公路美學(xué)與高速公路設(shè)計(jì)
1. 前言
二戰(zhàn)以后，美國(guó)修筑了大量的高速公路，并在美國(guó)高速公路的設(shè)計(jì)中采用了公路美學(xué)的設(shè)計(jì)方法，這里也匯集了最早修筑高速公路的國(guó)家─ 德國(guó)的筑路經(jīng)驗(yàn)。以后，日本在修筑高速公路的初期，曾聘請(qǐng)美國(guó)及德國(guó)的專家對(duì)日本的高速公路設(shè)計(jì)，專門在公路美學(xué)方面給與咨詢。在1962年，美國(guó)在“Highway Research Board”上發(fā)表了“高速公路設(shè)計(jì)的美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”一文(以下簡(jiǎn)稱“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”)。該文比較詳細(xì)的闡明了高速公路設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)公路設(shè)計(jì)之間的不同，及一些在高速公路設(shè)計(jì)方面的新觀點(diǎn)及新要求。該文曾由本文作者于1977年完成翻譯，由原交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院道路室校核，并作為單位內(nèi)部資料印出。文中的一些觀點(diǎn)及要求，隨后在修訂規(guī)范時(shí)已編入我國(guó)現(xiàn)行“公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范”。但是，對(duì)“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”中的有些觀點(diǎn)，目前還有一些不同看法，需要進(jìn)一步做些探討與研究。探討這些問題，對(duì)今后高速公路設(shè)計(jì)工作的提高是很有實(shí)際意義的。例如：關(guān)于直線與曲線的運(yùn)用，對(duì)線形設(shè)計(jì)的要求及平、縱面配合，平、豎曲線一一對(duì)應(yīng)等，都是在高速公路設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)碰到的問題。為便于討論這些問題，以下擬先介紹“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”的一些觀點(diǎn)及方法，然后再結(jié)合實(shí)踐的結(jié)果加以探討。
2. “美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”提出的高速公路路線設(shè)計(jì)原理及方法
2.1 直線與曲線的運(yùn)用
在平原地區(qū)或受人工設(shè)施限制的地區(qū)(如路線通過方格式的街道區(qū))的路線，采用直線是適宜的。直線比較容易設(shè)計(jì)，而且也有明確的方向，但是在美學(xué)方面是不太使人感興趣的。直線比較單調(diào)，也容易使駕駛員感到疲勞，因?yàn)樵隈{駛員的視野里景物是固定不變的。同時(shí)，直線也容易造成超車。因?yàn)轳{駛員總想盡快駛過直線路段。因此，在連續(xù)線形設(shè)計(jì)中，要盡量減少直線。
汽車在圓曲線上行駛時(shí)，駕駛員所看到的景物就像一幅可變的風(fēng)景畫，駕駛員可以看到路側(cè)很多事物，從而可以看清路線方向。圓曲線能引起駕駛員的注意力，并把好方向盤。同時(shí)，曲線兩側(cè)的景物能給駕駛員提供一個(gè)很好的視線誘導(dǎo)。當(dāng)轉(zhuǎn)角已定，在設(shè)平曲線時(shí)，設(shè)大半徑曲線比設(shè)小半徑曲線更能縮短里程，而且比較順暢。圓曲線要盡量長(zhǎng)一些，平順一些，采用半徑可以大到使曲線與直線沒有多少差別。例如，在巴爾的摩─華盛頓風(fēng)景區(qū)干道上，實(shí)際采用的曲線半徑達(dá)到
2.2 緩和曲線
從視覺要求出發(fā)，從曲率為零的直線，到定曲率的圓曲線之間，需要有一個(gè)曲率逐漸變化的過度曲線，這就是緩和曲線。設(shè)置緩和曲線，可以使直線及圓曲線形成一條連續(xù)線形。
緩和曲線的長(zhǎng)度不能按超高緩和段所需的長(zhǎng)度來定，也不能按2秒的行車時(shí)間來定，按這兩種方法確定的緩和曲線長(zhǎng)度，從視覺的重要性來看，仍然是不夠的。在康涅狄格州高速公路上系統(tǒng)觀測(cè)的結(jié)果表明，小于
2.3 連續(xù)線形
