公路美学与高速公路设计
1. 前言
二战以后，美国修筑了大量的高速公路，并在美国高速公路的设计中采用了公路美学的设计方法，这里也汇集了最早修筑高速公路的国家─ 德国的筑路经验。以后，日本在修筑高速公路的初期，曾聘请美国及德国的专家对日本的高速公路设计，专门在公路美学方面给与咨询。在1962年，美国在“Highway Research Board”上发表了“高速公路设计的美学标准”一文(以下简称“美学标准”)。该文比较详细的阐明了高速公路设计与传统公路设计之间的不同，及一些在高速公路设计方面的新观点及新要求。该文曾由本文作者于1977年完成翻译，由原交通部公路规划设计院道路室校核，并作为单位内部资料印出。文中的一些观点及要求，随后在修订规范时已编入我国现行“公路路线设计规范”。但是，对“美学标准”中的有些观点，目前还有一些不同看法，需要进一步做些探讨与研究。探讨这些问题，对今后高速公路设计工作的提高是很有实际意义的。例如：关于直线与曲线的运用，对线形设计的要求及平、纵面配合，平、竖曲线一一对应等，都是在高速公路设计中经常会碰到的问题。为便于讨论这些问题，以下拟先介绍“美学标准”的一些观点及方法，然后再结合实践的结果加以探讨。
2. “美学标准”提出的高速公路路线设计原理及方法
2.1 直线与曲线的运用
2.1.1 直线
在平原地区或受人工设施限制的地区(如路线通过方格式的街道区)的路线，采用直线是适宜的。直线比较容易设计，而且也有明确的方向，但是在美学方面是不太使人感兴趣的。直线比较单调，也容易使驾驶员感到疲劳，因为在驾驶员的视野里景物是固定不变的。同时，直线也容易造成超车。因为驾驶员总想尽快驶过直线路段。因此，在连续线形设计中，要尽量减少直线。
2.1.2 圆曲线
汽车在圆曲线上行驶时，驾驶员所看到的景物就像一幅可变的风景画，驾驶员可以看到路侧很多事物，从而可以看清路线方向。圆曲线能引起驾驶员的注意力，并把好方向盘。同时，曲线两侧的景物能给驾驶员提供一个很好的视线诱导。当转角已定，在设平曲线时，设大半径曲线比设小半径曲线更能缩短里程，而且比较顺畅。圆曲线要尽量长一些，平顺一些，采用半径可以大到使曲线与直线没有多少差别。例如，在巴尔的摩─华盛顿风景区干道上，实际采用的曲线半径达到80000ft(约合24000m)。
2.2 缓和曲线
从视觉要求出发，从曲率为零的直线，到定曲率的圆曲线之间，需要有一个曲率逐渐变化的过度曲线，这就是缓和曲线。设置缓和曲线，可以使直线及圆曲线形成一条连续线形。
缓和曲线的长度不能按超高缓和段所需的长度来定，也不能按2秒的行车时间来定，按这两种方法确定的缓和曲线长度，从视觉的重要性来看，仍然是不够的。在康涅狄格州高速公路上系统观测的结果表明，小于1000ft(305m)长的缓和曲线，被认为是太短了，会使道路路形现出很不自然的扭曲。德国规范规定，高速公路缓和曲线的绝对最小长度为300m。
2.3 连续线形
2.3.1 平面连续线形
公路线形的连续性及路线线形的造型是一个很重要的问题。因为高速公路的路形在驾驶员的视野里占有很重要的位置。在高速公路设计中，通过透视图查看路基外形的连续性，已成为美学设计的重要组成部份。路基外形要包括平面、纵面及其直线与曲线。
美国曾广泛采用长直线，短曲线的线形，先根据已确定的控制点定出直线，然后再用圆弧把它们连起来。最典型的是这种线形：包含有1～3mile长，甚至更长的直线段，再用约1500ft长(约合450m)，半径为2000～12000ft(约合700～3600m)的圆曲线把直线段连接起来。从连续的意义来说，这属于一种不连续的线形。因为，对全线每一个曲线与每一条直线，都可以很清楚的辨别出来。在这种线形中的曲线长度往往占不到路线总长的1/5。
