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摘要：本文结合鄂尔多斯市阿康中心物流园区基础设施建设项目道路工程设计的实践，全面总结了丘陵地区城市道路网竖向设计与道路纵断面设计的方法、原则、注意事项。
关键词：阿康中心物流园区；城市道路网；道路竖向设计、道路纵断面设计
中图分类号：U412文献标识码： A
1 概述
城市道路网是现代城市的主要组成部分，是整个城市的骨架，它关系到整个城市的有机活动。当城市道路网的平面线形与横断面形式确定下来后，其路网竖向与道路纵断面设计对整个城市交通的运营效率、人民群众的出行安全、建成后各地块的适用性能、工程造价的有效控制、区域土方的平衡、城市水土资源的合理保持、城市防洪排涝功能的有效规划、城市景观的理性延伸等方面有着至关重要的作用。
鄂尔多斯阿康中心物流园区规划占地总面积约25平方公里，该项目采用一次规划、一次设计、一次实施的方式进行建设，全区域内将新建道路31条，其中主干道12条，次干道19条，道路总长度约101km,道路总面积约400万平方米，城市道路网工程总投资约15 亿元人民币（图1）。
本项目道路竖向设计主要包括：分析确定立面控制点的标高；分析确定适当的纵坡、坡长、坡度及连接坡段转折的竖曲线。
2 道路网竖向设计原则与目标
图1 鄂尔多斯市阿康中心物流园区规划路网图
①根据物流园区道路性质、行车技术要求，充分结合当地气候、地形、地质水文条件和地物现状等，合理地确定有关立面控制点，使控制点之间以柔和、平顺线形衔接，道路纵断面设计达到安全、适用、经济、美观的目标。
②充分考虑整个物流园区地块开发的需要，和地块规划高程充分结合，力争做到道路竖向设计符合城市发展的要求。
③充分结合现状地形，力争达到随坡就势、减少填挖、节约土方、保护环境的效果。充分发挥土地潜力，节约用地，减少土石方及防护工程量， 保护城市生态环境,增强城市景观效果。
④道路竖向设计着力于满足各项工程建设场地及工程管线敷设的高程要求以及用地地面排水及城市防洪、排涝的要求。
⑤根据本地区地形特点及气候特点，为防止冬天雪后滑车现象的发生，各等级道路道路最大纵坡按照4%控制，地形条件限制或其他特殊情况时严格控制不超过5%，当道路纵坡由于不得已的情况大于4%时，为保证车辆雨雪天气时的通行安全，需采用限速、设置减速带、增大路面摩擦力等措施。
2 丘陵地区复杂地形条件下三维数字模型系统的应用
规划范围场地内总体地势起伏较大，为丘陵地貌，最低高程约为1280m，最高高程约为1410m左右，场区最大高差达130m。园区用地南北两侧均有低山，整体地势向西平缓倾斜，但中东部有一缓山山脊，山脊东部地势转为向东倾斜，用地西南部形成一陡坎，高坎距坎下地面高差近30m，用地北部为缓山丘陵区。区域内有数个天然形成的冲刷沟壑或洼地，总体上地形非常复杂，为道路竖向设计工作带来较大难度（图2）。
图2 区域现状高程分析图
针对复杂的地形条件，本项目道路竖向设计以现状地形为基础，以随坡就势，尽量减少土方量为原则，并充分考虑道路使用时的安全性、舒适性。为了道路竖向设计的准确性、合理性与经济性，本次设计结合1:500现状地形图、园区地质勘察资料、商业卫星图片及项目组现场收集的资料，利用计算机三维建模技术、GPS卫星定位系统、专业道路设计软件等工具，全面建立了拟建设区域的三维数字化地理信息系统并据此进行道路平面与竖向设计。三维数字化地理信息系统能准确反映建设区域范围内的地形地貌、能全方位准确标识区域内的现状道路、村落、构筑物、高压走廊、水塘、河流、河谷、山丘、不良地质区等地理信息，通过其地形建模、分析计算、结果表现的功能，可以有效的辅助城市道路网的纵断面设计（图3、图4）。
图3 物流园南区现状地形三维模型图
图4 物流园现状地形三维模型总图
