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多約束條件下的復(fù)雜縱斷面設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)研究

2013-09-11 08:07余豫新
關(guān)鍵詞:縱斷面縱坡約束條件

余豫新

(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200030)

多約束條件下的復(fù)雜縱斷面設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)研究

余豫新

(上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200030)

系統(tǒng)分析了縱斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素,并且結(jié)合某工程實(shí)例,為多約束條件的復(fù)雜縱斷面設(shè)計(jì)提供了思路和方法;通過研究評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系,提出了基于DEA方法的縱斷面方案定量評(píng)價(jià)方法,解決了以往定性選擇縱斷面方案時(shí)易產(chǎn)生的主觀性、片面性的問題。

城市道路;縱斷面;DEA方法;評(píng)價(jià)指標(biāo)

0 引 言

城市道路是市政建設(shè)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一,伴隨著國家整體實(shí)力的穩(wěn)步提升,中國的城市道路建設(shè)已經(jīng)取得了巨大的成就,城市道路設(shè)計(jì)的理論、方法等也逐步完善,形成了成套的規(guī)范及指南。

縱斷面設(shè)計(jì)是道路設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),需要考慮的因素眾多,靈活性大,技巧性強(qiáng),因此也是整個(gè)設(shè)計(jì)方案成敗與否的關(guān)鍵。而且,約束條件較多的縱斷面設(shè)計(jì)往往出現(xiàn)多方案比選的情況,定性的評(píng)價(jià)存在一定的主觀性和片面性,較難準(zhǔn)確比選出最佳方案。因此,本文結(jié)合上海某道路縱斷面方案比選的實(shí)例,系統(tǒng)分析研究了縱斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素以及基于DEA理論的定量評(píng)價(jià)方法。

1 縱斷面設(shè)計(jì)的約束條件

城市道路縱斷面設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜、多元化的綜合任務(wù),在設(shè)計(jì)時(shí)需權(quán)衡協(xié)調(diào)各種因素,最終確定最佳方案。結(jié)合縱斷面相關(guān)設(shè)計(jì)原則[1-3],經(jīng)過深入系統(tǒng)的分析,得出了縱斷面設(shè)計(jì)的約束條件。

(1)滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)速度的縱斷面線形技術(shù)要求。相應(yīng)設(shè)計(jì)速度下的縱斷面線形技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是縱斷面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)?!冻鞘械缆饭こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》(CJ J37—2012)中明確規(guī)定了縱斷面設(shè)計(jì)的坡度、坡長以及豎曲線半徑等指標(biāo),為科學(xué)安全的縱斷面設(shè)計(jì)提供了保障。

(2)滿足橋梁、地道等構(gòu)筑物的凈空要求。橋梁的梁底控制標(biāo)高受河道正常水位以及通航等級(jí)兩方面的約束,是道路縱斷面必須滿足的控制點(diǎn);地道的最小凈高是扣除地道結(jié)構(gòu)厚度以及鋪裝層厚度之后而滿足機(jī)動(dòng)車輛通行的最小高度;與設(shè)計(jì)工程立體相交的其余構(gòu)筑物也應(yīng)滿足相應(yīng)的標(biāo)高要求。

(3)滿足與規(guī)劃及現(xiàn)狀道路交叉口標(biāo)高良好銜接的要求[4]。平面交叉口需與規(guī)劃及現(xiàn)狀道路標(biāo)高接順,以滿足整個(gè)區(qū)域的豎向規(guī)劃,同時(shí)盡量避免已建工程的翻挖重建。

(4)滿足各種市政管線敷設(shè)的要求。市政道路下面均敷設(shè)有雨水、污水、通訊、電力等管線,因此縱斷面設(shè)計(jì)還需考慮管線埋設(shè)的最小覆土厚度。

(5)滿足道路及周邊地塊排水要求。道路縱向排水主要依靠縱坡,城市道路中不小于0.3%的縱坡即認(rèn)為滿足縱向排水要求;道路標(biāo)高一般略低于沿線地塊標(biāo)高,以滿足地塊排水要求。

(6)滿足路基標(biāo)高要求,保證路基處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。路基是道路主要的承重層,因此保證路基處于穩(wěn)定工作狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)工程的安全性與耐久性。針對(duì)不良地質(zhì)路段要嚴(yán)格控制地基處理范圍及深度,縱斷面設(shè)計(jì)要結(jié)合不良地質(zhì)情況及地下水位確定控制標(biāo)高。

(7)結(jié)合地形,盡量減小土方數(shù)量。土方數(shù)量是控制工程造價(jià)的重要因素,縱斷面設(shè)計(jì)線應(yīng)順應(yīng)現(xiàn)狀地面線的趨勢(shì),并且盡量靠近地面線,以有效減少填挖方量,節(jié)省土源,降低工程造價(jià)。

