Трассирование автомобильных дорог в CREDO

Владимир Филиппов, Геннадий Величко

Современные принципы автоматизации трассирования

Развитие стилей трассирования в CREDO

Интерактивное трассирование «жесткой трассы»

Возможности трассирования плавных трасс

Интерактивное клотоидное трассирование

Современные принципы автоматизации трассирования

Один из существующих видов проектно-изыскательских работ требует творческого подхода и трудно поддается автоматизации. Речь идет о трассировании автомобильных дорог. Трасса дороги на долгие годы определяет ее технические и эстетические свойства, поэтому трассирование автомобильных дорог требует определенного архитектурного искусства, которое приходит с опытом и по мере овладения техникой трассирования. Совершенствованию искусства трассирования способствуют научно-обоснованные требования и рекомендации по архитектурно-ландшафтному проектированию дорог.

Наилучшую реализацию этих требований и рекомендаций при трассировании на ЦММ обеспечивают специально разработанные в CREDO методы конструирования элементов трассы автомобильных дорог и построения самих трасс. Качественно новые методы трассирования на основе информационных технологий, в основном на ЦММ, — типичный пример перехода количества в качество. Методы трассирования качественно развиваются с использованием алгоритмов обработки численных и семантических данных, содержащихся в ЦММ. Новые методы трассирования основаны на обработке существенно большего количества данных, чем при традиционных методах (принцип максимального использования данных). При камеральном трассировании на ЦММ с сохранением той же атрибутики (отображение плана или карты на дисплее) к традиционным инструментам (линейка, карандаш, лекала, шаблоны и т.д.) добавляются совершенно новые, доступные только при использовании компьютерных технологий (принцип наилучшего использования компьютерных технологий). Благодаря компьютерным возможностям обработки данных новые методики камерального трассирования в значительно большей степени оперируют геометрическими схемами, чем аналитическими представлениями о трассе как об уравнении со многими параметрами (принцип минимума аналитических методик и расчетов). И это гораздо естественнее для системы «Человек—Местность», чем работа по традиционным методикам, для которых характерна большая расчетная часть. Трассирование на ЦММ — это трассирование динамически подвижными и наглядно отображаемыми геометрическими формами: прямыми, окружностями, переходными кривыми, сложными фрагментами трассы (принцип наглядности и интерактивности). Такие принципы и методы автоматизации проектно-изыскательских работ выделяют CREDO из ряда известных западных программных продуктов, в которых зачастую тщательно копируются традиционные элементы типовых проектно-изыскательских работ.

Развитие стилей трассирования в CREDO

Многие ученые и инженеры, теоретики и практики строительства считают проектирование автомобильных дорог составной частью архитектурного искусства и рекомендуют перед началом решения конкретных технических вопросов определить, в каком ключе будет развиваться творческий процесс.

Чаще всего стиль трассирования выбирают в соответствии с концепцией проектного решения, проще говоря в соответствии с функциональным назначением дороги, и от стиля в значительной степени зависит эстетическая ценность дороги. Смешение стилей на одном и том же объекте вызывает подсознательные шоки водителей и ведет к резкому снижению безопасности движения.

CREDO позволяет трассировать автомобильную дорогу в любом из известных стилей:

• «жесткая трасса», состоящая из длинных прямых, сопряженных круговыми кривыми зачастую предельного радиуса и короткими переходными кривыми; круговая кривая и прямая в такой трассе — это основные элементы, а переходная кривая — дополнительные;
• «плавная трасса», состоящая из круговых кривых, сопряженных достаточно длинными переходными кривыми и прямыми вставками; все элементы здесь равноправны;
• «плавная трасса без прямых», состоящая из круговых и переходных кривых;
• «клотоидная трасса», состоящая почти исключительно из переходных кривых.

Благодаря уникальному алгоритмическому и программному обеспечению геометрического проектирования, основанного на методах координатной геометрии, трассировать в CREDO можно в любом стиле. В мощном инструментарии методов конструирования трассы ведущее место занимают различные сопряжения базовых элементов — прямых, круговых и переходных кривых, а поскольку это важно именно для автомобильных дорог, значительная роль отводится переходным кривым.

Интерактивное трассирование «жесткой трассы»

В стиле «жесткая трасса» проектируют дорогу, удовлетворяющую функциям системы «Дорога—Автомобиль». Иногда эти функции могут быть определяющими, например для промышленных внутрихозяйственных дорог. «Жесткие трассы» имеют много недостатков, самым главным из которых является неспокойный, изломанный, неприятный вид. Тем не менее таких трасс очень много, и их повсеместно продолжают проектировать как традиционными, так и автоматизированными методами.

