道路桥梁工程概论 计算机在道路与桥梁工程中的应用PPT学习教案

1、会计学1道路桥梁工程概论道路桥梁工程概论 计算机在道路与桥梁计算机在道路与桥梁工程中的应用工程中的应用第一节第一节 计算机辅助设计计算机辅助设计CADCAD在道路与桥梁工程中的应用在道路与桥梁工程中的应用第1页/共42页二、二、 道路道路CADCAD系统组成及目标系统组成及目标 1. CAD1. CAD系统的组成系统的组成: : 软件系统软件系统 和硬件系统和硬件系统 （1 1） CADCAD软件系统组成：软件系统组成：n 科学计算：科学计算：包括通用的数学函数和计算程序，以及在设计中占包括通用的数学函数和计算程序，以及在设计中占有很大比例的常规设计、优化设计等，即有很大比例的常规设计、优化设

2、计等，即CAD的应用软件包。的应用软件包。n 图形系统：图形系统：包括几何构型；绘制工程设计图；绘制各种函数曲包括几何构型；绘制工程设计图；绘制各种函数曲线；绘制各种数据表格；在图形显示装置上进行图形变换（即图线；绘制各种数据表格；在图形显示装置上进行图形变换（即图形进行平移、旋转、对称删除和修改）；以及分析和模拟等。形进行平移、旋转、对称删除和修改）；以及分析和模拟等。n 数据库：数据库：包括设计原始资料、设计标准与规范数据、中间结果、包括设计原始资料、设计标准与规范数据、中间结果、最终成果等。最终成果等。 （2 2） CADCAD硬件系统组成：硬件系统组成： 硬件系统的基本配置：计算机、显

3、示器、打印机及绘图机等。硬件系统的基本配置：计算机、显示器、打印机及绘图机等。第2页/共42页二、二、 道路道路CADCAD系统组成及目标系统组成及目标2. 2. 道路道路CADCAD系统的系统目标系统的系统目标n (1)野外勘查、测量资料的处理：常规测量、野外勘查、测量资料的处理：常规测量、 n GPS观测、航测观测、航测 n(2)路线几何设计及计算路线几何设计及计算n(3)道路工程结构设计及计算：路基、路面、小桥道路工程结构设计及计算：路基、路面、小桥 n 涵、路线交叉涵、路线交叉n(4)工程概、预算编制工程概、预算编制n(5)工程设计文件的自动编制与输出。工程设计文件的自动编制与输出。

4、第3页/共42页l （1）计算机最初用于道路设计主要是完成繁）计算机最初用于道路设计主要是完成繁重的计算任务：如路线平面、纵断面设计计算、重的计算任务：如路线平面、纵断面设计计算、路面结构分析计算等。路面结构分析计算等。l（2）纵断面优化优化设计：）纵断面优化优化设计： 从从70年代开始，年代开始，随着研究的深入，西方国家相继进行了纵断面随着研究的深入，西方国家相继进行了纵断面优化方面的研究与软件研制工作。优化方面的研究与软件研制工作。 三、实用道路三、实用道路CADCAD系统简述系统简述1. 1. 道路道路CADCAD的发展历程的发展历程第4页/共42页l（3）道路平面线形和空间立体线形的优

5、化：在纵断面优）道路平面线形和空间立体线形的优化：在纵断面优化设计技术的基础上，许多国家对一定宽度范围内的道路化设计技术的基础上，许多国家对一定宽度范围内的道路平面线形和空间立体线形的优化技术进行了研究。平面线形和空间立体线形的优化技术进行了研究。 l（4）计算机辅助设计（）计算机辅助设计（CAD）系统的引入：从）系统的引入：从70年代未年代未开始，在道路工程设计中引入了计算机辅助设计（开始，在道路工程设计中引入了计算机辅助设计（CAD）系统。由计算机自动完成判别和设计计算，直接提供设计系统。由计算机自动完成判别和设计计算，直接提供设计图表。图表。l（5）数字地面模型应用与内外业一体化设计）数

6、字地面模型应用与内外业一体化设计三、实用道路三、实用道路CADCAD系统简述系统简述1. 1. 道路道路CADCAD的发展历程的发展历程第5页/共42页u 德国德国CARD1软件：软件：勘测、设计和绘图的一体化勘测、设计和绘图的一体化 ；u 英国英国MXRoad软件软件 ：MOSS软件。公路设计，平面和环型交叉，互通软件。公路设计，平面和环型交叉，互通式立交，山岭地区和沙漠地区道路设计，城市道路设计，路面改建和加宽，式立交，山岭地区和沙漠地区道路设计，城市道路设计，路面改建和加宽，公路景观设计，矿山工程，铁路、机场和港口设计，排水设计，建筑景观公路景观设计，矿山工程，铁路、机场和港口设计，排水