(8)滿足機(jī)動(dòng)車行駛舒適性及節(jié)省燃油的要求??v斷面頻繁的起伏變化會(huì)影響機(jī)動(dòng)車的行駛舒適性,駕駛員在啟動(dòng)、制動(dòng)間來回切換,容易造成駕駛疲勞,不利于行車安全,同時(shí)增大油耗,對(duì)機(jī)動(dòng)車磨損較大,縮短了車輛使用壽命。

(9)盡量體現(xiàn)道路縱向線形的美觀。縱向線形的美觀主要體現(xiàn)在較好地融合了沿線地形地貌,起伏平緩,錯(cuò)落有致[5]。例如橋梁兩側(cè)坡度的對(duì)稱布設(shè)就體現(xiàn)出了對(duì)稱之美。

一個(gè)優(yōu)秀的縱斷面設(shè)計(jì)方案是在滿足以上各點(diǎn)的情況下,優(yōu)中選優(yōu)而確定的。但是往往會(huì)出現(xiàn)顧此失彼的情況,這就需要設(shè)計(jì)人員仔細(xì)分析,斟酌取舍,在必須滿足前五項(xiàng)的條件下,結(jié)合工程實(shí)際情況,選擇取舍原則,確實(shí)無法滿足的約束條件需采取相應(yīng)的路基加固或增大豎曲線半徑等措施補(bǔ)償。

2 城市道路縱斷面設(shè)計(jì)方案研究比選

本工程是上海市某高科技園區(qū)的一條城市道路,規(guī)劃為城市支路,縱斷面約束條件較多,設(shè)計(jì)復(fù)雜。工程起、終點(diǎn)分別與已建及在建道路平面相交,一條六級(jí)航道通航要求的河流橫穿該工程,高差較大,且距離較近,為科學(xué)合理的縱斷面設(shè)計(jì)帶來了極大的困難。

2.1 設(shè)計(jì)約束條件

(1)設(shè)計(jì)速度為30km·h-1。

(2)工程終點(diǎn)為在建道路A,規(guī)劃為城市次干路,現(xiàn)狀標(biāo)高約為4.8m。

(3)工程終點(diǎn)向南約100m為規(guī)劃河流B,河寬為48m,滿足六級(jí)航道要求的橋梁控制標(biāo)高為10.96m;根據(jù)周圍已建橋梁標(biāo)高以及與航務(wù)部門溝通,橋梁控制標(biāo)高最低可降低至9.46m。

(4)河流B向南約250m為規(guī)劃河流C,河寬為30m,控制標(biāo)高為6.76m。

(5)地塊規(guī)劃標(biāo)高約為5.0m。

(7)地塊規(guī)劃的景觀要求較高。

2.2 設(shè)計(jì)方案研究

縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮以上各約束條件,并且結(jié)合車輛行駛安全性、舒適性,線形的協(xié)調(diào)美觀、橋梁結(jié)構(gòu)的科學(xué)合理性以及工程的經(jīng)濟(jì)性等因素,根據(jù)航務(wù)部門提供的規(guī)劃通航凈高(10.96m)要求提出了4個(gè)縱斷面方案,根據(jù)協(xié)調(diào)后可能降低的凈高(9.46m)要求提出了2個(gè)方案,進(jìn)行方案綜合比選,如圖1~6所示。

方案1是惟一一個(gè)滿足非機(jī)動(dòng)車騎行的方案,即3.5%縱坡坡長小于150m。優(yōu)點(diǎn)是:非機(jī)動(dòng)車可騎行;線形較為平緩,可確保行駛舒適性和安全性。缺點(diǎn)是:不能夠與在建的A道路標(biāo)高接順,路口需抬高約2.5m;整條道路填方量較大。

方案2的優(yōu)點(diǎn)是:最大縱坡約5%,未取至極限值;整體線形較為順暢,避免了線形的反復(fù)起伏。缺點(diǎn)是:非機(jī)動(dòng)車需推行;與A道路交叉口處坡度較大,不利于停車及行車安全;填挖方量較大。

方案3和方案2的主要差別在于對(duì)橋梁C縱坡的處理,方案3橋梁C兩側(cè)縱坡對(duì)稱布設(shè),有利于橋梁景觀設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是:最大縱坡約5%,未取至極限值;兩座橋梁段縱坡均對(duì)稱布設(shè),較為美觀;填挖方量較小。缺點(diǎn)是:非機(jī)動(dòng)車需推行;與A道路交叉口處坡度較大,不利于停車及行車安全;道路縱斷面頻繁起伏變化,短距離內(nèi)需要加速、制動(dòng),不能滿足駕駛舒適性。

