一种高速环道曲面构建及土方估算方法

技术领域

本发明涉及的技术领域，具体涉及一种高速环道曲面构建及土方估算方法。

背景技术

高速环道是专供汽车进行高速行驶试验的闭合循环跑道，在很大程度上代表着汽车试验场的建设水平和规模，也是汽车试验场的核心设施，其形式多种多样，目前较多采用的是椭圆形。作为整个汽车试验场中的重要一环，其对高速行驶车辆的安全性、舒适性要求较高，同时受场地条件等因素的限制，因此曲线半径和超高指标与一般道路大大不同。相较于一般公路市政道路而言高速环道缓和曲线多采用麦克康纳尔曲线和布劳斯曲线，其断面形式多种多样，适应的平衡车速的范围也较广(120～300km/h)，因此高速环道弯道多为大超高曲面。现阶段高速环道土方计算方法多为断面法，其计算结果相较实际偏差较大，为此提出利用civil3d曲面法进行高速环道曲面的构建及土方量的估算。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种高速环道曲面构建及土方估算方法，通过该方法计算得到的土方量更为准确，符合实际。

本发明提供一种高速环道曲面构建及土方估算方法，包括以下步骤：

S1、确定高速环道的直线段和曲线段，其中曲线段包括缓和曲线和圆曲线；确定高速环道的组成、全长、设计最高平衡车速v、缓和曲线长度S以及圆曲线半径R。

S2、根据缓和曲线计算公式以及设计的高速环道的横断面形式，计算曲线段上的三维坐标点；

S3、将曲线段的三维坐标点展点至civil3d中，构建曲线段道路曲面，根据地形图建立地形曲面并对曲线段道路曲面进行内外侧放坡，形成曲线段边坡曲面，曲线段道路曲面和曲线段边坡曲面组成曲线段曲面；

S4、建立直线段道路模型，并构建直线段曲面；

S5、合并直线段曲面与曲线段曲面形成高速环道曲面；

S6、根据地形图建立地形曲面，利用civil3d三角网体积曲面功能计算高速环道曲面与地形曲面的差异，得到土方量。

进一步地，所述步骤S2包括：根据设计的高速环道的横断面形式，利用切线支距法计算出曲线段任意点的偏斜角，利用任意点的偏斜角和麦克康纳尔曲线缓和曲线计算公式，计算曲线段各步长处的二维坐标点，根据高速环道各步长处的设计高程结合横断面形式计算得到曲线段各步长处对应的横断面的若干三维坐标点。

进一步地，所述步骤S3包括：构建曲线段道路曲面后对曲线段道路曲面进行调整，使得曲线段道路曲面的边界与路面边界线重合。

进一步地，对曲线段道路曲面进行调整包括：根据曲线段的三维坐标点绘制曲线段的路面边界线，将曲线段道路曲面的样式调整为三角网模式，以路面边界线为基准，删除曲线段道路曲面超出路面边界线的区域，增加曲线段道路曲面的缺角区域。

进一步地，所述步骤S3包括：对曲线段边坡曲面进行调整，使得曲线段边坡曲面与道路模型的边坡边界线重合。

进一步地，根据曲线段道路曲面、地形曲面生成道路模型，道路模型包括边坡边界线，将曲线段边坡曲面的样式调整为三角网模式，以边坡边界线为基准，删除曲线段边坡曲面超出边坡边界线的区域，增加曲线段边坡曲面的缺角区域。

进一步地，所述步骤S5包括：形成高速环道曲面后，将高速环道曲面沿竖向向下平移高度h，h为道路上面层顶部至道路结构层底面之间的距离。

进一步地，所述步骤S6中，根据地形图建立地形曲面包括：将地形曲面的样式调整为三角网模式，通过设置地形曲面的最大高程、最小高程以及地形曲面的三角网的最大边长对地形曲面中的奇异点进行处理。

进一步地，所述步骤S6中，利用civil3d三角网体积曲面功能计算高速环道曲面与地形曲面的差异包括：将基准曲面设置为地形曲面，将对照曲面设置为高速环道曲面，设置松散系数和压实系数，查看对照曲面的特性，得到高速环道曲面的填方体积和挖方体积。

