董學綢(福建省交通規劃設計院，福州 350004)

摘 要 本文主要介紹CARD/1系統軸線設計在山區高速公路平面定線中的應用，探索山區高速公路定線合理性與便捷性。

關鍵詞 CARD/1系統 山區高速公路 平面定線 應用

1 概述CARD/1系統（Computer Aided Road Design）是由德國IB&T公司研制開發的一個集勘測、設計、繪圖一體化的土木工程軟件，至今已有20多年歷史，現已發展到7.7版本。它自設圖形平臺且具有自己的圖形、表格、數據和文字編輯系統，數據在系統內部采用數據庫相互關聯的方式高效傳輸。CARD/1系統不僅為工程技術人員提供了靈活方便的布線方法，同時也為設計人員提供了進行系統二次開發的語言平臺，便于設計人員設計思想和目標的實現。CARD/1系統利用野外勘測數據或已有的數字化地形圖，構建精密的三維數字地面模型，實現公路平、縱、橫線型的立體設計，最終達到設計、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計軟件系統，功能眾多，本文僅就其軸線設計模塊中的一些功能在山區高速公路平面定線中的應用作個簡單。

2 山區高速公路平面定線的特點高速公路平、縱、橫線形的設計與組合，是關系到路線使用功能、降低工程造價和營運成本的關鍵，山區復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，這就要求在山區高速公路的平面定線中注重平、縱、橫立體線型的綜合設計，注重路線的多方案比較選擇。結合我省已建多條高速公路的成功經驗及山區地形特點，大體可總結以下幾條關于平面定線的特點：⑴路線平面設計應最大限度的與沿線地形相適應。選線時結合地形，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路線應盡可能避開滑坡、崩塌、泥石流、軟土等不良地質地段。⑶選線時應充分考慮環保和景觀因素，盡可能減少對自然生態的破壞，并力求路線與自然景觀相協調。⑷合理把握技術標準，平面線型要為減少高填深挖創造條件。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"的指導思想，辯證的從平面線位上處理高填深挖。簡言之，山區高速公路的平面定線就是一個不斷調整、比較、優化的重復過程，采用CARD/1系統進行路線設計正可幫助廣大設計人員從大量的重復性勞動中解放出來，將更多的精力投入方案設計上。