除了建立数字化地理信息系统外，本项目还采用三维数模技术进行道路纵断面设计，利用目前国内比较流行的专业道路设计软件建立三维数模，并在全三维的空间模型内进行道路竖向设计。采用此种方法进行道路竖向设计的优点是：
①在全三维空间内进行设计，具有很强的结果表现功能，可以实时进行道路竖向上的检查，及时发现填挖过大现象并进行调整。
②对于道路网整体设计项目，在三维数字模型空间内进行设计可以保证各条道路竖向高程上的准确衔接，及时发现因设计疏忽产生的道路纵断面设计失误与错误。
③可以通过模型的建立与透视图的显示，及时发现道路建设是否与现状建筑物、现状高压走廊等障碍物相冲突，可以直观的表现出道路建成后与现状场地之间的高程关系，为更加合理的进行道路纵断面设计打下了基础。
例如物流园区内纬一路K0+000至K0+1000段，该段道路设计速度50km/h，线位位于一陡坡上，其现状高差近40m，且路段上与其他道路有2 处平面交叉口，其附近山丘之上还有现状高压电塔若干。根据《城市道路设计规范》，交叉口范围内最大纵坡为3%，设计时速50km/h的道路最大纵坡推荐值为5.5%，本次设计考虑地区气候因素取5%。本段道路纵断面设计综合考虑规范要求、道路行车安全、与其他道路的衔接、土方量大小、场地地质情况、周边现状障碍物等一系列因素进行纵断面设计，纵断面设计如下图所示（图5）。
图5 纬一路某段道路纵断面图
道路纵断面设计完成后，利用三维透视图对其进行检验（图6），发现其路堑边坡与相近的高压电塔距离在10m以上，道路纵断面线形较为和顺、交叉口范围视距无不利影响，其道路纵断面设计较为合理。
3 平、纵线形组合的合理化设计
丘陵地区城市道路网的平面线形往往根据地形地貌的特征随坡就势的进行线位布置，且目前我国城镇规划中越来越多的追求城市路网的总体理念效果与区域特色风格，故而在城市道路网规划中越来越多的采用比较曲折婉转的平面线位布置方案，這就要求道路纵断面设计中应该充分考虑平、纵面线形合理组合的问题。
3.1平、纵线形组合的设计原则
本次道网设计的平、纵线形组合，就是在满足汽车动力学和力学要求的前提下，充分考虑汽车行驶的安全、舒适、工程造价、司机视觉、心理状态及公路周围的环境与景观的协调，力图使驾驶员保持视觉的连续性，并有足够的舒适感和安全感，使视觉与心理反应达到平衡。
3.2 平、纵线形组合的组合设计
本项目平纵线形组合设计主要采用以下方法：
①平曲线与竖曲线组合相互对应，且稍长于竖曲线。
②合成坡度的设计与线形组合设计相结合。一般情况下，最大合成坡度控制在大于6%以下，最小合成坡度不小于0.3%。
③平、纵面线形组合设计应使线形与自然环境和景观相配合、协调。
④平曲线缓而长，且竖曲线坡差小于1%时，平曲线中可包含多个竖曲线。
⑤竖曲线半径大于平曲线半径的10～20倍以上。随着平曲线半径的增大，竖曲线半径的增大倍数也相应增加。
图6 物流园区某道路平、纵线形组合三维透视图
3.3平、纵线形组合设计中应避免的组合
对于平、竖曲线的组合设计能够满足上述要求是最好的，但有时往往受各种条件的限制难以满足，这时应避免如下组合的出现。
①要避免使凸形竖曲线的顶部或凹形竖曲线的底部与反向平曲线的拐点重合。二者都存在不同程度的扭曲外观；前者会使驾驶员操作失误，引起交通事故；后者虽无视线诱导问题，但路面排水困难，易产生积水。
②计算行车速度大于等于40km／h的道路，应避免在凸形竖曲线顶部或凹形竖曲线底部插入小半径的平曲线。前者失去诱导视线的作用，驾驶员须接近坡顶才发现平曲线，导致不必要的减速或交通事故；后者会出现汽车高速行驶时急转弯，行车极不安全。
③长直线不宜与半径小且长度短的竖曲线组合；长的平曲线内不宜包含多个短的竖曲线；短的平曲线内不宜与短的竖曲线组合；長的竖曲线内不宜设置半径小的平曲线。这些组合都不利于保持驾驶员视觉的连续性，非常容易使驾驶员心理紧张，从而导致交通事故。
4 城市排水系统对道路竖向设计的影响