进一步地，所述步骤S4包括：根据道路的平面、纵断面、横断面以及地形曲面生成直线段的道路模型，由直线段的道路模型提取直线段曲面。

本发明的有益效果为：

1.本发明利用缓和曲线计算公式以及设计的高速环道的横断面形式计算出高速环道曲线段道路上有限个的三维坐标，将三维坐标导入civil3d中进行曲线段道路曲面的构建，并通过对曲线段道路曲面进行内外侧放坡，形成曲线段边坡曲面，从而形成了曲线段曲面，将曲线段曲面与直线段曲面合并即形成高速环道曲面，与现有技术相比，利用高速环道曲面计算的高速环道填挖方量，误差将大幅度降低，更加符合实际情况。

2.本发明利用civil3d曲面功能首次完整精确地建立了高速环道的三维曲面，通过将路面边界线和曲线段道路曲面的边界进行比对分析，删除曲线段道路曲面多余三角网，增加曲线段道路曲面的缺角区域，克服了软件在自动搜索时形成的曲面与实际路面边界线计不一致的情况，提高了曲线段道路曲面的精度，有利于提高土方量的计算结果的精确度。

3.本发明通过将曲线段边坡曲面的样式调整到三角网模式，将边坡边界线和曲线段边坡曲面的边界进行比对分析，删除曲线段边坡曲面多余三角网，增加曲线段道路曲面的缺角区域，提高了曲线段边坡曲面的精度，有利于提高土方量的计算结果的精确度。

4.本发明将步骤S5中形成的高速环道曲面向下平移道路上面层顶部至道路结构层底面之间的距离，使得计算高速环道的土方量时扣除了路面结构层部分，使得土方量的计算结果更为精确。

5.本发明通过对地形曲线的奇异点进行处理，从而避免了奇异点对土方量计算结果的影响。

附图说明

图1为本发明高速环道区域划分示意图；

图2为本发明高速环道的横断面示意图；

图3为本发明曲线段道路曲面调整前的结构示意图；

图4为本发明曲线段道路曲面调整后的结构示意图；

图5为本发明曲线段边坡曲面结构示意图

图6为本发明直线段曲面的结构示意图；

图7为本发明高速环道曲面的结构示意图；

图8为本发明高速环道曲面的区域划分示意图；

图9为本发明地形曲面的结构示意图；

图10为本发明高速环道土方量估算结果示意图。

附图标记：1-直线段；2-曲线段；3-圆曲线；4-缓和曲线；5-曲线段道路曲面；6-曲线段边坡曲面；7-圆曲线和缓和曲线分界点；8-直线段和缓和曲线分界点；9-直线段曲面；10-曲线段曲面；11-道路上面层；12-道路结构层底面。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本实施例为一种高速环道曲面构建及土方估算方法，包括以下步骤：

S1、确定高速环道的直线段1和曲线段2，将高速环道划分为两个直线段1和两个曲线段2，其中曲线段2包括分别与两个直线段1连接的两条缓和曲线4以及位于两条缓和曲线4之间的圆曲线3，缓和曲线4为直线段1和圆曲线3之间的过渡段；如图1所示，本实施例中，高速环道呈椭圆形，将高速环道划分为两个直线段1和两个曲线段2，其中曲线段2包括分别与两个直线段1连接的两条缓和曲线4以及位于两条缓和曲线4之间的圆曲线3，高速环道全长5km，设计最高平衡车速v＝160km/h，缓和曲线4长度S＝320m，圆曲线3半径R＝465m。

S2、根据缓和曲线4计算公式以及设计的高速环道的横断面形式，计算曲线段2上的三维坐标点；多个三维坐标点可形成曲线段道路曲面5；

S3、将曲线段2的三维坐标点展点至civil3d中，构建曲线段道路曲面5，根据地形图建立地形曲面并对曲线段道路曲面5进行内外侧放坡，形成曲线段边坡曲面6，曲线段道路曲面5和曲线段边坡曲面6组成曲线段曲面10；

