組合模式相一致的曲率圖，據此推算出對應曲線(xiàn)單元的設計參數值；最后利用積木法進(jìn)行曲線(xiàn)計算與敷設，繪制出公路平面線(xiàn)位圖。 　　綜合法將曲線(xiàn)擬合與線(xiàn)元設計有機結合起來(lái)，具有靈活、方便、易于控制的特點(diǎn)；這種設計方法的核心是兩種曲線(xiàn)曲率圖之間的轉換；三次B樣條擬合函數是逼近函數而不是插值函數，若要求生成的擬合曲線(xiàn)嚴格通過(guò)控制點(diǎn)或經(jīng)濟點(diǎn)，最好對輸入的控制點(diǎn)作一些技巧上的處理或采用三次樣條擬合；另外， 曲線(xiàn)敷設和計算也可以采用前述積木法中的直線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)、圓曲線(xiàn)單元進(jìn)行；應用這種方法，曲線(xiàn)的擬合過(guò)程可用于路線(xiàn)或匝道的方案布線(xiàn)，而在此基礎上進(jìn)行的“Ls+Ly”線(xiàn)元計算過(guò)程又能很好地應用于路線(xiàn)施工圖設計和施工放樣，因此，對于公路路線(xiàn)設計而言，綜合法具有較好的應用價(jià)值。 
　　2.5弦切線(xiàn)法 
　　對于路線(xiàn)平面線(xiàn)形而言，其基本構成單元無(wú)外乎是圓曲線(xiàn)（直線(xiàn)）和緩和曲線(xiàn)。一段圓曲線(xiàn)的終點(diǎn)，可認為事其弦長(cháng)（弧長(cháng)）在相應的方向上的延伸所構成的：一段緩和曲線(xiàn)的終點(diǎn)，課認為是由其方向和距離所構成的。因此，在一段路線(xiàn)的起、終點(diǎn)坐標和切線(xiàn)方向固定的情況下，便能容易的求出坐標增量、方位增量的計算式，進(jìn)而得出各曲線(xiàn)參數。設計人員只需在地形圖上根據線(xiàn)形技術(shù)標準要求、地形和地物及環(huán)境約束情況，確定構成路線(xiàn)或匝道線(xiàn)形單元的弦線(xiàn)、半徑等，并計算切線(xiàn)長(cháng)度，確定曲線(xiàn)單元位置。這種當導線(xiàn)確定后，如何取舍放坡點(diǎn)，形成路線(xiàn)導線(xiàn)和交點(diǎn)，并使導線(xiàn)長(cháng)度滿(mǎn)足相應技術(shù)要求的方法即為弦切線(xiàn)法。 
　　特點(diǎn)：弦切線(xiàn)法采用一系列的直線(xiàn)構筑路線(xiàn)的具體走向和方位， 總體上給人以直觀(guān)明了的印象，設計人員操作簡(jiǎn)單方便；各種曲線(xiàn)類(lèi)型已知參數值（如曲率半徑等）可以在地形圖上初步擬定；終點(diǎn)或中間點(diǎn)的控制條件會(huì )影響到整條路線(xiàn)的幾何布置，；整條路線(xiàn)線(xiàn)位合理與否，關(guān)鍵取決于各弦線(xiàn)長(cháng)度、位置及各弦線(xiàn)之間的相互關(guān)系，而這些在線(xiàn)形布置和曲線(xiàn)敷設之前都帶有一定的盲目性。 
　　2.6閉合導線(xiàn)法 
　　在公路平面設計時(shí)，常常會(huì )遇到一些特殊的設計問(wèn)題，如一些立交匝道、道路中間帶、居民區道路線(xiàn)形設計，需采用曲線(xiàn)的復雜組合連接兩條主線(xiàn)。針對上述情況，可將兩條主線(xiàn)、匝道當成一個(gè)封閉的線(xiàn)路分析。根據閉合導線(xiàn)邊長(cháng)及角度之間的內在幾何關(guān)系，設計出組合復雜的平面線(xiàn)形，即為閉合導線(xiàn)法。 
