公路美學與高速公路設計

公路美學與高速公路設計

1. 前言

二戰以后，美國修筑了大量的高速公路，并在美國高速公路的設計中采用了公路美學的設計方法，這里也匯集了最早修筑高速公路的國家─ 德國的筑路經驗。以后，日本在修筑高速公路的初期，曾聘請美國及德國的專家對日本的高速公路設計，專門在公路美學方面給與咨詢。在1962年，美國在“Highway Research Board”上發表了“高速公路設計的美學標準”一文(以下簡稱“美學標準”)。該文比較詳細的闡明了高速公路設計與傳統公路設計之間的不同，及一些在高速公路設計方面的新觀點及新要求。該文曾由本文作者于1977年完成翻譯，由原交通部公路規劃設計院道路室校核，并作為單位內部資料印出。文中的一些觀點及要求，隨后在修訂規范時已編入我國現行“公路路線設計規范”。但是，對“美學標準”中的有些觀點，目前還有一些不同看法，需要進一步做些探討與研究。探討這些問題，對今后高速公路設計工作的提高是很有實際意義的。例如：關于直線與曲線的運用，對線形設計的要求及平、縱面配合，平、豎曲線一一對應等，都是在高速公路設計中經常會碰到的問題。為便于討論這些問題，以下擬先介紹“美學標準”的一些觀點及方法，然后再結合實踐的結果加以探討。

2. “美學標準”提出的高速公路路線設計原理及方法

2.1 直線與曲線的運用

2.1.1 直線

在平原地區或受人工設施限制的地區(如路線通過方格式的街道區)的路線，采用直線是適宜的。直線比較容易設計，而且也有明確的方向，但是在美學方面是不太使人感興趣的。直線比較單調，也容易使駕駛員感到疲勞，因為在駕駛員的視野里景物是固定不變的。同時，直線也容易造成超車。因為駕駛員總想盡快駛過直線路段。因此，在連續線形設計中，要盡量減少直線。

2.1.2 圓曲線

汽車在圓曲線上行駛時，駕駛員所看到的景物就像一幅可變的風景畫，駕駛員可以看到路側很多事物，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，曲線兩側的景物能給駕駛員提供一個很好的視線誘導。當轉角已定，在設平曲線時，設大半徑曲線比設小半徑曲線更能縮短里程，而且比較順暢。圓曲線要盡量長一些，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─華盛頓風景區干道上，實際采用的曲線半徑達到80000ft(約合24000m)。

2.2 緩和曲線

從視覺要求出發，從曲率為零的直線，到定曲率的圓曲線之間，需要有一個曲率逐漸變化的過度曲線，這就是緩和曲線。設置緩和曲線，可以使直線及圓曲線形成一條連續線形。

緩和曲線的長度不能按超高緩和段所需的長度來定，也不能按2秒的行車時間來定，按這兩種方法確定的緩和曲線長度，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觀測的結果表明，小于1000ft(305m)長的緩和曲線，被認為是太短了，會使道路路形現出很不自然的扭曲。德國規范規定，高速公路緩和曲線的絕對最小長度為300m。

2.3 連續線形

2.3.1 平面連續線形

公路線形的連續性及路線線形的造型是一個很重要的問題。因為高速公路的路形在駕駛員的視野里占有很重要的位置。在高速公路設計中，通過透視圖查看路基外形的連續性，已成為美學設計的重要組成部份。路基外形要包括平面、縱面及其直線與曲線。

美國曾廣泛采用長直線，短曲線的線形，先根據已確定的控制點定出直線，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，甚至更長的直線段，再用約1500ft長(約合450m)，半徑為2000～12000ft(約合700～3600m)的圓曲線把直線段連接起來。從連續的意義來說，這屬于一種不連續的線形。因為，對全線每一個曲線與每一條直線，都可以很清楚的辨別出來。在這種線形中的曲線長度往往占不到路線總長的1/5。

對于連續線形的設計，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。如加登州風景區一條干道的線形，其中有1/3～1/4為直線路段，而具代表性的曲線半徑為15000ft(約合4500m)。這種線形在透視圖中看不出有直線段，而更像是由一連串的復曲線組成的連續曲線。

“美學標準”還提出要改進以前采用的定線方法。新的定線方法是先根據地形、地物及其它控制點定出圓曲線，并盡量采用大的半徑，然后選用適當的緩和曲線把它們連接起來。除了城市或其它特殊情況外，應按此方法進行設計。并應盡量減少直線。如果達到“自由曲線尺”線形所要求的短直線，且緩和曲線長度達到推薦長度，這樣就沒有余地可供設置直線，而必然形成一條連續曲線線形。由長而平緩的圓曲線、單曲線或復曲線所組成，并用足夠長的緩和曲線加以連接，使圓曲線占到路線總長的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到理想的連續線形。