3 CARD/1系統路線軸線設計在完成地形圖數據進入CARD/1系統管理之后（地形圖數據庫同時也成為了軸線設計模塊屏幕定線的地形背景），即可開始路線平面的軸線設計工作，CARD/1軸線設計模塊凝聚了許多當前國際上先進的設計思想，其靈活多樣的軸線設計工具和方法幫助設計人員流暢、準確的表達其設計意圖，諸如在山區高速公路平面定線中靈活、快捷的敷設"S"型、卵形、復合型曲線，以使平面線型更好的適應地形條件，達到設計上的合理。CARD/1系統軸線設計從建立軸線號（或選擇已有設計軸線號），創建線位單元，修改線位單元，線位單元定位，到設計軸線計算，一條完整的設計軸線即被建立，而后利用系統構建的三維數字地模，計算出路線縱斷面、橫斷面相對應的地面線，在此基礎上進行縱、橫面的線型設計。據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，系統還提供了眾多的數據輸入、點位捕捉、控制點設置、數據查詢的方式方法，以幫助實現各種設計意圖。在CARD/1軸線設計中，工作的成敗主要取決于設計者的設計理念，及如何便捷的實現設計理念，而CARD/1軸線設計的"線位單元創建"與"線位單元定位"則是實現設計理念的關鍵。3.1線位單元創建CARD/1系統軸線設計的線位單元（以下簡稱"線元"）包括直線和圓弧，緩和曲線依附于圓弧。系統提供了設計單元和修改單元兩個平行的線元創建功能，在設計單元功能中提供了多種創建線元的方法，其中： 2點、2點和距離、最小二乘擬合、平行設計軸線的方法為山區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、半徑、緩和曲線等的方法。（1）"2點"法。通過輸入2單元點坐標（屏幕拾取地形點、鍵盤輸入大地坐標均可）創建一個線元，然后鍵盤輸入或鼠標拖動單元通過點確定曲線半徑，也可為直線單元，若是曲線需進一步輸入兩端回旋線參數或長度。該法與傳統的導線定線法利用彎尺敷設曲線相類似，但CARD/1可利用鼠標拖動單元通過點確定曲線半徑的作法，顯然使得曲線的敷設較傳統彎尺法方便、快捷，也大大提高了所布設線型適應地形條件的能力，如在山凹、山嘴處就能更快的布設出順應等高線走向的曲線，達到節省工程量的目的（如圖1所示 見附件）。(2) "2點和距離"法。 根據實地2點及所要創建的新單元對該2點間應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個控制點時最為常用，如路線繞避文物、高壓電塔、重要工礦設施等（如圖2所示 見附件）。（3）"最小二乘擬合"法。 如圖3所示，根據一組已知點位（圖中的十）（控制點、地形地物點等），系統按最小二乘法擬合計算，自動求出與已知點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位控制（如山區越嶺線放坡）時，使用非常方便，避免了設計人員大量的試算工作，同時系統擬合的線位也更加切合實際。（4）"平行設計軸線"法。 拷貝已有軸線上指定樁號范圍的線元生成單元組，該法在山區高速公路定線中的應用也較為廣泛，如用于不同方案間段落替換、軸線拼接、平行式加、減速車道設計等，對于布設適應山區地形特點的左右分離的線形尤為方便，有助于設計人員實現山區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建后，系統自動根據新單元的類型進入相應"單元定位"功能，新單元作為當前工作單元。系統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"功能對線元參數進行修改。CARD/1系統的線元定位基于"不論何種定位方法，除當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，以此實現靈活、方便的單元定位。CARD/1軸線設計的強大功能除了體現于其線元創建的靈活多樣外，更體現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，設計人員的意圖才能方便快捷的得到實現，充分體現設計以人為本的思想。下面介紹幾種在山區高速公路定線中較常用的定位方法。（1）《2單元》法。當前工作單元（意欲定位的單元）的相鄰2單元位置固定，根據三單元間的邏輯連接關系及參數，當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曲線，使用最為頻繁。在山區高速公路的定線中，常有一些隧道因前后地形限制，進出口均須敷設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導線彎尺法更快捷、精確的布設出理想的線位

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

（見圖5 見附件）。　（2）《單元旋轉---與相鄰單元連接》法。該法只考慮當前工作單元與相鄰前或后單元一段的連接，當前工作單元繞自身某一單元點、某一地形點、相鄰單元某一單元點中的任一點進行旋轉連接。在山區高速公路定線中，當需要路線精確通過某一特定點（如事先擬定的控制點）或特定點限制的范圍時，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定位連接。該法在山區高速公路定線中使用亦較為頻繁，可以較為方便的敷設出"S"型、卵型、復合型曲線，提高了所定線型對地形的適應能力，從方法和手段上保證了高速公路線型的連續性。該法定位單元的條件，為所確定的緩和曲線長在數學上有解，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，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（內圓）連接端已設置了緩和曲線，系統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，需滿足圓和圓相離且曲線轉向相反的條件。當其中一個圓的連接端緩和曲線已確定，系統自動求解另一個圓連接端的緩和曲線長度，可以檢查系統設置的結果并通過調整已設緩和曲線的參數，重復采用該法定位得到滿意的結果；當兩圓連接端均未給出緩和曲線，系統則自動設置兩個參數值相等的對稱"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 工程應用CARD/1系統自1999年引入我院服務于工程設計后，在路線、互通立交、通道、分離式立交等多個專業上應用，在提高工作效率的同時，也大大提高了設計方案的合理性，許多國際上較先進的路線設計理念也正為我院廣大設計人員所借鑒。筆者應用該系統先后設計或參與設計了"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"等多條山區高速公路的路線設計。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系統設計、繪圖的成果，具有典型山區高速公路的特點。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