目前我国城市雨、污水一般都采取重力直排模式，并根据城市竖向情况配合采用强排或缓冲排水模式加以辅助。丘陵地区地形比较复杂，地貌起伏不定，其城市场地竖向标高一般根据地形条件随坡就势进行设计，这就要求道路竖向设计也必须和城市排水系统设计机效结合起来，尽量使道路竖向设计能保证城市排水系统可以将雨、污水通过重力流引出城区，同时通过合理的道路竖向设计尽量减少雨、污水泵站等强制排水设施的设置以降低远期的运营成本与人工成本。
例如阿康物流园区西南侧某区域路网，根据实际地形地貌特征按照随坡就势的原则设计。如果按照此路网竖向进行城市排水工程设计，则图中H=1357的位置属于排水不利区域，区域雨水无法依靠重力自动排除，而反坡布管又埋深太大，故只能设置一处雨水提升泵站，以强制排水模式使区域收集的雨水提升后排入低洼处。
根据此种情况，项目组对区域路网竖向进行了局部调整，适当抬高该点的标高，使区域内收集的雨水可以通过重力自行排除，如图9所示。采用此方案，道路工程和地块场地平整的土方量会有一定的增加，但可以减少一处雨水提升泵站，这样就完全避免了泵站建设产生的费用和长期运营维护产生的成本。根据测算，按照此方案调整后场地平整土方量增加约50万方，按照10元/立方米的估算价格，增加费用约500万元，但可节约雨水泵站初期建设费用约400万元，也可节约设备维护及人工费用约30万元/每年，可见此方案确实是合理、经济、可行的。
阿康物流园区道路网竖向设计与排水工程设计进行了紧密的结合，并进行了多轮合理化调整，最后建设实施的方案与早期成果相比，污水提升泵站由5处减少为3处，2处雨水提升泵站也得以取消，为降低工程成本，节约后期运营费用起到了重大的作用。
5 结语
与公路这种单一承担交通功能的道路不同，城市道路网作为整个城市的骨架与载体，其竖向设计不能仅考虑车辆通行的需求，还应着重考虑地形地貌、地块功能、城市防洪排涝、城市景观功能的需求。在设计中应在设计规范的指导下，认真调查、仔细研究、综合考虑各方面的因素，制定出最佳方案。
参考文献
[1] 城市道路工程设计规范
CJJ 37-2012
[2]城市道路工程设计技术措施
中国建筑标准设计研究院
关键词：阿康中心物流园区；城市道路网；道路竖向设计、道路纵断面设计
中图分类号：U412文献标识码： A
1 概述
城市道路网是现代城市的主要组成部分，是整个城市的骨架，它关系到整个城市的有机活动。当城市道路网的平面线形与横断面形式确定下来后，其路网竖向与道路纵断面设计对整个城市交通的运营效率、人民群众的出行安全、建成后各地块的适用性能、工程造价的有效控制、区域土方的平衡、城市水土资源的合理保持、城市防洪排涝功能的有效规划、城市景观的理性延伸等方面有着至关重要的作用。
鄂尔多斯阿康中心物流园区规划占地总面积约25平方公里，该项目采用一次规划、一次设计、一次实施的方式进行建设，全区域内将新建道路31条，其中主干道12条，次干道19条，道路总长度约101km,道路总面积约400万平方米，城市道路网工程总投资约15 亿元人民币（图1）。
本项目道路竖向设计主要包括：分析确定立面控制点的标高；分析确定适当的纵坡、坡长、坡度及连接坡段转折的竖曲线。
2 道路网竖向设计原则与目标
图1 鄂尔多斯市阿康中心物流园区规划路网图
①根据物流园区道路性质、行车技术要求，充分结合当地气候、地形、地质水文条件和地物现状等，合理地确定有关立面控制点，使控制点之间以柔和、平顺线形衔接，道路纵断面设计达到安全、适用、经济、美观的目标。
②充分考虑整个物流园区地块开发的需要，和地块规划高程充分结合，力争做到道路竖向设计符合城市发展的要求。
③充分结合现状地形，力争达到随坡就势、减少填挖、节约土方、保护环境的效果。充分发挥土地潜力，节约用地，减少土石方及防护工程量， 保护城市生态环境,增强城市景观效果。
④道路竖向设计着力于满足各项工程建设场地及工程管线敷设的高程要求以及用地地面排水及城市防洪、排涝的要求。