公路線形的連續(xù)性及路線線形的造型是一個(gè)很重要的問題。因?yàn)楦咚俟返穆沸卧隈{駛員的視野里占有很重要的位置。在高速公路設(shè)計(jì)中，通過透視圖查看路基外形的連續(xù)性，已成為美學(xué)設(shè)計(jì)的重要組成部份。路基外形要包括平面、縱面及其直線與曲線。
美國(guó)曾廣泛采用長(zhǎng)直線，短曲線的線形，先根據(jù)已確定的控制點(diǎn)定出直線，然后再用圓弧把它們連起來。最典型的是這種線形：包含有1～3mile長(zhǎng)，甚至更長(zhǎng)的直線段，再用約
對(duì)于連續(xù)線形的設(shè)計(jì)，要以平、且緩的圓曲線作為線形的基本組成部份，而不是以直線為主要部份。如加登州風(fēng)景區(qū)一條干道的線形，其中有1/3～1/4為直線路段，而具代表性的曲線半徑為
“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”還提出要改進(jìn)以前采用的定線方法。新的定線方法是先根據(jù)地形、地物及其它控制點(diǎn)定出圓曲線，并盡量采用大的半徑，然后選用適當(dāng)?shù)木徍颓€把它們連接起來。除了城市或其它特殊情況外，應(yīng)按此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。并應(yīng)盡量減少直線。如果達(dá)到“自由曲線尺”線形所要求的短直線，且緩和曲線長(zhǎng)度達(dá)到推薦長(zhǎng)度，這樣就沒有余地可供設(shè)置直線，而必然形成一條連續(xù)曲線線形。由長(zhǎng)而平緩的圓曲線、單曲線或復(fù)曲線所組成，并用足夠長(zhǎng)的緩和曲線加以連接，使圓曲線占到路線總長(zhǎng)的2/3，緩和曲線占到1/3，這樣的線形即可稱作一條在造型和均衡方面都達(dá)到理想的連續(xù)線形。
縱面連續(xù)線形的重要性并不次于平面線形的連續(xù)性，采用短的豎曲線長(zhǎng)度，則會(huì)顯現(xiàn)出道路縱坡在變坡點(diǎn)處的突變和視線的不連續(xù)。按長(zhǎng)直線、短曲線的原則設(shè)計(jì)的高速公路，在縱面上也往往會(huì)成為長(zhǎng)直線、短曲線的縱面線形。豎曲線采用比較多的最小半徑，也會(huì)破壞線形的連續(xù)性。
在縱斷面上減少直線，則可以得到縱面的連續(xù)線形。在丘嶺區(qū)，按以前的方法設(shè)計(jì)的線形，豎曲線長(zhǎng)度一般只占到25％左右。但是，在同樣條件下，也可將豎曲線長(zhǎng)度提高到連續(xù)線形所要求的50％以上。這個(gè)方法對(duì)于凹形豎曲線及坡差較小的豎曲線特別重要。因?yàn)椋瑢?duì)短的豎曲線做透視圖，路線會(huì)顯得很短，坡度變化也很突然。
2.4 平縱面配合
如果縱面要素能很好配合平面，縱面線形的連續(xù)，即可導(dǎo)至三度空間線形的連續(xù)。平、豎曲線的長(zhǎng)度應(yīng)該是互相關(guān)聯(lián)的，但它們的起點(diǎn)不應(yīng)當(dāng)重合，平、豎曲線在某一點(diǎn)上同時(shí)發(fā)生變化，則會(huì)擾亂駕駛員的視線。因?yàn)椋谶@個(gè)點(diǎn)上的任何不規(guī)則變化，在透視圖上都會(huì)顯得很突出，甚至?xí)哟笃溆绊憽Ｒ话愣枷Ｍ角€比豎曲線稍微長(zhǎng)一些，但不要長(zhǎng)得太多，平曲線要包住豎曲線。這樣的重疊能誘導(dǎo)駕駛員的視線，并有利于行車安全。平、豎曲線配合得最好的是平、豎曲線的頂點(diǎn)互相重合，形成一條富有立體感，由凹、凸螺旋形組成的S形曲線。
理想的線形(通過視覺進(jìn)行研究)，應(yīng)該是有連續(xù)造型的立體曲線，而不是平、縱面線形的隨意重疊。行車道的每一個(gè)彎曲都應(yīng)該從三個(gè)面進(jìn)行綜合研究。在丘嶺區(qū)，對(duì)波浪式線形的補(bǔ)救方法是引入平曲線，避免在駕駛員的視野里看到一個(gè)接一個(gè)斷續(xù)凸形豎曲線的頂部。實(shí)際上，設(shè)置曲線就會(huì)使駕駛員的視野不斷發(fā)生變化，引導(dǎo)駕駛員把注意力集中到車輛運(yùn)行上，增加駕駛員在行車時(shí)的注意力和予見性。這是美學(xué)欣賞不可缺少的。