对于连续线形的设计，要以平、且缓的圆曲线作为线形的基本组成部份，而不是以直线为主要部份。如加登州风景区一条干道的线形，其中有1/3～1/4为直线路段，而具代表性的曲线半径为15000ft(约合4500m)。这种线形在透视图中看不出有直线段，而更像是由一连串的复曲线组成的连续曲线。
“美学标准”还提出要改进以前采用的定线方法。新的定线方法是先根据地形、地物及其它控制点定出圆曲线，并尽量采用大的半径，然后选用适当的缓和曲线把它们连接起来。除了城市或其它特殊情况外，应按此方法进行设计。并应尽量减少直线。如果达到“自由曲线尺”线形所要求的短直线，且缓和曲线长度达到推荐长度，这样就没有余地可供设置直线，而必然形成一条连续曲线线形。由长而平缓的圆曲线、单曲线或复曲线所组成，并用足够长的缓和曲线加以连接，使圆曲线占到路线总长的2/3，缓和曲线占到1/3，这样的线形即可称作一条在造型和均衡方面都达到理想的连续线形。
2.3.2 纵面连续线形
纵面连续线形的重要性并不次于平面线形的连续性，采用短的竖曲线长度，则会显现出道路纵坡在变坡点处的突变和视线的不连续。按长直线、短曲线的原则设计的高速公路，在纵面上也往往会成为长直线、短曲线的纵面线形。竖曲线采用比较多的最小半径，也会破坏线形的连续性。
在纵断面上减少直线，则可以得到纵面的连续线形。在丘岭区，按以前的方法设计的线形，竖曲线长度一般只占到25％左右。但是，在同样条件下，也可将竖曲线长度提高到连续线形所要求的50％以上。这个方法对于凹形竖曲线及坡差较小的竖曲线特别重要。因为，对短的竖曲线做透视图，路线会显得很短，坡度变化也很突然。
2.4 平纵面配合
如果纵面要素能很好配合平面，纵面线形的连续，即可导至三度空间线形的连续。平、竖曲线的长度应该是互相关联的，但它们的起点不应当重合，平、竖曲线在某一点上同时发生变化，则会扰乱驾驶员的视线。因为，在这个点上的任何不规则变化，在透视图上都会显得很突出，甚至会加大其影响。一般都希望平曲线比竖曲线稍微长一些，但不要长得太多，平曲线要包住竖曲线。这样的重叠能诱导驾驶员的视线，并有利于行车安全。平、竖曲线配合得最好的是平、竖曲线的顶点互相重合，形成一条富有立体感，由凹、凸螺旋形组成的S形曲线。
理想的线形(通过视觉进行研究)，应该是有连续造型的立体曲线，而不是平、纵面线形的随意重叠。行车道的每一个弯曲都应该从三个面进行综合研究。在丘岭区，对波浪式线形的补救方法是引入平曲线，避免在驾驶员的视野里看到一个接一个断续凸形竖曲线的顶部。实际上，设置曲线就会使驾驶员的视野不断发生变化，引导驾驶员把注意力集中到车辆运行上，增加驾驶员在行车时的注意力和予见性。这是美学欣赏不可缺少的。
“美学标准”要求路线设计除了要满足高速公路内部平、纵面的协调外，还要满足高速公路与外部环境的协调，即对公路两侧的景物及与整个视野的配合，从而可以设计出一条完美的高速公路。高速公路应具有持久美观的外形，并成为一道风景或城市景色的组成部份。路基断面一定要连续，边坡坡率要尽量缓和。在德国的规范中规定挖方设计不再采用固定的边坡坡率，而是采用挖方边坡的长度(从坡顶到坡脚的长度)保持不变的方法。因此，挖方边坡的坡率是变化的，挖方两头矮边坡处的坡率逐渐变缓，很自然的与地面相衔接。
