3.1 鐵路線形設計
3.1.3 路基
承載軌道的土建構造物統稱為路基，路基主要承載並分散車輛與震動所傳遞 之壓力，依其不同之設計需求，可分為有道碴及無道碴兩種型式，隨著立體化之 需求可區分為隧道、路工及高架三種型式(圖3-14、圖3-15、圖3-16)。
1.隧道
圖3-14：隧道路基 (2006，高鐵局)
VBC
VPI BVC
VBC VPI
BVC
25
2.路工
圖3-15：路工路基 (2006，高鐵局)
3.高架
圖3-16：高架路基 (2006，高鐵局)
3.1.4 超高
列車通過彎道因為慣性而產生離心力如圖3-17所示，離心力隨著列車速度增 加，外軌載重亦隨著增加，造成軌道及車輛磨耗、乘客不適，甚至導致車輛傾覆。
故將外軌提高如圖3-18所示，使列車重量與離心力之合力盡量趨近軌道中心，稱
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為超高（Cant, Superelevation）。
圖 3-17：離心力作用圖
平衡超高
如圖3-18所示，當列車重量與離心力之合力剛好經過路線中心線，則內外軌 之高程差稱為平衡超高或設計超高。
最大超高度
當車輛靜止於軌道上，逐漸增加超高，則列車重量所指之方向，亦逐漸移向 內軌內側，直到列車傾倒，當列車重力方向指向內軌，如圖3-19所示，列車處在 將要傾倒之瞬間之情形，其超高度稱為最大超高度。
超高遞減
路線於直線段不設置超高，但於曲線段需設置超高，在直線進入曲線或曲線 進入直線，需有一段超高漸變段以順接直線與曲線，稱之為超高遞減。
離心力
列車重量
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圖 3-18：超高理論
圖 3-19：最大超高度 離心力
列車重量
列車重量
28
3.2 鐵路線形設計規範 3.2.1 最小半徑
曲線半徑及速度需考量到車輛顛覆及搖晃之加速度，因而訂出超高及超高不 足量之容許值，而曲率半徑與超高及超高不足量之關係如下式所示：
R = GV2 g(C + Cd)
R:曲率半徑以公尺計 G:軌距(台鐵1067mm) g:重力加速度(9.8m S⁄ ) 2 V:列車速度(m/s) C:超高度以公厘計 Cd:超高不足量以公厘計
曲線最小半徑需綜合考量軌道型式、車輛性能及軌道安全狀況，並依超高及 超高不足量檢討訂定。台鐵路線之最小半徑如表3-7及表3-8所示。
表3-7：正線最小半徑R 限制
線別 正線（Main Track） 月台(Platform) 特甲、甲級 R≧300m R≧500m
乙級 R≧200m R≧300m
貨物列車專用線 R≧100m -
表3-8：側線最小半徑R 限制
線別 側線(Side Track) 設計值 R≧160m
限制值 R≧120m
分岔 R≧100m
3.2.2 淨空
軌道上車輛必須與上下左右固定建物保持一定之距離，以避免車輛與建物之 碰撞，此一定之距離稱之為為車輛界線尺寸如圖3-20所示。
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圖 3-20：車輛界限（單位 mm）
除了考量車輛尺寸，因車輛於軌道上運行伴隨著搖晃，將此非車輛尺寸因素 考量在內之適當距離，稱之為建築界線，如圖3-21所示。
355
700
1900
1440 1500 3000
1067
965 4100
4300 R=1850
30
圖 3-21：新建電化建築界限（單位 mm）
3.2.3 路基寬度(鐵路修建養護規則第 15 條)
台鐵路基寬度自軌道中心至路肩外緣規定如表3-9所示 305
850