⑤根据本地区地形特点及气候特点，为防止冬天雪后滑车现象的发生，各等级道路道路最大纵坡按照4%控制，地形条件限制或其他特殊情况时严格控制不超过5%，当道路纵坡由于不得已的情况大于4%时，为保证车辆雨雪天气时的通行安全，需采用限速、设置减速带、增大路面摩擦力等措施。
2 丘陵地区复杂地形条件下三维数字模型系统的应用
规划范围场地内总体地势起伏较大，为丘陵地貌，最低高程约为1280m，最高高程约为1410m左右，场区最大高差达130m。园区用地南北两侧均有低山，整体地势向西平缓倾斜，但中东部有一缓山山脊，山脊东部地势转为向东倾斜，用地西南部形成一陡坎，高坎距坎下地面高差近30m，用地北部为缓山丘陵区。区域内有数个天然形成的冲刷沟壑或洼地，总体上地形非常复杂，为道路竖向设计工作带来较大难度（图2）。
图2 区域现状高程分析图
针对复杂的地形条件，本项目道路竖向设计以现状地形为基础，以随坡就势，尽量减少土方量为原则，并充分考虑道路使用时的安全性、舒适性。为了道路竖向设计的准确性、合理性与经济性，本次设计结合1:500现状地形图、园区地质勘察资料、商业卫星图片及项目组现场收集的资料，利用计算机三维建模技术、GPS卫星定位系统、专业道路设计软件等工具，全面建立了拟建设区域的三维数字化地理信息系统并据此进行道路平面与竖向设计。三维数字化地理信息系统能准确反映建设区域范围内的地形地貌、能全方位准确标识区域内的现状道路、村落、构筑物、高压走廊、水塘、河流、河谷、山丘、不良地质区等地理信息，通过其地形建模、分析计算、结果表现的功能，可以有效的辅助城市道路网的纵断面设计（图3、图4）。
图3 物流园南区现状地形三维模型图
图4 物流园现状地形三维模型总图
除了建立数字化地理信息系统外，本项目还采用三维数模技术进行道路纵断面设计，利用目前国内比较流行的专业道路设计软件建立三维数模，并在全三维的空间模型内进行道路竖向设计。采用此种方法进行道路竖向设计的优点是：
①在全三维空间内进行设计，具有很强的结果表现功能，可以实时进行道路竖向上的检查，及时发现填挖过大现象并进行调整。
②对于道路网整体设计项目，在三维数字模型空间内进行设计可以保证各条道路竖向高程上的准确衔接，及时发现因设计疏忽产生的道路纵断面设计失误与错误。
③可以通过模型的建立与透视图的显示，及时发现道路建设是否与现状建筑物、现状高压走廊等障碍物相冲突，可以直观的表现出道路建成后与现状场地之间的高程关系，为更加合理的进行道路纵断面设计打下了基础。
例如物流园区内纬一路K0+000至K0+1000段，该段道路设计速度50km/h，线位位于一陡坡上，其现状高差近40m，且路段上与其他道路有2 处平面交叉口，其附近山丘之上还有现状高压电塔若干。根据《城市道路设计规范》，交叉口范围内最大纵坡为3%，设计时速50km/h的道路最大纵坡推荐值为5.5%，本次设计考虑地区气候因素取5%。本段道路纵断面设计综合考虑规范要求、道路行车安全、与其他道路的衔接、土方量大小、场地地质情况、周边现状障碍物等一系列因素进行纵断面设计，纵断面设计如下图所示（图5）。
图5 纬一路某段道路纵断面图
道路纵断面设计完成后，利用三维透视图对其进行检验（图6），发现其路堑边坡与相近的高压电塔距离在10m以上，道路纵断面线形较为和顺、交叉口范围视距无不利影响，其道路纵断面设计较为合理。
3 平、纵线形组合的合理化设计
丘陵地区城市道路网的平面线形往往根据地形地貌的特征随坡就势的进行线位布置，且目前我国城镇规划中越来越多的追求城市路网的总体理念效果与区域特色风格，故而在城市道路网规划中越来越多的采用比较曲折婉转的平面线位布置方案，這就要求道路纵断面设计中应该充分考虑平、纵面线形合理组合的问题。
3.1平、纵线形组合的设计原则
本次道网设计的平、纵线形组合，就是在满足汽车动力学和力学要求的前提下，充分考虑汽车行驶的安全、舒适、工程造价、司机视觉、心理状态及公路周围的环境与景观的协调，力图使驾驶员保持视觉的连续性，并有足够的舒适感和安全感，使视觉与心理反应达到平衡。
