基于GIS技術的山地道路豎向設計方法

黎 慧，游 峰

(中國工程物理研究院建筑設計院,四川 綿陽 621000)

1 GIS技術在道路設計中的應用前景

在傳統道路設計中,通常先根據功能需求確定道路平面選線定位,再根據平面匹配豎向設計[1]。在平原地區,平面、豎向設計的先后順序對結果影響不大,但在地形復雜地區,平面和豎向不宜截然分開設計,合理的設計時序實際上需要從三維出發,統籌考慮平面和豎向問題。

GIS全稱地理信息系統,是利用計算機對地理空間各類信息進行收集、分析、管理和應用的綜合系統[2]。相比傳統設計工具,GIS的突出優勢主要體現在:其一,空間數據收集和管理功能強大,可以靈活調用各種圖形和文字信息,并在空間上一一對應。其二,數據分析和可視化功能強大,支持數據疊加對比分析、拓撲變化、函數歸納計算等,并且可以將分析結果空間可視化,應用于道路豎向輔助設計有較大的優勢。

2 道路豎向設計影響因素

2.1 道路自身設計要求

道路豎向設計主要是指道路縱斷面的坡長、坡度、坡向和控制點高程設計,廣義豎向還包括道路交叉口的立交設計、穿越自然山體或河流的豎向方式等。

根據道路級別和設計時速不同,道路坡度一般要求在0.3%～8%區間內取值;道路縱向坡長不宜過短或過長,較長的連續坡段需加設緩和段;縱坡方向變化處需設緩和曲線。跨越河流或山體的路段,有相應的道路等級和跨度要求。

此外,道路平面和豎向控制指標相互關聯,平面路線長度和高程變化對應縱向坡長和坡度的變化。

2.2 道路地下管網設計要求

當道路下方敷設管線、廊道時,要求適宜的敷設深度。給水、消防、燃氣等壓力流,需統籌考慮低壓區可靠性和高壓區經濟性,對高程差值控制有較高要求。雨水、污水等重力流,需考慮區域整體流向,對坡向連續性要求較高。

2.3 道路兩側用地匹配要求

當道路兩側為建設用地時,需考慮道路與地塊的豎向關系。為避免地塊淹沒風險,同時減少市政建設成本,地塊高程不宜比所有圍合道路高程低。為減小用地土方平整成本,宜控制道路與地塊高程的差值,尤其應控制填方高度。為爭取建筑設計的自由度,宜爭取道路臨用地緩坡段長度較大,以提供更多的地塊出入口位置。

2.4 道路特殊設計要求

根據道路功能不同,可能存在特殊的設計要求。對于景觀性或游覽性道路,需要對行進路線上的視線進行設計,根據需要展示或隱藏對象,以取得良好的景觀效果。

3 GIS輔助豎向設計思路

3.1 項目概況

我國南方城市M市規劃某新區建設,臨湖路為擬建景觀性主干道。路段所處地形呈丘陵狀,地勢北高南低,東西高中部低,地形自然高程471.30 m～530.30 m。臨湖路西側與規劃主干道相交,東側與現狀主干道相交。臨湖路中段有三條保留景觀山體,山頂高程分別為514.6 m,509.6 m,502.4 m,中段以南約500 m有規劃中心景觀湖,湖岸高程約469.8 m～472.3 m。

設計臨湖路,確定道路各控制點定位及豎向設計。要求考慮與地形有機結合,兼顧周邊山水環境的良好關系。

3.2 設計思路

GIS技術可以創建地形三維模型,并進行各種數據管理與分析,分析結果可支持數據可視化再編輯。通過GIS輔助,可以從三維視角統籌考慮平面及豎向,逐步確定并優化各項豎向設計要點。主要設計流程思路見圖1。

4 GIS輔助三維豎向設計方法

4.1 道路起始點豎向設計

臨湖路西側與規劃主干道相交,東側與現狀主干道相交。根據道路設計標準,為保證外接道路的適宜縱坡,根據規劃主干道上已知高程點,臨湖路與規劃主干道交點A高程取值范圍宜529.44 m～512.90 m。為不改變現狀道路,臨湖路與現狀主干道交點B取實測高程473.56 m(見圖2)。以兩交點直線距離核算,臨湖路綜合坡向為東向縱坡,綜合坡度約3.18%～2.24%,尚有一定的豎向調整幅度。

將地形導入GIS程序,創建三角網TIN模型,再由TIN生成三維柵格模型,由克里金法插值加密后,輸出地形高程分析結果。

由地形高程模型分析可得:臨湖路選線區域存在兩段低洼區域。可以預計:臨湖路兩端點之間至少需增1個～2個變坡點,直線道路縱坡將大于前文計算綜合坡度。由于綜合坡度值已較大,平面選線宜適當增加道路長度。

4.2 GIS輔助道路平面選線

在GIS中,用地形三維柵格模型,由Spatial Analyst工具/鄰域分析/焦點統計工具,計算鄰域像元最大值和最小值極差, 輸出地形起伏度分析結果。

地形起伏度的三維含義是地形的高差變化程度,由極大值和極小值的差值來度量。道路平面選線宜選擇起伏度較小的區段,當必須穿越起伏度較大區域時,宜從高起伏度區域側面相切處選線。選線穿越起伏度較大區段意味著可能需采取架橋或穿山措施。此外,起伏度較大區域從用地上,意味著用地平整代價較大,是不利于建設用地選擇的指標,宜做景觀型用地或建設規模較小的功能用地使用。