方案4采用30km·h-1設(shè)計(jì)速度下的極限最大縱坡,從而避免了交叉口處的大縱坡。優(yōu)點(diǎn)是:與A道路交叉口處縱坡相對(duì)較緩,有利于交叉口的停車及行車安全,避免了由于縱坡過大而導(dǎo)致駕駛員沖過交叉口;橋梁段縱坡對(duì)稱布設(shè),較為美觀。缺點(diǎn)是:非機(jī)動(dòng)車需推行;橋梁段采用最大縱坡極限值;接近路口處坡長不滿足30km·h-1設(shè)計(jì)速度下最小坡長85m的標(biāo)準(zhǔn)。

方案5和方案6是基于橋梁控制標(biāo)高為9.46m的情況而設(shè)計(jì)的,但是該標(biāo)高還需根據(jù)沿線豎向規(guī)劃以及已經(jīng)在建橋梁的標(biāo)高進(jìn)一步研究確定,是一種比較合理的控制標(biāo)高。

1990年中國與印尼恢復(fù)外交關(guān)系后,印尼政府對(duì)華人的政策開始變得寬松。由于1966年后印尼開始有很多來自臺(tái)灣的商業(yè)投資,1990年印尼政府同意為在印尼的臺(tái)灣子女建立臺(tái)北學(xué)校,教學(xué)材料可以從臺(tái)灣引進(jìn)?!?994年政府開始準(zhǔn)許國民學(xué)習(xí)華語,也準(zhǔn)許民間開辦華語補(bǔ)習(xí)班”。[9]1994年6月11日“印尼內(nèi)政部政治司簽署文件準(zhǔn)許兩所指定的大學(xué),即印尼大學(xué)和達(dá)爾瑪·勃爾沙達(dá)大學(xué)(Universitas Darma Persada)的漢語系開設(shè)漢語必修課”[10],這說明印尼政府開始對(duì)華語作為外語的教學(xué)放寬限制。1998年5月印尼發(fā)生排華事件,蘇哈托總統(tǒng)同月宣布下臺(tái)。

方案5的優(yōu)點(diǎn)是:整體縱坡較為平緩,行駛比較舒適;與A道路交叉口處縱坡較緩,有利于交叉口的停車及行車安全,避免了由于縱坡過大而導(dǎo)致駕駛員沖過交叉口;橋梁段縱坡對(duì)稱布設(shè),較為美觀。缺點(diǎn)是:非機(jī)動(dòng)車需推行;接近路口處坡長不滿足30km·h-1設(shè)計(jì)速度下最小坡長85m的標(biāo)準(zhǔn)。

方案6的優(yōu)點(diǎn)是:最大縱坡約3.82%,較為平緩;橋梁段縱坡對(duì)稱布設(shè),較為美觀;填挖方較小。缺點(diǎn)是:非機(jī)動(dòng)車需推行;與A道路交叉口處坡度較大,不利于行車安全。

2.3 綜合比選

由表1可見,方案1、5、6均有1項(xiàng)指標(biāo)不滿足要求;方案2、3有2項(xiàng)指標(biāo)不滿足要求;方案4有3項(xiàng)不滿足要求。根據(jù)表1的定性評(píng)價(jià)僅能排除方案4,其余方案的優(yōu)勢(shì)并不明顯,但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn),擬推薦方案5,在這種情況下復(fù)雜項(xiàng)目的縱斷面方案比選缺乏準(zhǔn)確的依據(jù),無法通過直觀的定性評(píng)價(jià)而確定。因此,需引入一種既方便快捷又能夠準(zhǔn)確區(qū)分各方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)方法。本論文采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA方法)定量評(píng)價(jià)各方案的優(yōu)劣,從而科學(xué)地指導(dǎo)設(shè)計(jì)者確定最佳縱斷面設(shè)計(jì)方案[6]。

3 縱斷面方案評(píng)價(jià)

3.1 DEA方法模型

表1 縱斷面方案比選分析

式中:ε為非阿基米德無窮小量,是一個(gè)大于零而小于任何正數(shù)的數(shù);VDε1為帶有阿基米德無窮小量的線性規(guī)劃最優(yōu)值=(1,1…1)∈Rm,Rm為m維實(shí)數(shù)矩陣;=(1,1…1)∈Rs,Rs為s維實(shí)數(shù)矩陣;S-,S+分別為輸入、輸出偏差變量;θ為綜合有效系數(shù)。