如果沿线缺少景物和建筑物等，则驾驶员会感到枯燥，路线设计可以考虑尽量把海洋、湖泊、山谷、城市景色、桥梁、工业及民用建筑物等悦目的景物置于驾驶员前方的锥形视野范围之内。另外，路侧修筑的一些人工建筑物及艺术雕塑等，也可能会使一些好的艺术与高速公路修建艺术之间结合的更完美。
2.5 公路美学设计实践
以上简述了“美学标准”对高速公路美学设计方面的有关原理和方法。经过多年来高速公路设计实践，我们对高速公路设计已经积累了一定的经验，也取得了不少成果。但是，在具体设计中还有些牵涉到美学方面的问题还需要进一步明确。例如，平面线形能否采用直线?采用多长的直线比较合适?每个平、竖曲线的顶点是否都要一一对应?连续线形是否要以曲线为主?或以直线为主?等。这些问题都要用公路美学的一些原理，并结合实践结果来加以探讨。
2.5.1 直线
“美学标准”提出，理想的连续线形是由长而平缓的圆曲线及有足够长度的缓和曲线加以连接而组成。连续线形要尽量减少直线。同时也提到直线线形的不足之处，如：在直线上行车，驾驶员容易疲劳，也容易形成超车，直线不够美观等。但是，在平原区及西部高原地区，在地形比较平坦而居民点及控制点又不多的情况下，一般认为，仍然可以设置一部份直线。有时会碰到这种情况，想在这里设一个曲线，可是也找不到适当的理由。在这种情况下，尽管直线在美学方面不太理想，驾驶员也容易感到疲劳，但是，直线段可以减少路线长度，节省投资。采用直线，比增加许多造价，特意做出一条曲线来，可能比较更有实际意义。例如，有一条平原区高速公路，在纸上定线时，主要采用了比较长的平缓曲线，并在曲线之间设置了直线段。从组合线形的情况来看，整个线形仍然比较直捷、顺畅，设计里程则减少了两公里多。按工可的单价计算，可以节约投资约两个亿，效果还是比较好的。
对于直线的长度，可以先做一些调查工作，然后再加以确定。我们也曾征求过一些驾驶员的意见，他们认为在高速公路上跑lO公里的直线段，一般不会打磕睡或感到烦燥。要跑到20～30km或以上的直线段，才会产生有些单调的感觉。在弯道上跑车，一般注意力比较集中，总是在注意要把好方向盘。总之，我国地形、地物及人口分布等方面的变化都比较大。从而，公路设计也需要灵活多样，才能适应各种不同的情况。所以，需要给设计人员多留一些选择的机会。另外，我们通过计算也可以形成一个大致的概念。例如，对于120km/h车速的高速公路，假设5min走10km，则对于10km长的直线段，行车时间则只有5min。一般讲，5min的行车时间对驾驶员的“疲劳”感是不会产生很大影响的。同时，在西部高、平原地区，甚至还可能需要设置更长一些的直线。
2.5.2 圆曲线
“美学标准”对圆曲线设计的基本原理，以及先定曲线、后定直线的设计方法是比较先进的。“美学标准”要求平曲线半经要尽量设大一些，曲线要平顺一些，转角也不宜太大。这些要求与我们目前的做法基本上都是一致的。关于先定曲线、后定直线的方法，在很多情况下都比较适用。当路线要通过许多散布的控制点时，是采用直线通过?还是采用曲线通过?按照以前的做法，一般都会先以直线通过。“美学标准”则建议先采用圆曲线通过。由于圆曲线可以采用各种不同的半径，所以就比直线有更多的机会绕过较多的控制点。特别是对于山坡线，或路线经过低山及丘岭地形，曲线则比较更能适应弧形的山坡及丘岭岗坡。