S4、建立直线段1道路模型，并构建直线段曲面9；

S5、合并直线段曲面9与曲线段曲面10形成高速环道曲面；

S6、根据地形图建立地形曲面，利用civil3d三角网体积曲面功能计算高速环道曲面与地形曲面的差异，得到土方量。

具体地，通过步骤S2中计算出来的曲线段2上的若干三维坐标点，将三维坐标点导入civil3d软件中形成曲线段道路曲面5，曲线段道路曲面5构建完成之后，绘制曲线段2道路的三维内外边界线，将三维内外边界线转换成要素线，依据要素线和放坡规则进行曲线段边坡曲面6构建，其中要素线是三维对象，可以用作放坡坡脚、曲面特征线以及道路基准线，本实施例中的放坡边坡坡度为1:2，具体可根据实际情况进行调整；至此曲线段2的曲面已经构建完成，接着构建直线段曲面9；在civil3d中建立一个空曲面，利用曲面的“编辑”功能将所有直线段曲面9和曲线段曲面10粘贴进该曲面中，至此完成整个高速环道曲面的建立，如图7、8所示，直线段1和缓和曲线4之间为直线段和缓和曲线分界点8；圆曲线3和缓和曲线4之间为圆曲线和缓和曲线分界点7。最后利用civil3d三角网体积曲面功能计算高速环道的填方挖方量，三角网体积曲面提供了基准曲面和对照曲面之间的精确差异，根据测绘单位提供的项目所在地的地形图在civil3d中建立地形曲面，以地形曲面作为基准曲面，以高速环道曲面作为对照曲面，查看对照曲面的特性面板下“统计信息”功能中“体积”选项，查看高速环道的填挖方量。

需要说明的是，上述的高速环道曲面包括曲线段曲面10以及直线段曲面9，其中曲线段曲面10包括曲线段道路曲面5和曲线段边坡曲面6，曲线段道路曲面5为高速环道的曲线段2中路面所形成的曲面，曲线段边坡曲面6为高速环道曲线段2中内外侧边坡所形成的曲面，直线段曲面9包括高速环道的直线段1中路面以及边坡所形成的曲面。

通过上述高速环道曲面构建及土方估算方法，完整地建立了高速环道的三维曲面，该方法适用于所有的高速环道的曲面构建。与现有技术相比，利用高速环道曲面计算的高速环道填挖方量，误差将大幅度降低，更加符合实际情况。

进一步地，所述步骤S2包括：根据设计的高速环道的横断面形式，利用切线支距法计算出曲线段2任意点的偏斜角，利用任意点的偏斜角和麦克康纳尔曲线缓和曲线4计算公式，计算曲线段2各步长处的二维坐标点，根据高速环道各步长处的设计高程结合横断面形式计算得到曲线段2各步长处对应的横断面的若干三维坐标点。

具体地，缓和曲线4采用麦克康纳尔曲线，横断面形式包括二次曲线、三次曲线、复合型曲线等，本实施例为复合型曲线，如图2所示，缓和曲线4任意点偏斜角α为：

(1)0～1/4S

(2)S/4～3/4S

(3)3S/4～S

式中θ

根据切线支距法计算出缓和曲线4上任意点的偏斜角并利用该偏斜角计算缓和曲线4的坐标。

下表为侧摆运动特性值计算汇总表：

下表为麦克康纳尔缓和曲线4坐标计算表：

表中：

麦克康纳尔缓和曲线4坐标计算需要根据设定的步长ΔS来推算坐标，本次沿缓和曲线4的步长取3m，沿横向步长取5cm，来进行计算曲线段2三维坐标点的计算，其中步长间距越小，曲面越精细，估算的土方量越准确。

上表中的坐标a和坐标b为曲线段2各步长处道路设计线上的二维坐标点，根据高速环道各步长处的设计高程得到曲线段2各步长处对应的横断面的若干三维坐标点。

进一步地，所述步骤S3包括：构建曲线段道路曲面5后对曲线段道路曲面5进行调整，根据曲线段2的三维坐标点绘制曲线段2的路面边界线，将曲线段道路曲面5的样式调整为三角网模式，以路面边界线为基准，删除曲线段道路曲面5超出路面边界线的区域，增加曲线段道路曲面5的缺角区域。