7、设计，建筑景观造型设计等；造型设计等； u 美国美国Intergraph公司的公司的InRoads软件。交通规划和设计的全过程实现了软件。交通规划和设计的全过程实现了自动化；自动化；u 美国的美国的Eagle Point软件软件 ：适用于道路规划和设计、测量工程、建筑景：适用于道路规划和设计、测量工程、建筑景观设计、地理信息系统和地图测绘等；观设计、地理信息系统和地图测绘等；u 挪威的挪威的NovaCAD软件软件 ：以交通地理信息系统：以交通地理信息系统TrafGIS为基础的多模块为基础的多模块集成系统集成系统 ；u 加拿大的加拿大的GWN-ROAD软件软件 ：专事研究开发运用于市政建设和土木

8、工：专事研究开发运用于市政建设和土木工程场地设计的计算机软件程场地设计的计算机软件 。2. 2. 国外道路国外道路CADCAD的发展概况的发展概况 三、实用道路三、实用道路CADCAD系统简述系统简述第6页/共42页3. 3. 我国道路我国道路CADCAD的应用概况的应用概况 n 70年代中后期，有关公路科研单位、高等院校和公路测设部年代中后期，有关公路科研单位、高等院校和公路测设部门开始研制与开发道路设计计算与优化程序，并取得了初步成门开始研制与开发道路设计计算与优化程序，并取得了初步成果。果。 n 1986年，交通部公路规划设计、东南大学、西安公路交通大年，交通部公路规划设计、东南大学、西

9、安公路交通大学等开发完成高等级公路综合优化及计算机辅助设计系统学等开发完成高等级公路综合优化及计算机辅助设计系统 。n 进入进入20世纪世纪90年代以来，计算机硬件的快速更新和降价，功年代以来，计算机硬件的快速更新和降价，功能的快速提高，使得在微机平台上开发的道路能的快速提高，使得在微机平台上开发的道路CAD软件占有一软件占有一定的优势。定的优势。 n 目前公路路线目前公路路线CAD辅助设计系统开发已非常普及，应用十分辅助设计系统开发已非常普及，应用十分广泛。广泛。三、实用道路三、实用道路CADCAD系统简述系统简述第7页/共42页4. 4. 发展前景发展前景n传统的道路路线、桥梁、互通式立交

10、等的传统的道路路线、桥梁、互通式立交等的CAD技术发展与改进技术发展与改进n道路与桥梁的三维造型和动画技术道路与桥梁的三维造型和动画技术n计算机局域网络建设与应用计算机局域网络建设与应用n数据和信息采集新技术和数据和信息采集新技术和GPS与与GIS、遥感、摄影测量等技术的应用、遥感、摄影测量等技术的应用n道路工程库和道路信息系统的建立道路工程库和道路信息系统的建立n工程项目管理系统和计算机在道路施工管理与营运等方面的应用工程项目管理系统和计算机在道路施工管理与营运等方面的应用n智能化设计技术研究智能化设计技术研究 三、实用道路三、实用道路CADCAD系统简述系统简述第8页/共42页1. 1.

11、计算机辅助进行路线平纵横设计计算机辅助进行路线平纵横设计 n （1）利用数字地形模型进行路线设计）利用数字地形模型进行路线设计n 在数字地形模型支持下，借助数学方法，由初定路线平面在数字地形模型支持下，借助数学方法，由初定路线平面位置，进行数字地模的自动查询，获取平纵横设计数据，由计位置，进行数字地模的自动查询，获取平纵横设计数据，由计算机完成整个路线设计工作。算机完成整个路线设计工作。 n （2）人工设计路线，输入设计数据，计算机完成计算与成）人工设计路线，输入设计数据，计算机完成计算与成图图n 首先由设计人员确定路线平面位置，将平面设计资料输入首先由设计人员确定路线平面位置，将平面设计资料

12、输入计算机，由计算机完成路线平面设计，输入平面设计方案所对计算机，由计算机完成路线平面设计，输入平面设计方案所对应的纵、横断面资料，由计算机完成整个路线设计（如内业计应的纵、横断面资料，由计算机完成整个路线设计（如内业计算和有关图表的绘制等）算和有关图表的绘制等） 。 四、计算机辅助设计四、计算机辅助设计CADCAD在道路与桥梁工程中的应用在道路与桥梁工程中的应用第9页/共42页输入平面设计资料输入平面设计资料路线平面设计计算处理路线平面设计计算处理输出设计成果或屏幕显示图表输出设计成果或屏幕显示图表修改设计参数修改设计参数编制平面设计表、绘制平面设计图编制平面设计表、绘制平面设计图是否满足要