Трассирование «жесткой трассы» в CREDO традиционно, поэтому можно ограничиться работой в системах CREDO_TER и CAD_CREDO. В системе CREDO_TER прокладывают опорный ход и вписывают кривые (или только круговые, или с переходными кривыми) в каждый поворот. После завершения трассирования положение всех построенных вершин угла (ВУ) можно исправить, удалить неудачные или ввести дополнительные (рис. 1). При таких корректировках трассы автоматически пересчитываются пикетные положения всех основных точек остальных закруглений — вершин углов, начала и конца кривой, начала и конца переходной кривой. Все эти проектные операции выполняются интерактивно, динамически, и мгновенно отображаемая трасса послушно следует руке и замыслу проектировщика.

Для дальнейшего проектирования трасса передается в систему CAD_CREDO после анализа «черного» продольного профиля и поперечных профилей, которые можно назначать на любых пикетах, определяющих положение и форму земляного полотна.

Возможности трассирования плавных трасс

В стиле «плавная трасса» проектируют дорогу, практически идеально отвечающую требованиям систем «Дорога—Автомобиль» и «Дорога—Автомобиль—Водитель». Конструктивно плавная трасса состоит из круговых кривых, сопряженных переходными кривыми. По сравнению с «жесткой трассой» такая трасса более плавная, однако за счет прямых вставок не всегда эстетична. Именно прямые вставки доставляют наибольшие хлопоты при обеспечении внешней и внутренней гармоничности дороги. Но, поскольку в системе CREDO_MIX в любой момент можно легко подобрать круговые кривые и клотоиды, подобные «рисунку» горизонталей, запроектированная трасса в значительной мере удовлетворяет архитектурно-ландшафтным требованиям. Стиль «плавная трасса» логичен для проектирования на местности с холмистым рельефом.

Проектируя плавную трассу в CREDO, первоначально выделяют плановые и высотные препятствия и описывают вокруг них базовые круговые кривые (рис. 2) наиболее подходящими методами:

• по местоположению центра ;
• по трем точкам на окружности ;
• по заданному центру в выбранной точке .

На местности с равнинным рельефом эстетичности трассы с прямыми вставками добиваются, направляя достаточно длинные прямые на возвышающиеся ориентиры — доминанты местности. Важной особенностью камерального трассирования плавных трасс является необходимость построения в первую очередь базовых окружностей, а во вторую — базовых прямых (рис. 3).

Для сопряжения базовых элементов используют самые разнообразные методы. В частности, в начале трассы приемлем метод гладкого сопряжения прямой и окружности клотоидой.

Круговые кривые сопрягают C- или S-образным звеном (рис. 4). Конструируя это сопряжение, стараются отказаться от прямых вставок. Для этого в диалоговом окне запроса вводят нулевую длину прямой вставки и подходящее значение отношения параметров A1 и A2 смежных клотоид (рекомендуется K < 1,5). Однако зачастую прямой вставки не избежать.

В CREDO цельный объект «трасса» (полилиния — в координатной геометрии) создают как цепочку всех сопряженных элементов (рис. 5). Для того чтобы при интерактивном создании трассы проектировщик имел возможность быстро разобраться в сплетении всевозможных линий, присутствующих на экране компьютера, и выделить те, которые могут быть включены в структуру трассы, в CREDO предусмотрены разнообразные приемы, а именно:

• выделение для построений методами координатной геометрии отдельного информационного слоя;
• «подсвечивание» возможных вариантов в точках разветвления трассы;
• «откаты назад» при ошибочных действиях при «сборке» трассы.

Эти методы и приемы особенно полезны при трассировании в горной местности (рис. 6).

После создания в CREDO трасса приобретает все свойства законченного фрагмента деятельности проектировщика, а именно:

• рассматривается как единый элемент в структуре проектного решения;
• проектное решение всей автомобильной дороги как цельный объект может состоять из нескольких трасс;
• любую трассу можно «разрезать» на две или склеить из нескольких трасс;
• по любой трассе можно строить продольный разрез местности по цифровой модели рельефа и продольный грунтово-геологический разрез по цифровой модели геологического строения площадки;
• при построении продольного разреза по трассе обеспечивается возможность создания поперечных разрезов местности, и эта совокупность данных служит основой создания цифровой модели проектного решения автомобильной дороги;
• трассу можно отображать различными типами линий, условными знаками и т.п.;
• трассу можно экспортировать в другие проектирующие системы для дальнейшего конструирования продольного и поперечного профилей земляного полотна, оценки функциональных свойств дороги и т.п.