需要说明的是，由于曲线段2半径较小，在生成曲面时civil3d软件会自动搜索其附近的点来构成曲面，因此形成的曲线段道路曲面5的边界会超出由三维坐标点绘制的曲线段2的路面边界线，如图3所示，若曲线段道路曲面5不精确，则会影响后续曲线段边坡曲面6的精确，最终降低估算的高速环道土方量的准确度。

具体地，三维坐标点生成的曲面范围一般要大于三维坐标点的范围，首先应通过调整三维坐标点的样式使其更易于识别，通过多段线将其边界勾勒出来形成路面边界线，然后将曲线段道路曲面5的样式调整到三角网模式，通过路面边界线和曲线段道路曲面5的边界进行比对分析，删除曲线段道路曲面5多余三角网，增加曲线段道路曲面5的缺角区域，图4示出了调整后的曲线段道路曲面5。

可以理解的是，通过步骤S2能够精确得到曲线段道路曲面5，但是曲线段道路曲面5的边界与路面边界线不重合，因此通过删除和增加曲线段道路曲面5上的区域，使得曲线段道路曲面5的边界与路面边界线完全重合，进一步地提高了曲线段道路曲面5的精度，有利于提高土方量的计算结果的精确度。

进一步地，所述步骤S3包括：对曲线段边坡曲面6进行调整，根据曲线段道路曲面5、地形曲面生成道路模型，道路模型包括边坡边界线，将曲线段边坡曲面6的样式调整为三角网模式，以边坡边界线为基准，删除曲线段边坡曲面6超出边坡边界线的区域，增加曲线段边坡曲面6的缺角区域。

同样地，利用曲线段道路曲面5和地形曲面自动生成曲线段边坡曲面6时，也会因为曲线段2半径较小根据civil3d软件自动搜索生成曲面时，最后形成的曲面与道路模型不一致，通过将曲线段边坡曲面6的样式调整到三角网模式，将边坡边界线和曲线段边坡曲面6的边界进行比对分析，删除曲线段边坡曲面6多余三角网，增加曲线段边坡曲面6的缺角区域，从而使得边坡边界线和曲线段边坡曲面6的边界完全重合，提高了曲线段边坡曲面6的精度，图5示出了调整后的曲线段边坡曲面6。

进一步地，所述步骤S4包括：利用civil3d根据道路的平面、纵断面、横断面以及地形曲面生成直线段1的道路模型，由直线段1的道路模型提取直线段曲面9，如图6所示。

进一步地，所述步骤S5包括：形成高速环道曲面后，将高速环道曲面沿竖向向下平移高度h，h为道路上面层11顶部至道路结构层底面12之间的距离。

需要说明的是，步骤S2中计算出来的所有三维坐标点均为道路上面层11的坐标点，即高速环道的顶曲面，而计算土方量时需要使用道路路面结构底曲面，即道路结构层底面12的曲面，道路上面层11与道路结构层底面12之间的距离h在道路横断面设计时就已经确定，因此直接利用civil3d的“升/降曲面”功能将高速环道顶曲面向下平移h距离后形成高速环道的底曲面，利用此时的高速环道的顶曲面计算出来的土方量将更为准确。

为了进一步提高土方量的估算准确性，所述步骤S6中，根据地形图建立地形曲面包括：将地形曲面的样式调整为三角网模式，通过设置地形曲面的最大高程、最小高程以及地形曲面的三角网的最大边长对地形曲面中的奇异点进行处理。

需要说明的是，地形曲面的奇异点，主要指由于测绘单位测绘原因导致的生成的地形出现尖角，在生成地形曲面时要找出奇异点，并进行删除，从而避免奇异点对计算结果的影响。

可根据项目所在地实际地形控制地形曲面的最大、最小高程来消除奇异点，也可以通过控制地形曲面的三角网的最大边长，来消除一些错误的区域，从而进一步提高高速环道土方量估算的准确性。

所述步骤S6中，利用civil3d三角网体积曲面功能计算高速环道曲面与地形曲面的差异包括：将基准曲面设置为地形曲面，将对照曲面设置为高速环道曲面，设置松散系数和压实系数，查看对照曲面的特性，得到高速环道曲面的填方体积和挖方体积，具体见图10。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。