“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”要求路線設(shè)計(jì)除了要滿足高速公路內(nèi)部平、縱面的協(xié)調(diào)外，還要滿足高速公路與外部環(huán)境的協(xié)調(diào)，即對(duì)公路兩側(cè)的景物及與整個(gè)視野的配合，從而可以設(shè)計(jì)出一條完美的高速公路。高速公路應(yīng)具有持久美觀的外形，并成為一道風(fēng)景或城市景色的組成部份。路基斷面一定要連續(xù)，邊坡坡率要盡量緩和。在德國(guó)的規(guī)范中規(guī)定挖方設(shè)計(jì)不再采用固定的邊坡坡率，而是采用挖方邊坡的長(zhǎng)度(從坡頂?shù)狡履_的長(zhǎng)度)保持不變的方法。因此，挖方邊坡的坡率是變化的，挖方兩頭矮邊坡處的坡率逐漸變緩，很自然的與地面相銜接。
如果沿線缺少景物和建筑物等，則駕駛員會(huì)感到枯燥，路線設(shè)計(jì)可以考慮盡量把海洋、湖泊、山谷、城市景色、橋梁、工業(yè)及民用建筑物等悅目的景物置于駕駛員前方的錐形視野范圍之內(nèi)。另外，路側(cè)修筑的一些人工建筑物及藝術(shù)雕塑等，也可能會(huì)使一些好的藝術(shù)與高速公路修建藝術(shù)之間結(jié)合的更完美。
2.5 公路美學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐
以上簡(jiǎn)述了“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)高速公路美學(xué)設(shè)計(jì)方面的有關(guān)原理和方法。經(jīng)過多年來高速公路設(shè)計(jì)實(shí)踐，我們對(duì)高速公路設(shè)計(jì)已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，也取得了不少成果。但是，在具體設(shè)計(jì)中還有些牽涉到美學(xué)方面的問題還需要進(jìn)一步明確。例如，平面線形能否采用直線?采用多長(zhǎng)的直線比較合適?每個(gè)平、豎曲線的頂點(diǎn)是否都要一一對(duì)應(yīng)?連續(xù)線形是否要以曲線為主?或以直線為主?等。這些問題都要用公路美學(xué)的一些原理，并結(jié)合實(shí)踐結(jié)果來加以探討。
“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”提出，理想的連續(xù)線形是由長(zhǎng)而平緩的圓曲線及有足夠長(zhǎng)度的緩和曲線加以連接而組成。連續(xù)線形要盡量減少直線。同時(shí)也提到直線線形的不足之處，如：在直線上行車，駕駛員容易疲勞，也容易形成超車，直線不夠美觀等。但是，在平原區(qū)及西部高原地區(qū)，在地形比較平坦而居民點(diǎn)及控制點(diǎn)又不多的情況下，一般認(rèn)為，仍然可以設(shè)置一部份直線。有時(shí)會(huì)碰到這種情況，想在這里設(shè)一個(gè)曲線，可是也找不到適當(dāng)?shù)睦碛伞Ｔ谶@種情況下，盡管直線在美學(xué)方面不太理想，駕駛員也容易感到疲勞，但是，直線段可以減少路線長(zhǎng)度，節(jié)省投資。采用直線，比增加許多造價(jià)，特意做出一條曲線來，可能比較更有實(shí)際意義。例如，有一條平原區(qū)高速公路，在紙上定線時(shí)，主要采用了比較長(zhǎng)的平緩曲線，并在曲線之間設(shè)置了直線段。從組合線形的情況來看，整個(gè)線形仍然比較直捷、順暢，設(shè)計(jì)里程則減少了
對(duì)于直線的長(zhǎng)度，可以先做一些調(diào)查工作，然后再加以確定。我們也曾征求過一些駕駛員的意見，他們認(rèn)為在高速公路上跑lO公里的直線段，一般不會(huì)打磕睡或感到煩燥。要跑到20～
“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)圓曲線設(shè)計(jì)的基本原理，以及先定曲線、后定直線的設(shè)計(jì)方法是比較先進(jìn)的。“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”要求平曲線半經(jīng)要盡量設(shè)大一些，曲線要平順一些，轉(zhuǎn)角也不宜太大。這些要求與我們目前的做法基本上都是一致的。關(guān)于先定曲線、后定直線的方法，在很多情況下都比較適用。當(dāng)路線要通過許多散布的控制點(diǎn)時(shí)，是采用直線通過?還是采用曲線通過?按照以前的做法，一般都會(huì)先以直線通過。“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”則建議先采用圓曲線通過。由于圓曲線可以采用各種不同的半徑，所以就比直線有更多的機(jī)會(huì)繞過較多的控制點(diǎn)。特別是對(duì)于山坡線，或路線經(jīng)過低山及丘嶺地形，曲線則比較更能適應(yīng)弧形的山坡及丘嶺崗坡。