关于圆曲线的最大半径，“美学标准”认为，可以大到与直线分不出差别。也就是说，再大的半径都可以用。但是，因为再大的半径已经跟直线的行车效果差不多了，所以可以不必再设曲线了，而不是说半径大了就会有甚么缺点。“美学标准”提出曾经使用过的最大半径为80000ft，约合24000m。这个数字在有些平原地区，为避免采用过长的长直线，有时可能会用到这种大半径。所以，对于圆曲线的半径是可以不必加以限制的。
2.5.3 缓和曲线
“美学标准”要求，在圆曲线与直线之间，为使二者的曲率有一个渐变的过程，都要插入一段缓和曲线。缓和曲线的最小长度为300m。目前的设计基本上都是按这个要求进行设计的。
2.5.4 平面连续线形
“美学标准”对平面连续线形的要求已如上述。这些原理对设计连续线形是需要的。但是，在我国有些地方是比较适合设直线段的，如前述，在曲线之间经常需要插入直线段。在增加造价不多，或在不影响造价的情况下，我们在高速公路设计中也都注意到“尽量减少直线”的设计原理。对于大半径、长曲线的顺畅线形，直线段也可以长一些，对于半径不大、曲线也比较短的线形，则仍不宜设置过长的直线。从而，在线形中即使设了直线段，整体线形还是比较美观的。总之，对于连续线形的设计，除了要考虑公路美学以外，还要考虑各地不同的自然条件，同时还要考虑工程经济等问题。
2.5.5 纵面连续线形
由于高速公路的纵坡坡差都不是很大，一般高速公路设计基本上都能附合“美学标准”提出的要求。
“美学标准”还提出要加长凹形竖曲线的长度，特别是对于坡差较大或在开始上山起坡的地方，这里的凹形竖曲线半径要加大，曲线长度要增加。在这里加大竖曲线半径，不仅是美学方面的要求，也是为了驾驶员能提前看清前方的纵坡情况.避免误判、防止发生行车事故的需要。在纵坡设计中，有时愿意使用比最小半径略大一些的凹形竖曲线半径。但是，在透视图中，小的凹形竖曲线半径会使路形变化过于突然。在有些地方往往要设置数倍于最小半径的凹形竖曲线。
2.5.6 平、纵面线形的配合
平、纵面线形的配合在高速公路的设计中一般都是比较重视的。例如，关于凸形竖曲线的顶部及凹形竖曲线的底部不得设置小半径平曲线，也不得设在平曲线的拐点处。在直线路段设竖曲线，应避免形成暗凹.瘤及波浪坡，致使驾驶员的视线中断等，均已列入一些国家的规范或手册。
对于“美学标准”要求的平、竖曲线一一对应，平曲线要包住竖曲线的要求，在实践过程中，有些地方是可以做到的。例如，在垭口处的拉槽路段设成平曲线，并与凸形竖曲线重合，使平曲线包住竖曲线，这一般都是很实用的，解决了竖曲线顶部的视线诱导问题，有利于安全行车。但是要求每个弯道都要这样做，有时由于地形变化比较大，做起来难度也比较大。另外，据统计，在高速公路设计中，有时在一个平曲线内往往会设有2～3个竖曲线。在这种情况下，要求平、竖曲线一一对应则更不容易。因此，对于这一项要求还是要从当地具体条件出发，能做到的可以尽量做，但不一定要有硬行规定。
对于平、纵面线形的连续性及线形是否符合美学要求等问题，还可以通过作透视图的方法加以检验。在透视图上，路线走势比较顺畅，在透视图中看不出线形的突变及视线中断，或引起驾驶员的不良感觉等，则驾驶员在行车时，也会达到快速、安全的效果。
2.6 结语
2.6.1 对于“美学标准”提出的高速公路设计一般原理与方法，实践证明，运用这些原理与方法，可以显著改进公路设计的面貌。同时，这些原理与方法也已写进了许多国家的设计规范。
2.6.2 高速公路的线形设计仍然首先要从当地的地形及工程地质条件等方面入手，当工程与美学要求一致，或差别不大时，则两种要求均可同时满足；当需要增加许多投资来达到美学要求时，则应仍以工程为主，同时也要尽量满足美学方面的要求。