Проблемы проектирования автомагистралей и пути их решения

УДК 625.7/8

ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАГИСТРАЛЕЙ И

ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

Г.В. Величко, академик ТАУ, СП “Кредо-Диалог”, г. Минск

Аннотация. Рассмотрены современные проблемы автоматизированного проектирования автомагистралей. Доказана необходимость развития теории и практики проектирования дорог всех категорий (по единой методологии) и одновременной разработки нового программного обеспечения для систем автоматизированного проектирования. Для раскрытия сути новых решений введены и разъяснены новые понятия: МОНОТРАССОВЫЙ и ПОЛИТРАССОВЫЙобъект.

Ключевые слова: методология проектирования, автомагистрали, автоматизированное проектирование, монотрасса, политрасса.

Введение

Проблемы методологии проектирования автомагистралей. Существующая методология изысканий и проектирования нового строительства и реконструкции автомобильных дорог не выделяет методов и технологий отдельно для дорог низких категорий и отдельно для автомагистралей. Такого разделения нет даже в нормативно-справочной базе дорожной отрасли, особенно в части ГОСТов на оформление проектно-сметной документации. Поэтому и в основной массе программных продуктов, ориентированных на реализацию этих технологий также не наблюдается каких-либо существенных различий. В самой распространенной и эффективной концепции параметрического проектирования автомобильных дорог и других линейных объектов, а именно в концепции «ось-поперечник», методы проектирования дорог низких категорий и автомагистралей отличаются в основном на уровне вариации конструкции поперечников и методов проектирования виражей. А основной структурообразующий элемент дороги

- пространственную ось - для автомагистралей проектируют так же, как и для дорог низких категорий. Такая общность методологии и упрощенный подход к конструированию в системах автоматизированного проектирования автомобильных дорог высших категорий оказываются несостоятельными в тех случаях, когда возникает потребность:

- в реконструкции или комплексном ремонте автомагистрали как единого объекта, а не каждой из ее полос в отдельности;

- в стадийном повышении категории существующих дорог и при проектировании строитель-

ства автомагистрали путем устройства новой полосы движения противоположного направления;

- в достаточном, детальном и метрически корректном описании не только общих параметров плана, продольного профиля и типовых поперечников. Например, поперечного сечения проектируемых автомагистралей по ломаной линии или под непрямым углом;

- в подробном описании элементов водоотвода не только левого или правого кюветов, но также и по разделительной полосе автомагистралей;

- детального описания проектных решений по вертикальной планировке, отгонам виражей и уширений на каждой из полос движения и т.д.

Цель и постановка задачи

Проблема незавершенности проектного решения и перекладывания несовершенных решений на этап строительства. Без разрешения в системах автоматизированного проектирования автомобильных дорог вопросов, подобных вышеуказанным, на исполнителей работ, строителей, перекладывается основной объем задач, часто требующих для своего решения:

- существенно усложненной в полевых условиях «детализации» проекта, например, в части интерполяции или восстановления параметров поперечного профиля на произвольном пикете;

- опоры на интуицию или чей-либо субъективный опыт, например, машиниста или оператора дорожно-строительных машин, что далеко не всегда гарантирует рациональность и оптимальность решений. Для строящихся и реконструируемых дорог и автомагистралей такой подход не всегда способствует оптимальному решению таких задач, как:

обеспечение ровности проезжей части и надежного поверхностного водоотвода на сложных участках трассы, в местах примыканий и ответвлений на съездах, на виражах;

- обеспечение оптимального водно-теплового режима тела насыпи и дорожной одежды, существенно зависящего от проектных решений по водоотводу;

- рациональное распределение ресурсов и детализации картограмм фрезерования и выравнивания покрытий;

- детальная разбивка оси и других структурообразующих линий дороги на разных этапах ее строительства.

Проблема проектирования автомагистралей в стесненных условиях. В стесненных условиях пересеченной местности необходимо существенное развитие трассы, укладки трасс и «ступенчатых» поперечников на косогорах. Сложны конструкции достраивания или пристраивания новой полосы движения к существующей дороге, требующие индивидуальных решений по плану, продольному и поперечному профилю для каждого из направлений, т.е. при раздельном трассировании. В этих случаях упрощенное описание автомагистрали, предусматривающее структурирование данных ее модели по принципу - одна ось и поперечники, вообще оказывается неработоспособным и приводит к таким противоречиям, которые выражаются:

- в существенном отличии в пикетаже разных направлений, приводящем к неоднозначностям в адресации дороги в пикетах и к существенным погрешностям в оценке объемов работ;

- в большой вероятности несоблюдения нормативных требований в геометрических параметрах каждой из полос направлений;

- в невозможности задавать и согласовывать разности высот продольных профилей, в том числе и для устранения или устройства вертикальных смещений поперечных профилей полос разных направлений;

- в неопределенности интерполяции геометрических параметров нормальных разрезов для неэквидистантных полос движения; при этом размеры по ширине проезжей части и ее уклоны будут интерполироваться из модели не в соответствии с принятыми нормативами, а с учетом тригонометрических поправок за счет сечений под углом и т.д.;

- в отсутствии возможности достижения взаимной однозначности в поперечниках, построенных по нормали к соответствующим осям неэквидистантных полос движения разных направлений;

- в отсутствии возможности корректного описания конструкции земляного полотна, дорожной

одежды и дренажа на сложных участках раздельного трассирования в плане или в продольном профиле для каждой из полос автомагистрали, формально находящихся в рамках единого земляного полотна.