2.3.2 縱面連續線形

縱面連續線形的重要性并不次于平面線形的連續性，采用短的豎曲線長度，則會顯現出道路縱坡在變坡點處的突變和視線的不連續。按長直線、短曲線的原則設計的高速公路，在縱面上也往往會成為長直線、短曲線的縱面線形。豎曲線采用比較多的最小半徑，也會破壞線形的連續性。

在縱斷面上減少直線，則可以得到縱面的連續線形。在丘嶺區，按以前的方法設計的線形，豎曲線長度一般只占到25％左右。但是，在同樣條件下，也可將豎曲線長度提高到連續線形所要求的50％以上。這個方法對于凹形豎曲線及坡差較小的豎曲線特別重要。因為，對短的豎曲線做透視圖，路線會顯得很短，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，即可導至三度空間線形的連續。平、豎曲線的長度應該是互相關聯的，但它們的起點不應當重合，平、豎曲線在某一點上同時發生變化，則會擾亂駕駛員的視線。因為，在這個點上的任何不規則變化，在透視圖上都會顯得很突出，甚至會加大其影響。一般都希望平曲線比豎曲線稍微長一些，但不要長得太多，平曲線要包住豎曲線。這樣的重疊能誘導駕駛員的視線，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(通過視覺進行研究)，應該是有連續造型的立體曲線，而不是平、縱面線形的隨意重疊。行車道的每一個彎曲都應該從三個面進行綜合研究。在丘嶺區，對波浪式線形的補救方法是引入平曲線，避免在駕駛員的視野里看到一個接一個斷續凸形豎曲線的頂部。實際上，設置曲線就會使駕駛員的視野不斷發生變化，引導駕駛員把注意力集中到車輛運行上，增加駕駛員在行車時的注意力和予見性。這是美學欣賞不可缺少的。

“美學標準”要求路線設計除了要滿足高速公路內部平、縱面的協調外，還要滿足高速公路與外部環境的協調，即對公路兩側的景物及與整個視野的配合，從而可以設計出一條完美的高速公路。高速公路應具有持久美觀的外形，并成為一道風景或城市景色的組成部份。路基斷面一定要連續，邊坡坡率要盡量緩和。在德國的規范中規定挖方設計不再采用固定的邊坡坡率，而是采用挖方邊坡的長度(從坡頂到坡腳的長度)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，則駕駛員會感到枯燥，路線設計可以考慮盡量把海洋、湖泊、山谷、城市景色、橋梁、工業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。另外，路側修筑的一些人工建筑物及藝術雕塑等，也可能會使一些好的藝術與高速公路修建藝術之間結合的更完美。

2.5 公路美學設計實踐

以上簡述了“美學標準”對高速公路美學設計方面的有關原理和方法。經過多年來高速公路設計實踐，我們對高速公路設計已經積累了一定的經驗，也取得了不少成果。但是，在具體設計中還有些牽涉到美學方面的問題還需要進一步明確。例如，平面線形能否采用直線?采用多長的直線比較合適?每個平、豎曲線的頂點是否都要一一對應?連續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的一些原理，并結合實踐結果來加以探討。

2.5.1 直線

“美學標準”提出，理想的連續線形是由長而平緩的圓曲線及有足夠長度的緩和曲線加以連接而組成。連續線形要盡量減少直線。同時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，在平原區及西部高原地區，在地形比較平坦而居民點及控制點又不多的情況下，一般認為，仍然可以設置一部份直線。有時會碰到這種情況，想在這里設一個曲線，可是也找不到適當的理由。在這種情況下，盡管直線在美學方面不太理想，駕駛員也容易感到疲勞，但是，直線段可以減少路線長度，節省投資。采用直線，比增加許多造價，特意做出一條曲線來，可能比較更有實際意義。例如，有一條平原區高速公路，在紙上定線時，主要采用了比較長的平緩曲線，并在曲線之間設置了直線段。從組合線形的情況來看，整個線形仍然比較直捷、順暢，設計里程則減少了兩公里多。按工可的單價計算，可以節約投資約兩個億，效果還是比較好的。

對于直線的長度，可以先做一些調查工作，然后再加以確定。我們也曾征求過一些駕駛員的意見，他們認為在高速公路上跑lO公里的直線段，一般不會打磕睡或感到煩燥。要跑到20～30km或以上的直線段，才會產生有些單調的感覺。在彎道上跑車，一般注意力比較集中，總是在注意要把好方向盤?？傊覈匦?、地物及人口分布等方面的變化都比較大。從而，公路設計也需要靈活多樣，才能適應各種不同的情況。所以，需要給設計人員多留一些選擇的機會。另外，我們通過計算也可以形成一個大致的概念。例如，對于120km/h車速的高速公路，假設5min走10km，則對于10km長的直線段，行車時間則只有5min。一般講，5min的行車時間對駕駛員的“疲勞”感是不會產生很大影響的。同時，在西部高、平原地區，甚至還可能需要設置更長一些的直線。

