[文章]：CARD/1系统轴线设计在山区高速公路平面定线中的应用

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CARD/1系统轴线设计在山区高速公路平面定线中的应用

【摘  要】本文主要介绍CARD/1系统轴线设计在山区高速公路平面定线中的应用，探索山区高速公路定线 合理性与便捷性。
【关键词】CARD/1系统 山区高速公路 平面定线 应用

1 概述

CARD/1系统（Computer Aided Road Design）是由德国IB&T公司研制开发的一个集勘测、设计、绘图一体化的土木工程软件，至今已有20多年历史，现已发展到7.7版本。它自设图形平台且具有自己的图形、表格、数据和文字编辑系统，数据在系统内部采用数据库相互关联的方式高效传输。CARD/1系统不仅为工程技术人员提供了灵活方便的布线方法，同时也为设计人员提供了进行系统二次开发的语言平台，便于设计人员设计思想和目标的实现。

CARD/1系统利用野外勘测数据或已有的数字化地形图，构建精密的三维数字地面模型，实现公路平、纵、横线型的立体设计，最终达到设计、绘图一体化的目的。由于CARD/1是一个高度集成的土木工程勘测设计软件系统，功能众多，本文仅就其轴线设计模块中的一些功能在山区高速公路平面定线中的应用作个简单。

2 山区高速公路平面定线的特点

高速公路平、纵、横线形的设计与组合，是关系到路线使用功能、降低工程造价和营运成本的关键，山区复杂地形高速公路平面定线的合理与否尤其如此。公路平面线型与纵面、横断面的形式紧密相关，这就要求在山区高速公路的平面定线中注重平、纵、横立体线型的综合设计，注重路线的多方案比较选择。结合我省已建多条高速公路的成功经验及山区地形特点，大体可总结以下几条关于平面定线的特点：

⑴路线平面设计应最大限度的与沿线地形相适应。选线时结合地形，采用以曲线为主的基本线型组合，力求合理利用土地，少占良田、少拆迁。

⑵路线应尽可能避开滑坡、崩塌、泥石流、软土等不良地质地段。

⑶选线时应充分考虑环保和景观因素，尽可能减少对自然生态的破坏，并力求路线与自然景观相协调。

⑷合理把握技术标准，平面线型要为减少高填深挖创造条件。并本着"以隧道代替深挖方、以桥梁代替高填方、可能时以桥带隧"的指导思想，辩证的从平面线位上处理高填深挖。
    简言之，山区高速公路的平面定线就是一个不断调整、比较、优化的重复过程，采用CARD/1系统进行路线设计正可帮助广大设计人员从大量的重复性劳动中解放出来，将更多的精力投入方案设计上。

3 CARD/1系统路线轴线设计

在完成地形图数据进入CARD/1系统管理之后（地形图数据库同时也成为了轴线设计模块屏幕定线的地形背景），即可开始路线平面的轴线设计工作，CARD/1轴线设计模块凝聚了许多当前国际上先进的设计思想，其灵活多样的轴线设计工具和方法帮助设计人员流畅、准确的表达其设计意图，诸如在山区高速公路平面定线中灵活、快捷的敷设"S"型、卵形、复合型曲线，以使平面线型更好的适应地形条件，达到设计上的合理。

CARD/1系统轴线设计从建立轴线号（或选择已有设计轴线号），创建线位单元，修改线位单元，线位单元定位，到设计轴线计算，一条完整的设计轴线即被建立，而后利用系统构建的三维数字地模，计算出路线纵断面、横断面相对应的地面线，在此基础上进行纵、横面的线型设计。据此即可评价所定平面线位的合理性，流程简单明了，并且所有操作均可在可视图形背景下完成，系统还提供了众多的数据输入、点位捕捉、控制点设置、数据查询的方式方法，以帮助实现各种设计意图。在CARD/1轴线设计中，工作的成败主要取决于设计者的设计理念，及如何便捷的实现设计理念，而CARD/1轴线设计的"线位单元创建"与"线位单元定位"则是实现设计理念的关键。

3.1线位单元创建

CARD/1系统轴线设计的线位单元（以下简称"线元"）包括直线和圆弧，缓和曲线依附于圆弧。系统提供了设计单元和修改单元两个平行的线元创建功能，在设计单元功能中提供了多种创建线元的方法，其中： 2点、2点和距离、最小二乘拟合、平行设计轴线的方法为山区高速公路平面定线所常用；修改单元功能中提供了诸如修改连接方向、单元点、半径、缓和曲线等的方法。

（1）"2点"法。

通过输入2单元点坐标（屏幕拾取地形点、键盘输入大地坐标均可）创建一个线元，然后键盘输入或鼠标拖动单元通过点确定曲线半径，也可为直线单元，若是曲线需进一步输入两端回旋线参数或长度。该法与传统的导线定线法利用弯尺敷设曲线相类似，但CARD/1可利用鼠标拖动单元通过点确定曲线半径的作法，显然使得曲线的敷设较传统弯尺法方便、快捷，也大大提高了所布设线型适应地形条件的能力，如在山凹、山嘴处就能更快的布设出顺应等高线走向的曲线，达到节省工程量的目的（如图1所示  见附件）。