13、求是否满足要求结结 束束开开 始始YesNo图图1-1 路线平面设计流程图路线平面设计流程图路线平面设计流程框图路线平面设计流程框图 第10页/共42页（1）纵断面地面高程的获取）纵断面地面高程的获取n（a）实地进行路中线水准测量）实地进行路中线水准测量n（b）纸上定线时在地形图上人工读取中桩高程）纸上定线时在地形图上人工读取中桩高程n （c）利用建立的带状数模，计算机进行数模内插，得到）利用建立的带状数模，计算机进行数模内插，得到道路中线上任一点的高程值，从而获得纵断面地面线。道路中线上任一点的高程值，从而获得纵断面地面线。 (2) 纵断面设计线的确定纵断面设计线的确定 n （a）计算机自动

14、产生道路的最优纵断面；）计算机自动产生道路的最优纵断面；n （b）设计者进行手工拉坡。）设计者进行手工拉坡。 3. 绘制纵断面图（输出图形文件）。绘制纵断面图（输出图形文件）。第11页/共42页图图1-2 路线纵面设计流程图路线纵面设计流程图输入纵断面地面线资料输入纵断面地面线资料输出纵断面地面线图或屏幕显示地面线图输出纵断面地面线图或屏幕显示地面线图逐桩计算设计高程逐桩计算设计高程输出纵断面设计成果（图表）输出纵断面设计成果（图表）是否满足要求是否满足要求结结 束束开开 始始YesNo人工设计纵坡并将设计成果资料输入计算机人工设计纵坡并将设计成果资料输入计算机计算各坡段的坡度及坡长计算各坡段

15、的坡度及坡长计算竖曲线要素及起终点桩号计算竖曲线要素及起终点桩号修改设计参数修改设计参数路线纵断面设计流程框图路线纵断面设计流程框图 第12页/共42页n设计流程：设计流程：n（1）设计者根据路线所经地区的地形、地质、水文、气候等条件，归纳可能出现的横断面形式和处理方式，确定各段的标准设计横断面型式及构造物布置型式。）设计者根据路线所经地区的地形、地质、水文、气候等条件，归纳可能出现的横断面形式和处理方式，确定各段的标准设计横断面型式及构造物布置型式。n（2）计算机自动套用标准横断面逐桩进行横断面设计，并可根据需要显示在屏幕上。设计者可在屏幕上修改不合理的设计断面。）计算机自动套用标准横断面逐

16、桩进行横断面设计，并可根据需要显示在屏幕上。设计者可在屏幕上修改不合理的设计断面。n（3）计算机自动提取已存入修改后的数据，计算土石方工程数量，并进行土石方调配。）计算机自动提取已存入修改后的数据，计算土石方工程数量，并进行土石方调配。 n（4）输出横断面设计图和有关图表。）输出横断面设计图和有关图表。 第13页/共42页开开 始始调平、纵面设计成果调平、纵面设计成果横断面设计及面积计算横断面设计及面积计算屏幕显示检查屏幕显示检查满意否满意否土石方数量计算及调配土石方数量计算及调配绘制横断面设计图绘制横断面设计图编制路基设计表、土石方表等编制路基设计表、土石方表等修改横断面修改横断面保存修改数

17、据保存修改数据输入横断面地面线输入横断面地面线输入地质资料输入地质资料定义标准横断面形式定义标准横断面形式NoYes结结 束束路线横断面设计流程框图路线横断面设计流程框图 第14页/共42页4. 4. 数字地形模型与道路选线设计自动化数字地形模型与道路选线设计自动化 n 数字地形模型（数字地形模型（DigitaI Terrain Model，简称，简称DTM）是按照某种数学）是按照某种数学模型表达地形特征的数值描述方式。它由许多规则或无规则排列的地形模型表达地形特征的数值描述方式。它由许多规则或无规则排列的地形点三维坐标点三维坐标x、y、z组成。组成。 n 数字地形模型是路线优化设计的基础，是

18、道路自动化设计不可缺少的数字地形模型是路线优化设计的基础，是道路自动化设计不可缺少的工具。工具。一、数字地形模型的基本概念与工程应用一、数字地形模型的基本概念与工程应用1. 1. 基本概念基本概念n 公路路线选线公路路线选线n 其他工程设计，如水坝等其他工程设计，如水坝等n 发展：发展：GIS2. 2. 工程应用工程应用第15页/共42页n 地形数据采集地形数据采集：指选取构造数模的数据点及量取其坐标值指选取构造数模的数据点及量取其坐标值的过程，是建立数字地形模型的基础工作。的过程，是建立数字地形模型的基础工作。n地形数据构成地形数据构成：点号、属性、点号、属性、x坐标、坐标、y坐标、地面高程