1210 1515
1900 R=1800
4500 5900 R=2150
2900 1450
31
32
隧道內之路線，長度超過300公尺者，除特殊情形外，其坡度不得超過15‰，
隧道及其水溝應有3‰之最小坡度以利洩水，隧道內之凸坡，應極力避免，以利 通風。
3.2.7 曲線坡度折減率(鐵路修建養護規則第 11 條)
路線坡度變更時，應以豎曲線連接之。軌距1067公厘之鐵路應依下列半徑之 豎曲線與兩端切線相連接：
一、半徑在800公尺以下之曲線，其豎曲線半徑為4000公尺。
二、半徑在800公尺以上之曲線，其豎曲線半徑為3000公尺。
曲線坡度折減率，軌距1067公厘者為千分之600/R。
3.2.8 曲線間最短直線(鐵路修建養護規則第 8 條)
鐵路直線軌距為1067公厘軌距者，兩曲線間最短直線，應為20公尺以上，兩 同向曲線間之直線短於20公尺時，應改用複曲線。反向曲線間限於地形不能插入 20公尺以上直線時，應用曲線遞減法將兩曲線直接連接為連續緩和曲線。
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四、 建築資訊模型應用於軌道線形設計
傳統鐵路線形設計，利用試算表及電腦輔助繪圖方式，雖能達到設計要求，
但缺乏圖形交談界面，對於各種設計因素之考量或變更設計之要求，往往作業繁 瑣且費時費力。建築資訊建模簡稱BIM雖主要是應用於建築資料之產生與管理，
它利用物件導向之觀念，將各種建築資訊或元件以動態建模的方式，增加建築生 命周期內資訊管理之效率，而軌道線形資料也同樣具有與建築類似之空間屬性關 係，且軌道元件之幾何形狀、尺寸及位置間之連動關係甚至比建築元件更緊密。
BIM將設計分解成各式之物件，藉由將物件參數化並定義物件與物件間之關 係使物件具有智慧，因此當一個關聯的物件變更，與其關聯的參數化物件將依據 其內嵌的規則重建，例如，當建物的牆移動，與其關聯的窗、門及門把亦自動隨 之移動位置，而與其關聯之牆、樑亦隨牆之移動而伸縮，並自動計算材料用量之 變更。而軌道線形設計輔助決策系統，除了應用建築資訊模型之智慧型元件，還 需整合電腦輔助設計之相關應用。
4.1 電腦輔助設計發展歷程 4.1.1 電腦輔助計算
最早的計算工具應該是2000年中國人發展的算盤，但路線設計的計算並非簡 單的四則運算所能因應，故早期對於鐵路路線設計之運算需求，皆應用查表配合 內差之方式，隨著計算機之發展三角函數之計算更為便利，慢慢計算機取代查表 之應用，但計算機之發展僅提升了計算的能力，對於路線設計之大量計算仍依賴 有經驗的工程師執行，隨著後來電腦的發展，程式語言對於反覆性或固定流程之 運算提供更簡便的方式，不只提升了計算能力更加速了計算的工作，近年各種試 算表之應用，讓使用者在不會使用程式語言的情形下，也能很便利應用電腦輔助 於各種之計算工作。路線設計的計算之演進如圖4-1所示。
圖 4-1：路線設計計算方法之演進圖
4.1.2 電腦輔助繪圖
早期的圖說以手繪為主，不論草圖或施工圖，這些手繪圖以二維的平面加上
查表 計算機 程式語言 試算表
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一些圖例，盡可能具體表現出立體空間之資訊，由於圖例之應用，往往需配合專 業之工程師之判讀，隨著後來藍晒機器之應用，工程圖說才能大量複製應用，隨 著電腦的發展，電腦繪圖已逐漸完全取代手繪圖及藍晒圖之應用，早期之電腦繪 圖只是將人工繪圖數位化，其表現方式仍以2D為主，隨著電腦及軟體之演進，各 種3D繪圖應用正快速的發展。電腦輔助繪圖之演進如圖4-2所示
圖 4-2：電腦輔助繪圖之演進圖
電腦輔助繪圖之優點