關(guān)于圓曲線的最大半徑，“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”認(rèn)為，可以大到與直線分不出差別。也就是說，再大的半徑都可以用。但是，因?yàn)樵俅蟮陌霃揭呀?jīng)跟直線的行車效果差不多了，所以可以不必再設(shè)曲線了，而不是說半徑大了就會(huì)有甚么缺點(diǎn)。“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”提出曾經(jīng)使用過的最大半徑為
“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”要求，在圓曲線與直線之間，為使二者的曲率有一個(gè)漸變的過程，都要插入一段緩和曲線。緩和曲線的最小長(zhǎng)度為
“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)平面連續(xù)線形的要求已如上述。這些原理對(duì)設(shè)計(jì)連續(xù)線形是需要的。但是，在我國(guó)有些地方是比較適合設(shè)直線段的，如前述，在曲線之間經(jīng)常需要插入直線段。在增加造價(jià)不多，或在不影響造價(jià)的情況下，我們?cè)诟咚俟吩O(shè)計(jì)中也都注意到“盡量減少直線”的設(shè)計(jì)原理。對(duì)于大半徑、長(zhǎng)曲線的順暢線形，直線段也可以長(zhǎng)一些，對(duì)于半徑不大、曲線也比較短的線形，則仍不宜設(shè)置過長(zhǎng)的直線。從而，在線形中即使設(shè)了直線段，整體線形還是比較美觀的。總之，對(duì)于連續(xù)線形的設(shè)計(jì)，除了要考慮公路美學(xué)以外，還要考慮各地不同的自然條件，同時(shí)還要考慮工程經(jīng)濟(jì)等問題。
由于高速公路的縱坡坡差都不是很大，一般高速公路設(shè)計(jì)基本上都能附合“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”提出的要求。
“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”還提出要加長(zhǎng)凹形豎曲線的長(zhǎng)度，特別是對(duì)于坡差較大或在開始上山起坡的地方，這里的凹形豎曲線半徑要加大，曲線長(zhǎng)度要增加。在這里加大豎曲線半徑，不僅是美學(xué)方面的要求，也是為了駕駛員能提前看清前方的縱坡情況.避免誤判、防止發(fā)生行車事故的需要。在縱坡設(shè)計(jì)中，有時(shí)愿意使用比最小半徑略大一些的凹形豎曲線半徑。但是，在透視圖中，小的凹形豎曲線半徑會(huì)使路形變化過于突然。在有些地方往往要設(shè)置數(shù)倍于最小半徑的凹形豎曲線。
平、縱面線形的配合在高速公路的設(shè)計(jì)中一般都是比較重視的。例如，關(guān)于凸形豎曲線的頂部及凹形豎曲線的底部不得設(shè)置小半徑平曲線，也不得設(shè)在平曲線的拐點(diǎn)處。在直線路段設(shè)豎曲線，應(yīng)避免形成暗凹.瘤及波浪坡，致使駕駛員的視線中斷等，均已列入一些國(guó)家的規(guī)范或手冊(cè)。
對(duì)于“美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)”要求的平、豎曲線一一對(duì)應(yīng)，平曲線要包住豎曲線的要求，在實(shí)踐過程中，有些地方是可以做到的。例如，在埡口處的拉槽路段設(shè)成平曲線，并與凸形豎曲線重合，使平曲線包住豎曲線，這一般都是很實(shí)用的，解決了豎曲線頂部的視線誘導(dǎo)問題，有利于安全行車。但是要求每個(gè)彎道都要這樣做，有時(shí)由于地形變化比較大，做起來難度也比較大。另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高速公路設(shè)計(jì)中，有時(shí)在一個(gè)平曲線內(nèi)往往會(huì)設(shè)有2～3個(gè)豎曲線。在這種情況下，要求平、豎曲線一一對(duì)應(yīng)則更不容易。因此，對(duì)于這一項(xiàng)要求還是要從當(dāng)?shù)鼐唧w條件出發(fā)，能做到的可以盡量做，但不一定要有硬行規(guī)定。
對(duì)于平、縱面線形的連續(xù)性及線形是否符合美學(xué)要求等問題，還可以通過作透視圖的方法加以檢驗(yàn)。在透視圖上，路線走勢(shì)比較順暢，在透視圖中看不出線形的突變及視線中斷，或引起駕駛員的不良感覺等，則駕駛員在行車時(shí)，也會(huì)達(dá)到快速、安全的效果。
2.6 結(jié)語(yǔ)
