基于GIS技术的山地道路竖向设计方法

黎 慧，游 峰

(中国工程物理研究院建筑设计院,四川 绵阳 621000)

1 GIS技术在道路设计中的应用前景

在传统道路设计中,通常先根据功能需求确定道路平面选线定位,再根据平面匹配竖向设计[1]。在平原地区,平面、竖向设计的先后顺序对结果影响不大,但在地形复杂地区,平面和竖向不宜截然分开设计,合理的设计时序实际上需要从三维出发,统筹考虑平面和竖向问题。

GIS全称地理信息系统,是利用计算机对地理空间各类信息进行收集、分析、管理和应用的综合系统[2]。相比传统设计工具,GIS的突出优势主要体现在:其一,空间数据收集和管理功能强大,可以灵活调用各种图形和文字信息,并在空间上一一对应。其二,数据分析和可视化功能强大,支持数据叠加对比分析、拓扑变化、函数归纳计算等,并且可以将分析结果空间可视化,应用于道路竖向辅助设计有较大的优势。

2 道路竖向设计影响因素

2.1 道路自身设计要求

道路竖向设计主要是指道路纵断面的坡长、坡度、坡向和控制点高程设计,广义竖向还包括道路交叉口的立交设计、穿越自然山体或河流的竖向方式等。

根据道路级别和设计时速不同,道路坡度一般要求在0.3%～8%区间内取值;道路纵向坡长不宜过短或过长,较长的连续坡段需加设缓和段;纵坡方向变化处需设缓和曲线。跨越河流或山体的路段,有相应的道路等级和跨度要求。

此外,道路平面和竖向控制指标相互关联,平面路线长度和高程变化对应纵向坡长和坡度的变化。

2.2 道路地下管网设计要求

当道路下方敷设管线、廊道时,要求适宜的敷设深度。给水、消防、燃气等压力流,需统筹考虑低压区可靠性和高压区经济性,对高程差值控制有较高要求。雨水、污水等重力流,需考虑区域整体流向,对坡向连续性要求较高。

2.3 道路两侧用地匹配要求

当道路两侧为建设用地时,需考虑道路与地块的竖向关系。为避免地块淹没风险,同时减少市政建设成本,地块高程不宜比所有围合道路高程低。为减小用地土方平整成本,宜控制道路与地块高程的差值,尤其应控制填方高度。为争取建筑设计的自由度,宜争取道路临用地缓坡段长度较大,以提供更多的地块出入口位置。

2.4 道路特殊设计要求

根据道路功能不同,可能存在特殊的设计要求。对于景观性或游览性道路,需要对行进路线上的视线进行设计,根据需要展示或隐藏对象,以取得良好的景观效果。

3 GIS辅助竖向设计思路

3.1 项目概况

我国南方城市M市规划某新区建设,临湖路为拟建景观性主干道。路段所处地形呈丘陵状,地势北高南低,东西高中部低,地形自然高程471.30 m～530.30 m。临湖路西侧与规划主干道相交,东侧与现状主干道相交。临湖路中段有三条保留景观山体,山顶高程分别为514.6 m,509.6 m,502.4 m,中段以南约500 m有规划中心景观湖,湖岸高程约469.8 m～472.3 m。

设计临湖路,确定道路各控制点定位及竖向设计。要求考虑与地形有机结合,兼顾周边山水环境的良好关系。

3.2 设计思路

GIS技术可以创建地形三维模型,并进行各种数据管理与分析,分析结果可支持数据可视化再编辑。通过GIS辅助,可以从三维视角统筹考虑平面及竖向,逐步确定并优化各项竖向设计要点。主要设计流程思路见图1。

4 GIS辅助三维竖向设计方法

4.1 道路起始点竖向设计

临湖路西侧与规划主干道相交,东侧与现状主干道相交。根据道路设计标准,为保证外接道路的适宜纵坡,根据规划主干道上已知高程点,临湖路与规划主干道交点A高程取值范围宜529.44 m～512.90 m。为不改变现状道路,临湖路与现状主干道交点B取实测高程473.56 m(见图2)。以两交点直线距离核算,临湖路综合坡向为东向纵坡,综合坡度约3.18%～2.24%,尚有一定的竖向调整幅度。

将地形导入GIS程序,创建三角网TIN模型,再由TIN生成三维栅格模型,由克里金法插值加密后,输出地形高程分析结果。

由地形高程模型分析可得:临湖路选线区域存在两段低洼区域。可以预计:临湖路两端点之间至少需增1个～2个变坡点,直线道路纵坡将大于前文计算综合坡度。由于综合坡度值已较大,平面选线宜适当增加道路长度。

4.2 GIS辅助道路平面选线

在GIS中,用地形三维栅格模型,由Spatial Analyst工具/邻域分析/焦点统计工具,计算邻域像元最大值和最小值极差, 输出地形起伏度分析结果。

地形起伏度的三维含义是地形的高差变化程度,由极大值和极小值的差值来度量。道路平面选线宜选择起伏度较小的区段,当必须穿越起伏度较大区域时,宜从高起伏度区域侧面相切处选线。选线穿越起伏度较大区段意味着可能需采取架桥或穿山措施。此外,起伏度较大区域从用地上,意味着用地平整代价较大,是不利于建设用地选择的指标,宜做景观型用地或建设规模较小的功能用地使用。