手工繪圖是一門藝術，需要經過長期的專業訓練，並且有無法重複利用及不 易修改之缺點，由於電腦的普及與電腦繪圖軟體之發展，選擇以電腦製圖軟體來 取代傳統的手工製圖，已經是必然的趨勢，然而使用電腦輔助繪圖有何優點，歸 納如下：
1.簡化繪圖設備，增加工作效率
傳統手工繪圖必須準備各種製圖工具及較大之繪圖空間，如筆、尺、紙張、
繪圖桌等，由於需準備工具較為繁雜，將會降低繪圖之工作效率，配置不妥易使 工作中斷；而使用電腦輔助製圖只須一部個人電腦及安裝適當之電腦輔助繪圖軟 體，即能開始進行繪圖，電腦繪圖可藉由於螢幕上縮放紙張大小，大量減少繪圖 所需之空間，並藉由電腦之設定，變化各種繪圖線形及顏色，取代傳統針筆之不 便，提高繪圖之效率。
2.提升繪圖之修改能力，增加圖資之再利用率
傳統手工繪圖有著修改不易之缺點，對於較大範圍之修改，傳統手工繪圖只 能重繪；電腦輔助繪圖是利用數位之方式將圖資暫存於磁碟中，對於出圖前之任 何形式之修改將很容易進行，且可利用繪圖軟體之各種複製、旋轉、平移、陣列 等編輯功能，重複使用先前已完成之圖資，大幅增加圖資之再利用率。
3.高精度之幾何圖形
手繪 藍晒 電腦繪圖 3D繪圖
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傳統手工繪圖受限於比例尺、圖紙伸縮及製圖工作之限制，無法提供精確的 幾何資訊，雖能以屬性之方式附註尺寸數據，但仍是不便利；電腦輔助繪圖以數 位方式儲存幾何資訊，並能依製圖之需求提供高精度之資訊，且其正確性不隨著 繪圖之時間而損失，屬於高精度之幾何圖形。
4.更為便利之資料保存與管理
傳統手工繪圖以紙圖為大宗，其保存及管理上需要較大空間，且為避免受潮 或受損，需有除濕及防蟲之設施，其保存及管理，不僅大費周章且成效不佳；反 觀電腦輔助繪圖利用數位式電子資料存檔，其儲存空間小，利用索引分門分類管 理亦方便，大大改善了傳統紙圖之保存及管理方法。
5.強化視覺效果
傳統手工繪圖利用繪製不同角度之視圖，藉以表現立體之資訊，對於資訊之 表現仍以2D為主3D為輔；由於電腦繪圖本身即同時具備2D及3D製圖功能，使用者 除了可從中擇一使用外，更可搭配其它視覺模擬軟體，依實際需求轉換外觀實體 彩現或動態模擬展現，以便了解設計成果與實體環境所展現之整體效果。
6.更為美觀圖形輸出
傳統手工繪圖因每個人的技術不同，每張之成果圖皆會有些微之差異，電腦 繪圖可利用繪圖機輸出，對於定義相同之圖元，不論尺寸及顏色皆能精確的輸出，
有助於圖形之美觀。
7.節省大量成本
電腦輔助繪圖除了改善製圖之程序、方法並增加其效率，並提高圖資再利用 之比率，且有助於圖檔之保存及管理，其效益除了於製圖品質之提升，並直接大 幅度降低了製圖成本。
8.資料交換容易
傳統紙圖除了有保存不易之問題外，因其體積及重量較大有運輸不易的缺點，
電腦繪圖其成果以數位方式儲存，隨著電腦網路之發達，使的圖檔資料之交換非
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常容易，相對於傳統繪圖，在資料交換上電腦繪圖有相對優勢。
4.1.3 決策輔助
隨著後續資訊交換標準之發展，STEP、IFC及CIS/2三種資訊交換標準皆採用 物件導向觀念，使設計元件不再是單純的幾何圖形，每個設計元件皆視為一個物 件，並藉由參數化的方式，使物件之設計標準及規範能內建於物件中達到輔助決
隨著後續資訊交換標準之發展，STEP、IFC及CIS/2三種資訊交換標準皆採用 物件導向觀念，使設計元件不再是單純的幾何圖形，每個設計元件皆視為一個物 件，並藉由參數化的方式，使物件之設計標準及規範能內建於物件中達到輔助決