3.2 平、纵线形组合的组合设计
本项目平纵线形组合设计主要采用以下方法：
①平曲线与竖曲线组合相互对应，且稍长于竖曲线。
②合成坡度的设计与线形组合设计相结合。一般情况下，最大合成坡度控制在大于6%以下，最小合成坡度不小于0.3%。
③平、纵面线形组合设计应使线形与自然环境和景观相配合、协调。
④平曲线缓而长，且竖曲线坡差小于1%时，平曲线中可包含多个竖曲线。
⑤竖曲线半径大于平曲线半径的10～20倍以上。随着平曲线半径的增大，竖曲线半径的增大倍数也相应增加。
图6 物流园区某道路平、纵线形组合三维透视图
3.3平、纵线形组合设计中应避免的组合
对于平、竖曲线的组合设计能够满足上述要求是最好的，但有时往往受各种条件的限制难以满足，这时应避免如下组合的出现。
①要避免使凸形竖曲线的顶部或凹形竖曲线的底部与反向平曲线的拐点重合。二者都存在不同程度的扭曲外观；前者会使驾驶员操作失误，引起交通事故；后者虽无视线诱导问题，但路面排水困难，易产生积水。
②计算行车速度大于等于40km／h的道路，应避免在凸形竖曲线顶部或凹形竖曲线底部插入小半径的平曲线。前者失去诱导视线的作用，驾驶员须接近坡顶才发现平曲线，导致不必要的减速或交通事故；后者会出现汽车高速行驶时急转弯，行车极不安全。
③长直线不宜与半径小且长度短的竖曲线组合；长的平曲线内不宜包含多个短的竖曲线；短的平曲线内不宜与短的竖曲线组合；長的竖曲线内不宜设置半径小的平曲线。这些组合都不利于保持驾驶员视觉的连续性，非常容易使驾驶员心理紧张，从而导致交通事故。
4 城市排水系统对道路竖向设计的影响
目前我国城市雨、污水一般都采取重力直排模式，并根据城市竖向情况配合采用强排或缓冲排水模式加以辅助。丘陵地区地形比较复杂，地貌起伏不定，其城市场地竖向标高一般根据地形条件随坡就势进行设计，这就要求道路竖向设计也必须和城市排水系统设计机效结合起来，尽量使道路竖向设计能保证城市排水系统可以将雨、污水通过重力流引出城区，同时通过合理的道路竖向设计尽量减少雨、污水泵站等强制排水设施的设置以降低远期的运营成本与人工成本。
例如阿康物流园区西南侧某区域路网，根据实际地形地貌特征按照随坡就势的原则设计。如果按照此路网竖向进行城市排水工程设计，则图中H=1357的位置属于排水不利区域，区域雨水无法依靠重力自动排除，而反坡布管又埋深太大，故只能设置一处雨水提升泵站，以强制排水模式使区域收集的雨水提升后排入低洼处。
根据此种情况，项目组对区域路网竖向进行了局部调整，适当抬高该点的标高，使区域内收集的雨水可以通过重力自行排除，如图9所示。采用此方案，道路工程和地块场地平整的土方量会有一定的增加，但可以减少一处雨水提升泵站，这样就完全避免了泵站建设产生的费用和长期运营维护产生的成本。根据测算，按照此方案调整后场地平整土方量增加约50万方，按照10元/立方米的估算价格，增加费用约500万元，但可节约雨水泵站初期建设费用约400万元，也可节约设备维护及人工费用约30万元/每年，可见此方案确实是合理、经济、可行的。
阿康物流园区道路网竖向设计与排水工程设计进行了紧密的结合，并进行了多轮合理化调整，最后建设实施的方案与早期成果相比，污水提升泵站由5处减少为3处，2处雨水提升泵站也得以取消，为降低工程成本，节约后期运营费用起到了重大的作用。
5 结语
与公路这种单一承担交通功能的道路不同，城市道路网作为整个城市的骨架与载体，其竖向设计不能仅考虑车辆通行的需求，还应着重考虑地形地貌、地块功能、城市防洪排涝、城市景观功能的需求。在设计中应在设计规范的指导下，认真调查、仔细研究、综合考虑各方面的因素，制定出最佳方案。
参考文献
[1] 城市道路工程设计规范
CJJ 37-2012
[2]城市道路工程设计技术措施
中国建筑标准设计研究院