临湖路平面选线优选地形起伏度较小区域,避开起伏度较大的橙色及以上区域,确定较合理的平面定位,设计路段平面总长度约1 946.3 m(见图3)。

4.3 GIS辅助坡向控制

在GIS中,用地形三维栅格模型,由Spatial Analyst工具/水文分析/填洼,处理栅格模型,再用Spatial Analyst工具/水文分析/流向分析工具,生成流向数据模型,再由盆域分析和流量分析工具,生成地形盆域分析图和河网分级分析图。

盆域边界线的三维含义是同一个出水口所容纳汇水区域的边界线,近似于区域分水线。河网分级图表示自然地表径流的汇入关系,近似于区域汇水线。在无其他限制前提下,重力流管网分区宜与盆域分区相对应,控制变坡点宜在于河网交点处。

临湖路跨越区域,为1个自然盆域,河网与路将形成2个交点。考虑重力流管网布置一个分区,综合坡向为东西向中间,北向南。道路与河网交点取为道路变坡点,以自然高程为拟设计高程:C点524.5 m,D点472.4 m。AC段坡向向东;CD段综合坡向向东,综合坡度约为4.7%;BD段综合坡向向西(见图4)。

4.4 GIS辅助控制点高程设计

根据前述GIS分析工具得到的地形起伏度分析图、河网分级图为基础,叠加Spatial Analyst工具/表面分析/坡度和坡向分析结果,导入CAD中,整理出保留山体和河道蓝线控制边界。将剩余可建设用地圈出,以设计道路低一级道路的适宜间距切分可建设用地为若干单元。将单元填充面要素导入GIS软件,导出要素为可编辑面要素,用Defence工具/数字和字母/对要素进行编号。由Spatial Analyst工具/区域分析/以表格显示分区统计,统计类型选择“最小值、最大值和平均值”,计算各单元地块的平均高程和填、挖高度。

平均高程可以近似看做建设用地单元的土方自平衡高程,最小值与其差值表示最大填方高度,最大值与其差值表示最大挖方高度。道路控制点高程宜根据为相邻多个地块高程的平均值减固定差值确定(当地块面积相差较大时,应考虑面积比例系数)。

值得注意的是,当填方高度过高时,会造成建设不经济,填方高度宜控制上限。为取得道路与用地的良好关系,宜争取临用地区段有较长缓坡。用地单元不宜大量出现低于四周道路高程的洼地。

以临湖路道路中心线为基准,采用下级次干道的适宜间距300 m×300 m构建网格,扣除山体和河道范围,得到可建设用地单元15个,根据高程统计分析,变坡点高程以相邻地块平均值减0.5 m确定,得到拟设计高程A点521.0 m,C点518.5 m,D点476.7 m。为取得道路与地块的适宜差值,同时不改变前面确定的整体道路坡向,确定应CD间增加变坡E点483.8 m,在DB间增加变坡F点480.0 m,且CE,BE段长度应尽可能短,以道路纵坡极限值校核后确定点E,F定位(见图5)。

4.5 GIS辅助视线优化控制点高程

在GIS中,用地形三维栅格模型,由3D Analyst工具/可见性/视点分析,输入观察点要素选择保留山体制高点和中心景观湖控制点,Z因子偏移取视点高度1.8 m,计算得到视点分析结果。

视点分析的三维含义是观察点对周边区域的可见不可见情况,属性表中,0表示不可见,1表示可见,图层Value值越高,可观测点数量越多。打开视点分析图层属性表/按属性选择/选择内容类型/选择当前选择内容的子集,还组合各观察点可见性条件,计算排列组合结果。

临湖路附近保留山体选定4处制高点,中心景观湖选定道路方向2处水口控制点,共计6个观察视点,分析区域可见性。由于视点均为景观性控制点,无需二次计算视点条件组合。临湖路线路两侧视点分析结果赋值越高,表示路段上可看到的景观数量越多,路段的景观重要性越高。由分析结果可得,C点以东S1长约150 m,D点以西S2长约100 m,为景观重要性高的路段,为保证步行舒适性及景观休憩等设施建设,宜设缓坡。CE段纵坡已无调整余地,S1段竖向不变。DE段坡度尚有调整余地,增加S2段中点为控制点,设计高程取均坡计算值478.7 m,S2段设计纵坡调整为0.5%,S2与点D、点E段纵坡略微增大,得到优化竖向(见图6)。

5 结语

GIS为设计者提供了多种工具,将传统上依赖个人经验和判断的各种因素,进行客观分析,简洁直观地呈现分析结果。通过GIS辅助,地形复杂地区的道路竖向设计可以实现从三维出发,统筹考虑平面、竖向设计,并逐次优化迭代设计成果,对提高设计质量有较大帮助。