臨湖路平面選線優選地形起伏度較小區域,避開起伏度較大的橙色及以上區域,確定較合理的平面定位,設計路段平面總長度約1 946.3 m(見圖3)。

4.3 GIS輔助坡向控制

在GIS中,用地形三維柵格模型,由Spatial Analyst工具/水文分析/填洼,處理柵格模型,再用Spatial Analyst工具/水文分析/流向分析工具,生成流向數據模型,再由盆域分析和流量分析工具,生成地形盆域分析圖和河網分級分析圖。

盆域邊界線的三維含義是同一個出水口所容納匯水區域的邊界線,近似于區域分水線。河網分級圖表示自然地表徑流的匯入關系,近似于區域匯水線。在無其他限制前提下,重力流管網分區宜與盆域分區相對應,控制變坡點宜在于河網交點處。

臨湖路跨越區域,為1個自然盆域,河網與路將形成2個交點。考慮重力流管網布置一個分區,綜合坡向為東西向中間,北向南。道路與河網交點取為道路變坡點,以自然高程為擬設計高程:C點524.5 m,D點472.4 m。AC段坡向向東;CD段綜合坡向向東,綜合坡度約為4.7%;BD段綜合坡向向西(見圖4)。

4.4 GIS輔助控制點高程設計

根據前述GIS分析工具得到的地形起伏度分析圖、河網分級圖為基礎,疊加Spatial Analyst工具/表面分析/坡度和坡向分析結果,導入CAD中,整理出保留山體和河道藍線控制邊界。將剩余可建設用地圈出,以設計道路低一級道路的適宜間距切分可建設用地為若干單元。將單元填充面要素導入GIS軟件,導出要素為可編輯面要素,用Defence工具/數字和字母/對要素進行編號。由Spatial Analyst工具/區域分析/以表格顯示分區統計,統計類型選擇“最小值、最大值和平均值”,計算各單元地塊的平均高程和填、挖高度。

平均高程可以近似看做建設用地單元的土方自平衡高程,最小值與其差值表示最大填方高度,最大值與其差值表示最大挖方高度。道路控制點高程宜根據為相鄰多個地塊高程的平均值減固定差值確定(當地塊面積相差較大時,應考慮面積比例系數)。

值得注意的是,當填方高度過高時,會造成建設不經濟,填方高度宜控制上限。為取得道路與用地的良好關系,宜爭取臨用地區段有較長緩坡。用地單元不宜大量出現低于四周道路高程的洼地。

以臨湖路道路中心線為基準,采用下級次干道的適宜間距300 m×300 m構建網格,扣除山體和河道范圍,得到可建設用地單元15個,根據高程統計分析,變坡點高程以相鄰地塊平均值減0.5 m確定,得到擬設計高程A點521.0 m,C點518.5 m,D點476.7 m。為取得道路與地塊的適宜差值,同時不改變前面確定的整體道路坡向,確定應CD間增加變坡E點483.8 m,在DB間增加變坡F點480.0 m,且CE,BE段長度應盡可能短,以道路縱坡極限值校核后確定點E,F定位(見圖5)。

4.5 GIS輔助視線優化控制點高程

在GIS中,用地形三維柵格模型,由3D Analyst工具/可見性/視點分析,輸入觀察點要素選擇保留山體制高點和中心景觀湖控制點,Z因子偏移取視點高度1.8 m,計算得到視點分析結果。

視點分析的三維含義是觀察點對周邊區域的可見不可見情況,屬性表中,0表示不可見,1表示可見,圖層Value值越高,可觀測點數量越多。打開視點分析圖層屬性表/按屬性選擇/選擇內容類型/選擇當前選擇內容的子集,還組合各觀察點可見性條件,計算排列組合結果。

臨湖路附近保留山體選定4處制高點,中心景觀湖選定道路方向2處水口控制點,共計6個觀察視點,分析區域可見性。由于視點均為景觀性控制點,無需二次計算視點條件組合。臨湖路線路兩側視點分析結果賦值越高,表示路段上可看到的景觀數量越多,路段的景觀重要性越高。由分析結果可得,C點以東S1長約150 m,D點以西S2長約100 m,為景觀重要性高的路段,為保證步行舒適性及景觀休憩等設施建設,宜設緩坡。CE段縱坡已無調整余地,S1段豎向不變。DE段坡度尚有調整余地,增加S2段中點為控制點,設計高程取均坡計算值478.7 m,S2段設計縱坡調整為0.5%,S2與點D、點E段縱坡略微增大,得到優化豎向(見圖6)。

5 結語

GIS為設計者提供了多種工具,將傳統上依賴個人經驗和判斷的各種因素,進行客觀分析,簡潔直觀地呈現分析結果。通過GIS輔助,地形復雜地區的道路豎向設計可以實現從三維出發,統籌考慮平面、豎向設計,并逐次優化迭代設計成果,對提高設計質量有較大幫助。