2.5.2 圓曲線

“美學標準”對圓曲線設計的基本原理，以及先定曲線、后定直線的設計方法是比較先進的?！懊缹W標準”要求平曲線半經要盡量設大一些，曲線要平順一些，轉角也不宜太大。這些要求與我們目前的做法基本上都是一致的。關于先定曲線、后定直線的方法，在很多情況下都比較適用。當路線要通過許多散布的控制點時，是采用直線通過?還是采用曲線通過?按照以前的做法，一般都會先以直線通過?！懊缹W標準”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會繞過較多的控制點。特別是對于山坡線，或路線經過低山及丘嶺地形，曲線則比較更能適應弧形的山坡及丘嶺崗坡。

關于圓曲線的最大半徑，“美學標準”認為，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，因為再大的半徑已經跟直線的行車效果差不多了，所以可以不必再設曲線了，而不是說半徑大了就會有甚么缺點。“美學標準”提出曾經使用過的最大半徑為80000ft，約合24000m。這個數字在有些平原地區，為避免采用過長的長直線，有時可能會用到這種大半徑。所以，對于圓曲線的半徑是可以不必加以限制的。

2.5.3 緩和曲線

“美學標準”要求，在圓曲線與直線之間，為使二者的曲率有一個漸變的過程，都要插入一段緩和曲線。緩和曲線的最小長度為300m。目前的設計基本上都是按這個要求進行設計的。

2.5.4 平面連續線形

“美學標準”對平面連續線形的要求已如上述。這些原理對設計連續線形是需要的。但是，在我國有些地方是比較適合設直線段的，如前述，在曲線之間經常需要插入直線段。在增加造價不多，或在不影響造價的情況下，我們在高速公路設計中也都注意到“盡量減少直線”的設計原理。對于大半徑、長曲線的順暢線形，直線段也可以長一些，對于半徑不大、曲線也比較短的線形，則仍不宜設置過長的直線。從而，在線形中即使設了直線段，整體線形還是比較美觀的?？傊?，對于連續線形的設計，除了要考慮公路美學以外，還要考慮各地不同的自然條件，同時還要考慮工程經濟等問題。

2.5.5 縱面連續線形

由于高速公路的縱坡坡差都不是很大，一般高速公路設計基本上都能附合“美學標準”提出的要求。

“美學標準”還提出要加長凹形豎曲線的長度，特別是對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，曲線長度要增加。在這里加大豎曲線半徑，不僅是美學方面的要求，也是為了駕駛員能提前看清前方的縱坡情況.避免誤判、防止發生行車事故的需要。在縱坡設計中，有時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使路形變化過于突然。在有些地方往往要設置數倍于最小半徑的凹形豎曲線。

2.5.6 平、縱面線形的配合

平、縱面線形的配合在高速公路的設計中一般都是比較重視的。例如，關于凸形豎曲線的頂部及凹形豎曲線的底部不得設置小半徑平曲線，也不得設在平曲線的拐點處。在直線路段設豎曲線，應避免形成暗凹.瘤及波浪坡，致使駕駛員的視線中斷等，均已列入一些國家的規范或手冊。

對于“美學標準”要求的平、豎曲線一一對應，平曲線要包住豎曲線的要求，在實踐過程中，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，這一般都是很實用的，解決了豎曲線頂部的視線誘導問題，有利于安全行車。但是要求每個彎道都要這樣做，有時由于地形變化比較大，做起來難度也比較大。另外，據統計，在高速公路設計中，有時在一個平曲線內往往會設有2～3個豎曲線。在這種情況下，要求平、豎曲線一一對應則更不容易。因此，對于這一項要求還是要從當地具體條件出發，能做到的可以盡量做，但不一定要有硬行規定。

對于平、縱面線形的連續性及線形是否符合美學要求等問題，還可以通過作透視圖的方法加以檢驗。在透視圖上，路線走勢比較順暢，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，也會達到快速、安全的效果。

2.6 結語

2.6.1 對于“美學標準”提出的高速公路設計一般原理與方法，實踐證明，運用這些原理與方法，可以顯著改進公路設計的面貌。同時，這些原理與方法也已寫進了許多國家的設計規范。

2.6.2 高速公路的線形設計仍然首先要從當地的地形及工程地質條件等方面入手，當工程與美學要求一致，或差別不大時，則兩種要求均可同時滿足；當需要增加許多投資來達到美學要求時，則應仍以工程為主，同時也要盡量滿足美學方面的要求。