　　閉合導線(xiàn)法具有通用性、簡(jiǎn)潔性及易于程序操作計算的特點(diǎn)，容易被技術(shù)人員接受，而成為公路工程及測量工作的一種有用的工具；閉合導線(xiàn)法盡管借助導線(xiàn)來(lái)進(jìn)行計算，但就其路線(xiàn)幾何布置方式和計算方法而言，仍然是工程師們在圖紙上直接擬定圓弧參數及其組合形式，因而是一種典型的曲線(xiàn)型的設計方法；由于閉合導線(xiàn)法不適用于帶緩和曲線(xiàn)的平面曲線(xiàn)組合，因此，這種方法僅能作為公路平面線(xiàn)形設計的一種輔助方法加以運用。 
　　2.7端點(diǎn)受限法 
　　顧名思義，端點(diǎn)受限是指組合形式已知的某段平面線(xiàn)形的起、終點(diǎn)的位置坐標（x，y）、方位角 和曲率半徑R給定或受到限制。端點(diǎn)受限法完全擺脫了導線(xiàn)模式和繁雜的幾何推導，其數學(xué)模型簡(jiǎn)潔、精確、統一和通用；同時(shí)解決了線(xiàn)形參數自動(dòng)求解計算和線(xiàn)形自動(dòng)定位計算這兩類(lèi)主要設計計算問(wèn)題，便于應用和交互式圖形CAD軟件開(kāi)發(fā)，而不必關(guān)心所設計線(xiàn)形的組合形式的復雜性，從而提高了設計的自動(dòng)化水平。 
　　3 其他曲線(xiàn)型設計方法 
　　主要有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、CBR法和圓弧移動(dòng)法。這三種方法目前應用較少，筆者也不甚了解，只做初步的特點(diǎn)說(shuō)明。 
　　3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法 
　　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )能很好地逼近和模擬線(xiàn)位約束條件與線(xiàn)形參數之間的依存關(guān)系，由輸出結果所得到的線(xiàn)形可很好地逼近所給的控制點(diǎn)位。因此，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法是一種用于平面布線(xiàn)的快速、有效的輔助方法。當然，應用這種方法的前提和關(guān)鍵是選取合適的樣本集來(lái)訓練BP網(wǎng)絡(luò )。 
　　3.2 CBR法 
　　CBR方法體現了人工智能原理和方法，將別人的設計經(jīng)驗以樣本集或事例庫的形式保存下來(lái)，以便于指導相似的設計，減少甚至避免人工多次試探和調整，從而提高設計的自動(dòng)化和智能水平。 
　　3.3 圓弧移動(dòng)法 
　　圓弧移動(dòng)方法作為曲線(xiàn)型設計方法的有效輔助手段，易于在交互式圖形CAD軟件系統中實(shí)現，充分發(fā)揮交互式圖形設計功能，以輔助各種曲線(xiàn)型設計方法的應用，減少設計中的盲目性，從而提高設計效率。 
　　4 結束語(yǔ) 
　　采用不同類(lèi)型的平面線(xiàn)形設計方法進(jìn)行公路選線(xiàn)、設計，都要處理好線(xiàn)形與地形、環(huán)境及行車(chē)要求的關(guān)系。應根據直線(xiàn)基本型和曲線(xiàn)型（曲直法、擬合法、積木法、綜合法、弦切線(xiàn)法、閉合導線(xiàn)法、端點(diǎn)受限法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、CBR法、圓弧移動(dòng)法）等不同線(xiàn)型設計方法的特點(diǎn)合理采用不同方法，提高道路平面線(xiàn)形設計的質(zhì)量。本文分析了道路平面設計方法的原理及特點(diǎn)，這些方法的提出，為設計人員在選線(xiàn)過(guò)程中合理協(xié)調各種影響因素、解決設計主要矛盾提供了有益的參考。 
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