Интерактивное клотоидное трассирование

О качестве клотоидных трасс рассказано очень много, и все это обобщено в замечательной книге В.Ф.Бабкова «Ландшафтное проектирование автомобильных дорог». Значительно меньше внимания уделено технике клотоидного трассирования, если не считать известные отечественные и зарубежные руководства, в которых изложены эмпирические правила назначения параметра клотоиды в зависимости от параметров других элементов трассы и приведены обширные таблицы для расчета элементов клотоиды и ее детальной разбивки. При традиционном проектировании клотоидной трассы основная трудность заключалась в том, что, прежде чем «уложить» клотоиду на плане трассы, требовалось сначала рассчитать ее геометрические параметры, элементы детальной разбивки, а затем перенести на чертеж. При такой громоздкой методике гибкие линейки и шаблоны клотоид и круговых кривых мало помогали делу. К удовлетворительному результату приводил метод проб и ошибок, который совершенно не стимулировал развитие клотоидного трассирования и зачастую отбивал всякую охоту заниматься столь кропотливым делом, тем более что существующие СНиП не требуют в явном виде проложения клотоидных трасс. И как результат — «жесткие трассы» даже в странах с активным автомобильным движением и развитой дорожной сетью.

В CREDO эти трудности преодолены. Клотоиду можно строить:

• как элемент сопряжения прямой и окружности, двух окружностей, окружности и клотоиды, двух клотоид и т.п.;
• как самостоятельный элемент трассы;
• как эквидистантный элемент конструкции проезжей части или земляного полотна.

Можно строить динамически изменяющуюся клотоиду, «ухватив» ее за один конец и направляя другой по направлению трассы, контролируя ее параметры.

Система CREDO_MIX позволяет выполнить все необходимые действия при проложении клотоидной трассы, а именно:

• выделить плановые и высотные препятствия;
• проложить эскизную линию трассы;
• установить места максимальной кривизны трассы;
• построить базовые окружности через точки максимальной кривизны;
• проложить базовые направления трассы через точки перегиба эскизной трассы;
• сопрячь базовые направления и окружности подходящими методами;
• увязать в единый объект-трассу все сопряжения и элементы.

Ничто не мешает, работая в CREDO на ЦММ, придерживаться известных правил: плавно обходить основные формы рельефа, плановых и высотных препятствий, «скользить» вдоль горизонталей, добиваться равного числа переломов в продольном профиле и углов поворота трассы, совмещать участки с наибольшей проектной кривизной (с наименьшим радиусом) с водоразделами, лощинами и т.п.

При проложении клотоидной трассы в системе CREDO_MIX и построении ее сопряжений используют два основных метода.

Вписывание окружности между двумя любыми элементами. Этим методом можно построить сопряжения двух прямых любым, в том числе и составным, закруглением. После указания сопрягаемых прямых в информационно-диалоговом окне можно выбрать схему закругления и уточнить любой параметр элементов сопряжения: радиус круговой вставки, длины и параметры клотоид и т.п. (рис. 7). Симметричной биклотоиде соответствует четвертая схема закругления, а несимметричной биклотоиде — вторая.

Симметричное и асимметричное сопряжение двух окружностей. Этим методом строится C- или S-образное сопряжение двух окружностей клотоидами. В информационно-диалоговом окне можно уточнить соотношение параметров клотоид.

Если окружности далеко отстоят друг от друга, то звено сопряжения может далеко уйти от эскизной линии или сопряжения (решения задачи) может не быть вовсе. Для того чтобы сопряжение было как можно ближе к эскизной линии, в информационно-диалоговом окне вводят необходимую в этом случае прямую вставку (рис. 8).

Все методы построения сопряжений в CREDO дают достаточно информации для анализа и оценки проектного решения по известным правилам эстетических свойств сопряжений.

Полноценному анализу эстетического качества дороги способствует возможность построения динамических перспективных изображений (рис. 9). Например, как можно судить по приведенному фрагменту киноперспективы, достаточно длинная прямая вставка не нарушает оптическую плавность трассы именно потому, что здесь согласованы все элементы трассы: радиусы, длины круговых и переходных кривых и прямой вставки.

***

Трассирование автомобильных дорог при реконструкции — это особая тема. В последующих публикациях мы планируем рассказать, как эта актуальная, сложная и интересная задача решается методами CREDO.

«САПР и графика» 8'2001