Проблема согласованности проектных решений с возможностями современной дорожно-

строительной техники. В современных и прогнозируемых условиях производства работ возникает (или становится все более актуальной) настоятельная необходимость точного и адекватного цифрового или математически корректного детального описания строящихся объектов и всех его компонентов, многократно востребованных на разных этапах строительства. Объективными предпосылками к этому служат те положительные тенденции в совершенствовании технологий производства работ, которые происходят, в том числе, и за счет:

- использования все более совершенных и более точных дорожно-строительных машин и механизмов;

- применения современных геодезических средств управления и контроля производимых работ, основанного на лазерных и вР8-технологиях;

- все более развивающейся компьютеризации и информатизации производственных процессов; налаживания электронного обмена данными, в том числе и корректировки проектных решений в реальном времени, непосредственно в процессе производства работ.

Проблема единой программы для проектирования дорог всех типов и категорий, включая автомагистрали. Очевидно, что устранение указанных недостатков совершенствованием структур данных, методов изысканий и проектирования автомагистралей должно быть в максимальной степени обоснованным и эффективным и не приводить к существенным отличиям от традиционных методов проектирования автомобильных дорог низких категорий. Должна быть обеспечена преемственность методов и навыков, а также универсальность общих инструментов, используемых как при проектировании обычных дорог, так и при проектировании автомагистралей. Тем самым будет минимизирована «ломка» традиционных технологий и приобретенных навыков автоматизированного проектирования автомобильных дорог.

Решение задачи

Анализ изложенных выше проблем обосновывает необходимость развития теории и практики проектирования дорог всех категорий (по единой методологии) и одновременной разработки нового программного обеспечения для проектирова-

ния автомобильных дорог. Для раскрытия сути этих новых решений необходимо введение новых понятий: монотрассовый и политрассовый

объект.

Монотрассовый объект — это такой линейный объект, вся элементы конструкции которого привязаны к одной пространственной оси (трассе). В соответствии с этим критерием, все обычные дороги 2-5 технических категорий могут быть описаны или определены в системе проектирования как монотрассовые объекты. Для таких объектов наиболее применима по критерию эффективности, простоты и надежности концепция ось-поперечник.

Политрассовый объект - это такой линейный объект, в состав которого входит два монотрассо-вых объекта, объединенных в единый объект и согласуемых между собой посредством главной трассы.

Главная трасса - это 2D или 3D ось, являющаяся геометрической и семантической основой полит-рассового объекта. Эта трасса несет или содержит в себе основные геометрические параметры по-литрассового объекта, общий метрически корректный и рубленый пикетаж, привязку искусственных сооружений, общие параметры единого земляного полотна и прочие данные. Эта трасса также выполняет функции, необходимые для взаимной и однозначной плановой и высотной связи монотрассовых объектов, входящих в состав по-литрассового объекта. Поэтому такую главную трассу можно назвать еще и связующей трассой.

Типичным представителем политрассового объекта служит автомобильная дорога первой категории. Для конструктивного описания автомагистрали, как политрассового объекта, достаточно главной трассы и двух, располагаемых слева и справа, осей, представляющих параметрические модели двух монотрассовых объектов, т.е. моделей полос движения в прямом и обратном направлении. При таком подходе в максимальной степени используется функциональность компонентов проектирования в системе CREDO обычных, автономных, ни с чем не связанных моно-трассовых объектов, т. е. дорог 2-5 технических категорий. Это обеспечивает преемственность методов и повторное использование готовых кодов и алгоритмов. При этом необходимо учитывать только то, что в отличие от алгоритмов установления и определения проектных параметров и характеристик автономного монотрассового объекта, алгоритмы установления и определения его проектных параметров в составе политрассового объекта должны предусматривать учет параметров и конструкцию контактирующего или взаимодействующего с ним другого монотрассового объекта. Информация о необходимости и месте взаимодействия каждого из монотрассовых объ-

ектов друг с другом должна быть определена в главной, связующей трассе.

Заключение

Практическая реализация такого подхода в системе CREDO дороги 1.0 возможна только благодаря наличию в платформе CREDO III ряда эксклюзивных (исключительных) математических решений, а также при учете и соблюдении в дальнейшей разработке следующих ограничений:

1. Очевидно, что политрассовый объект не может существовать без какой-либо одной из составляющих его трасс. С учетом этого обстоятельства, в системе CREDO дороги 1.0, предусматривается два метода проектирования таких объектов. Первый из них предусматривает создание главной трассы, с автоматическим созданием эквидистантных к ней осей двух монотрассовых объектов. Второй метод предусматривает раздельное трассирование каждой из осей, с последующим объединением их в единый политрассвый объект.

2. Независимо от метода создания предусматривается возможность последующего индивидуального редактирования каждой из трасс. При этом должен быть обеспечен контроль наличия и однозначности решения задачи поиска на каждой из трасс соответствующих друг другу пикетов.

Эти задачи решаются также и для всех типов трасс, сконструированных из базовых геометрических примитивов платформы CREDO III:

- точек;

- отрезков прямых линий;

- дуг окружностей;

- полных и неполных дуг клотоид;

- квадратичных парабол;

- дуг составных кривых второго порядка гладко -сти на основе составных кубических В-сплайнов, т.н. G2 гладко-сопрягающих кривых;

- эквидистант этих кривых и их отрезков;

- скомпонованных из сопряжений этих элементов полилиний, как основы функциональных элементов моно- и политрассовых объектов - 2D и 3D осей (трасс), структурных и других линий. Отработка компонентов такой технологии проектирования дорог первых категорий осуществляется параллельно с реализацией методов проектирования дорог низких категорий, загородных и городских дорог. Также как и по параметрическим моделям монотрассовых объектов, по результатам проектирования политрассовых объектов создаются 3D модели автомагистралей.

Рецензент: В.В. Филиппов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 27 января 2005 г.