道路交叉口立面设计CAD的研究和开发

刘 辉，廖东杰，方晓亮

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430023）

1 概述

交叉口设计主要分为柔性路面和刚性路面两种类型。

柔性路面的设计基本步骤为：

（1）构造道口边界线和路脊线；

（2）设置和修改控制点、绘图参数等；

（3）绘制计算线、等高线；

（4）计算、查询高程；

（5）图面整理（删除标注、等高线、网格、控制点等）。

刚性路面在步骤（2）与（3）之间增加了网格划分、网格编辑和计算的功能，其中网格划分有5种方式：道路等级不同差异较大的十字道口、道路等级不同差异较小的十字道口、道路等级相同的十字道口、全局方格网法以及区域方格网法。

本系统的交叉口模块道口路脊线可以为直线型或者弧线型，路脊线可以不交于一点（刚性路面道口的区域划分除外），可适用于城市道路的大部分道口设计，计算高程考虑了纵断面的竖曲线高程和坡度，利用控制点高程和计算线进行插值计算，结果较为精确。

2 关于“控制点”的研究

为了能将道路交叉口立面设计开发成CAD软件，引入“控制点”的概念，控制点是一些特殊点，分为基本控制点和用户定义的控制点。基本控制点是必须的，分布在道口边界线上，由程序自动生成，高程由程序自动算出来，用户可以修改高程，但不能删除它；用户定义的控制点：用户可以根据需要随意在道口区域设置控制点并指定其高程。

（1）特征点位置

根据边界线特征，自动计算控制点位置（考虑特征点0、1、3、4是否存在等不同情况，如只有特征点 0、1、3，而特征点 4不存在）。

特征点说明如下：

路脊线与边界线交点为入口点，即点5、6；

边界线上，与入口点相邻的左右节点，即为左右转折点 0、4；

边界线上，凸度最大的一段为转角圆弧，其两端节点为转角切点，即点1、3；

圆弧中间控制点在转角圆弧上，与AB延长线的交点，见图1。

图1 特征点示意图

（2）计算特征点高程

入口点高程，根据路脊线中心控制点高程和纵坡，或根据竖曲线计算；

转折点和转角切点的高程，根据对应路脊线上的点，及入口横坡计算。

转角圆弧中点的高程，算法如下：

通过3、1两点的线性延伸求得B点高程H1，

通过4、2两点的线性延伸求得B点高程H2,

则B点最终高程为Hb=(H1+H2)/2；

中心控制点和B点连线的线性延伸，求得0点处高程。

（3）编辑控制点

插入控制点：

a.在边界线上插入控制点，该控制点的高程，通过边界线上相邻控制点线性内插计算求得。

b.在路脊线上插入控制点，该控制点的高程，通过路脊线上相邻折点线性内插计算求得；或是通过关联竖曲线计算。

c.在面片内部插入控制点:方法一，若新插入点在已有计算线上，根据计算线起点高程和插入点高程，重新推算出计算线终点高程，并将该终点添加到边界线上控制点集合中。方法二，若新插入点不在已有计算线上，先找出该点所在面片，再找出该点在哪两条计算线之间，然后按插入点到两计算线距离之比构造新的计算线，并求得新计算线在路脊线上高程，然后按方法一的方法操作。

d.若插入控制点在道口中心控制点位置，不处理。

移动控制点。仅允许在边界线和路脊线上移动控制点，高程不变。

删除控制点。

修改控制点高程。

3 关于“分割线”的研究（本软件重要创新）

3.1 “分割线”适用情况

交叉口竖向设计中，以“面片”为基本单位。MEDS可直接处理的面片为“L型”面片，它由两条相交的路脊线和边界线围成，见图2。但设计过程中，可能出现特殊形状的面片，如图3中存在“U型”面片。对此，需要利用“分割线”功能，将其分割成标准的“L型”面片。如图3中，绿色的分割线将“U型”面片分割成两个“L型”面片。

图2 L型面片

图3 U型面片

3.2 分割线使用的注意事项

（1）程序会自动判断是否存在“特殊面片”，从而提示选择“分割线”。“分割线”对于正常的面片不起作用；

（2）分割线两端需要分别与路脊线和边界线有交点，从而保证形成闭合的“L型”面片；

（3）请用CAD直线命令，绘制分割线；

（4）分割线尽量不要切在“转角圆弧”上，以防影响基本控制点的生成；

（5）当一个交叉口中，存在多个“特殊面片”，可以为每个“特殊面片”绘制一条分割线，分割线支持多选，见图4；

图4 分割线使用示意

（6）当在一个“特殊面片”中绘制了多条分割线，程序自动选取第一条分割线，其它舍弃不用。

3.3 分割线操作流程

（1）用户根据经验，在执行“绘制基本控制点”命令之前，于“特殊面片”处绘制好“分割线”；

（2）设置完交叉口参数并点击确定后，程序会自动判断是否存在“特殊面片”，从而在CAD命令行提示用户选择“分割线”；

（3）程序自动完成标准面片的分割。

4 软件主要开发内容

（1）整理边界线

选择道路边界多段线，其中多段线Z坐标应为0，且为闭合状态，定义完毕边界线呈红色显示。

（2）绘制基本控制点

选择边界线和路脊线，设置有关参数，系统将自动绘制基本控制点，见图5。

（3）插入控制点

在CAD中选择插入点位置，命令行中输入控制点高程，确定即可。

（4）修改控制点高程

选择控制点的块参照，命令行中输入新的高程，确定后标注也同步更改。

（5）修改绘图参数

选择边界线后，可调整所选道口的计算线间距、等高距参数。

（6）绘制等高线

系统根据前面的设计，自动绘制等高线，见图6。

（7）标注等高线

在CAD中分别指定标注的起点、终点及设置标注字高参数，则在所选点形成的直线与等高线的交点处将高程标注出来。

（8）查询高程

（9）划分网格

若图中有多个道口，首先选择要操作的道口边线，弹出如下图对话框，选择道口划分方法，分5种方式：道路等级不同差异较大的十字道口、道路等级不同差异较小的十字道口、道路等级相同的十字道口、全局方格网法以及区域方格网法。其中十字道口划分方法只适用于4个道路和4根路脊线的道口，全局方格网法和区域方格网法适用于所有类型。选择板块划分的宽度和长度，确定即可，见图7。

图7 划分网格

（10）修剪网格线

选择命令后，会对CAD中所有在MEDS网格系统图层中的线段批量进行修剪，只留下在道口中的部分。

（11）标注角点高程

设置标注字体的高度后确定即可。

（12）删除控制点，删除计算线，删除等高线，删除标注，删除网格。