(2) "2点和距离"法。
    根据实地2点及所要创建的新单元对该2点间应保持的距离要求生成新单元（可为直线或曲线）。该法在路线局部需同时绕避2个控制点时最为常用，如路线绕避文物、高压电塔、重要工矿设施等（如图2所示  见附件）。

（3）"最小二乘拟合"法。
    如图3所示，根据一组已知点位（图中的十）（控制点、地形地物点等），系统按最小二乘法拟合计算，自动求出与已知点拟合最好的曲线或直线单元，该法在利用老路段落或路线受系列点位控制（如山区越岭线放坡）时，使用非常方便，避免了设计人员大量的试算工作，同时系统拟合的线位也更加切合实际。

（4）"平行设计轴线"法。
    拷贝已有轴线上指定桩号范围的线元生成单元组，该法在山区高速公路定线中的应用也较为广泛，如用于不同方案间段落替换、轴线拼接、平行式加、减速车道设计等，对于布设适应山区地形特点的左右分离的线形尤为方便，有助于设计人员实现山区高速公路地形选线的理念（如图4所示  见附件）。

3.2 线位单元定位

在每个新的线元被创建后，系统自动根据新单元的类型进入相应"单元定位"功能，新单元作为当前工作单元。系统提供了多种灵活的定位方法，同时也允许在单元定位前后用"修改单元"功能对线元参数进行修改。CARD/1系统的线元定位基于"不论何种定位方法，除当前工作单元的位置可被改变外，其相邻单元的位置不被改变"的基本原则，以此实现灵活、方便的单元定位。CARD/1轴线设计的强大功能除了体现于其线元创建的灵活多样外，更体现于其线元定位的方式方法上。由于不同类型的线元均有各自适合的最佳定位方法，设计人员的意图才能方便快捷的得到实现，充分体现设计以人为本的思想。下面介绍几种在山区高速公路定线中较常用的定位方法。

（1）《2单元》法。

当前工作单元（意欲定位的单元）的相邻2单元位置固定，根据三单元间的逻辑连接关系及参数，当前单元被换算到与相邻单元路线方向连接的位置，单元间逻辑连接关系不变。该法既可对前后圆弧间的直线定位，也可在前后直线间敷设曲线，使用最为频繁。在山区高速公路的定线中，常有一些隧道因前后地形限制，进出口均须敷设曲线且位置又要既定，采用该法对前后相邻圆弧间的直线段定位就要比传统导线弯尺法更快捷、精确的布设出理想的线位（见图5  见附件）。
　

（2）《单元旋转---与相邻单元连接》法。

该法只考虑当前工作单元与相邻前或后单元一段的连接，当前工作单元绕自身某一单元点、某一地形点、相邻单元某一单元点中的任一点进行旋转连接。在山区高速公路定线中，当需要路线精确通过某一特定点（如事先拟定的控制点）或特定点限制的范围时，用该法定位单元（不论是直线还是曲线）能快速得到理想的线位。

图6示出较典型的一种情况。 见附件

（3）《确定缓和曲线》法

在确保单元位置（圆心）不变的前提下，通过自动计算缓和曲线长度实现定位连接。该法在山区高速公路定线中使用亦较为频繁，可以较为方便的敷设出"S"型、卵型、复合型曲线，提高了所定线型对地形的适应能力，从方法和手段上保证了高速公路线型的连续性。该法定位单元的条件，为所确定的缓和曲线长在数学上有解，通常有以下三种情况：
    ①圆与直线连接，定位圆，需满足直线和圆相离或相切；
    ②卵型曲线敷设，需满足大圆包含小圆的条件。定位时自动计算小圆的缓和曲线，如果大圆（外圆）与小圆（内圆）连接端已设置了缓和曲线，系统将大圆的缓和曲线删除，生成依附于小圆的缓和曲线。
    ③"S"型曲线敷设，需满足圆和圆相离且曲线转向相反的条件。当其中一个圆的连接端缓和曲线已确定，系统自动求解另一个圆连接端的缓和曲线长度，可以检查系统设置的结果并通过调整已设缓和曲线的参数，重复采用该法定位得到满意的结果；当两圆连接端均未给出缓和曲线，系统则自动设置两个参数值相等的对称"S"型缓和曲线。

图7示出卵型曲线的线元定位情况。见附件

4 工程应用

CARD/1系统自1999年引入我院服务于工程设计后，在路线、互通立交、通道、分离式立交等多个专业上应用，在提高工作效率的同时，也大大提高了设计方案的合理性，许多国际上较先进的路线设计理念也正为我院广大设计人员所借鉴。笔者应用该系统先后设计或参与设计了"京福国道主干线三明际口至福州兰圃段、邵武沙塘隘至三明际口段高速公路"、"漳州至龙岩高速公路漳州市境段""浦城至南平高速公路"等多条山区高速公路的路线设计。图8为"京福国道主干线三明际口至福州兰圃段福州市境段FA7合同段"某路段的路线平面布置图，系采用CARD/1系统设计、绘图的成果，具有典型山区高速公路的特点。