此模型的綜合有效系數(shù)θ=1,則該評(píng)價(jià)對(duì)象為弱DEA有效;若在上述條件下,它的每個(gè)最優(yōu)解λ=(λ1,λ2,…λn)T,S+,S-均有S+=0,S-=0,則此評(píng)價(jià)對(duì)象為DEA有效,即為該評(píng)價(jià)對(duì)象最優(yōu)。

3.2 基于DEA方法的縱斷面方案比選

本次共選取6項(xiàng)指標(biāo)作為輸入、輸出指標(biāo),其中輸出指標(biāo)為:規(guī)范符合度、與構(gòu)筑物及被交道路的銜接度、線形美觀性;輸入指標(biāo)為:燃油消耗率、事故率、填方率。共有6個(gè)被評(píng)價(jià)方案,用xij表示第j個(gè)方案的輸入指標(biāo)值,yrj表示第j個(gè)方案的第r個(gè)輸出指標(biāo)值(j=1,2,…,6;r=1,2,3)。對(duì)輸入指標(biāo)引入非負(fù)偏差變量≥0,3種輸出指標(biāo)引入非負(fù)偏差變量,且均不小于0,記S-=()T,S+=(,)T,確定第j個(gè)方案的評(píng)價(jià)指數(shù)。其具體數(shù)據(jù)見表2及表3,表中θ為綜合有效系數(shù);為輸入指標(biāo)的非負(fù)偏差變量,、、分別為3個(gè)輸出指標(biāo)的非負(fù)偏差變量。

方案1 17 4 90 80 50 85方案2 25 7 72 75 100 82方案3 36 7 65 80 100 93方案4 43 10 68 65 100 65方案5 18 5 41 70 100 95方案6 17 7 55 70 90 65

表3 計(jì)算結(jié)果

由表2計(jì)算分析可得以下結(jié)論。

(1)θ=1,且======0的評(píng)價(jià)單元為方案5,根據(jù)DEA理論,本方案為縱斷面最佳方案。

(2)θ=1,且=====≠0的評(píng)價(jià)單元為方案1和方案6,即為DEA弱有效的方案。

(3)其余的評(píng)價(jià)單元θ<1,即這些方案非DEA有效。

基于以上結(jié)果及分析,由DEA評(píng)價(jià)而得到的最優(yōu)方案為方案5,這與按照經(jīng)驗(yàn)推薦的最優(yōu)方案一致,因此基于此方法而進(jìn)行的縱斷面方案定量評(píng)價(jià)是可行的。

3.3 評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢(shì)

基于DEA方法的縱斷面方案評(píng)價(jià)主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

(1)評(píng)價(jià)結(jié)果穩(wěn)定性強(qiáng),有效減少了其他評(píng)價(jià)結(jié)果易出現(xiàn)的離散性大、變異性強(qiáng)的特征。

(2)評(píng)價(jià)既不必確定各指標(biāo)的權(quán)重,也不需回歸分析輸入、輸出指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系,使得評(píng)價(jià)更具客觀性。

(3)評(píng)價(jià)方法簡單易行,便于操作,可通過excle或者matlab實(shí)現(xiàn)。

(4)本方法不僅適用于優(yōu)選一個(gè)最佳方案的情形,同樣適用于多方案按優(yōu)劣排序的情況,即若規(guī)劃結(jié)果出現(xiàn)多方案DEA有效,可僅對(duì)有效決策單元進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化再評(píng)價(jià),此時(shí)其相對(duì)差異增大,有效決策單元的優(yōu)劣明顯,從而實(shí)現(xiàn)多方案的全排序。

4 結(jié) 語

縱斷面設(shè)計(jì)及比選是一項(xiàng)多約束條件下的復(fù)雜工程,其優(yōu)劣直接影響著道路的安全性、舒適性及美觀性,需要道路設(shè)計(jì)者傾注更多的時(shí)間及精力。本文通過對(duì)上海市某項(xiàng)目的縱斷面設(shè)計(jì)方案分析及比選,系統(tǒng)研究了縱斷面設(shè)計(jì)的約束條件,為該種類型的道路縱斷面設(shè)計(jì)提供了思路及方法。與此同時(shí),通過研究評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系,提出了基于DEA方法的縱斷面方案定量評(píng)價(jià)方法。

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Study on Design and Evaluation of Vertical Section Under Multi-constraint

YU Yu-xin
(Shanghai Municipal & Traffic Design Institute,Shanghai 200030,China)

The key factors of the design of vertical section were analyzed systematically.Combined with a project,the thinking and method of vertical section design under multiconstraint were proposed;the quantitative evaluation method of vertical section based on DEA was proposed through studying on the relationship between index and method,so the problem of subjective and one-sidedness during selecting was solved.

urban road;vertical section;DEA method;evaluation index

U412.33

B

1000-033X(2013)11-0076-05

2013-03-22

譚忠華]

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