19、坐标、地面高程(1) 地形图矢量化地形图矢量化n 通过对已有地形图进行扫描，获得照片格式文件，利用专通过对已有地形图进行扫描，获得照片格式文件，利用专门的地形图矢量化软件识别等高线及高程点，形成数字地形门的地形图矢量化软件识别等高线及高程点，形成数字地形图。图。(2) 航空摄影测量技术应用航空摄影测量技术应用n 任何一种立体测图仪都可以从航空照片上进行数据采集。任何一种立体测图仪都可以从航空照片上进行数据采集。(3) 全站仪、全站仪、GPS等仪器进行人工野外实测获取。等仪器进行人工野外实测获取。3. 数字地形模型的种类数字地形模型的种类第16页/共42页u（1）在路线带范围内获取带状地形数据；

20、）在路线带范围内获取带状地形数据；u（2）计算机生成沿路线导线走向的数字地面模型）计算机生成沿路线导线走向的数字地面模型DTM；u（3）计算机自动采集路线中线的地面高程及横断面地面线的高程；计算机自动采集路线中线的地面高程及横断面地面线的高程；u（4）由设计人员提出路线设计方案（平、纵、横）；）由设计人员提出路线设计方案（平、纵、横）；u（5）计算机完成路线的平、纵、横综合设计，并以）计算机完成路线的平、纵、横综合设计，并以规范规范要求的设计要求的设计图表形式输出设计成果。图表形式输出设计成果。 技术路线技术路线（外业）（外业）（内业）（内业）（外业工作内业完成）（外业工作内业完成）（内业）（

21、内业）（内业）（内业）4.4.道路勘测设计一体化技术应用道路勘测设计一体化技术应用 （内外业一体化）（内外业一体化）第17页/共42页 一、有限元分析的基本原理一、有限元分析的基本原理 1有限元分析的概念有限元分析的概念 有限元分析：用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的

22、工程分析手段。第18页/共42页一、有限元分析的基本原理一、有限元分析的基本原理2有限元分析的历史有限元分析的历史 有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。第19页/共42页一、有限元分析的基本原理一

23、、有限元分析的基本原理3有限元分析的特点有限元分析的特点 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。第20页/共42页第21页/共42页第22页/共42页第23页/共42页第24页/共42页一、概述一、概述 2.计算机辅助施工管理软件计算机辅助施工管理软件 国内外使用最多的计算机辅助施工管理软件

24、是进度计划类软件，从使用层次上可以将其分为两大类：国内外使用最多的计算机辅助施工管理软件是进度计划类软件，从使用层次上可以将其分为两大类： 第一类是高层次管理软件第一类是高层次管理软件: : 主要适用于大型工程建设管理的各种需要； 其特点是功能强，提供了范围广泛的调度选项，能对任务进行精确的控制，具有计算机网络和通讯功能； 但一般使用复杂，需要进行专门的培训，而且价格高，应用面不广。9. 1 9. 1 概述概述第25页/共42页 第二类是一般层次的软件第二类是一般层次的软件: : 主要是为满足一般管理工作的需要，只能为工程施工的某一方服务； 其特点是使用简单，使用者一般只需要经过很短时间的培训

25、就可以在工作中使用，而且价格便宜； 缺点是功能较简单，提供的指标和功能不是很完善，能满足复杂工程建设的需要。 9. 1 9. 1 概述概述一、概述一、概述 2.计算机辅助施工管理软件计算机辅助施工管理软件 国内外使用最多的计算机辅助施工管理软件是进度计划类软件，从使用层次上可以将其分为两大类：国内外使用最多的计算机辅助施工管理软件是进度计划类软件，从使用层次上可以将其分为两大类：第26页/共42页9. 1 9. 1 概述概述一、概述一、概述 2.计算机辅助施工管理软件计算机辅助施工管理软件 第27页/共42页1. 基本功能：（1）提供施工组织设计文件的全套文档的编辑、管理、打印功能。（2）根据

26、实际工程条件，可以从模板素材库中选取相关内容，任意组合，自动生成规范合理完整的施工组织设 计文件。（3）可以与相关模板或数据库相结合，生成各种资源图 表、施工进度计划和施工网络计划图，以及施工平面图。二、二、 计算机辅助施工组织设计计算机辅助施工组织设计9. 1 9. 1 概述概述第28页/共42页9. 1 9. 1 概述概述二、二、 计算机辅助施工组织设计计算机辅助施工组织设计第29页/共42页计算机辅助生成的某施工组织设计文件的基本内容计算机辅助生成的某施工组织设计文件的基本内容。第30页/共42页第31页/共42页 根据具体工程项目的施工条件，选择合适的施工方案，通过适当的组合、删减和增

27、添，就可以迅速形成合理实用的施工组织设计文件。 施工方案测量工程土方工程基础结构工程主体结构工程屋面工程装饰工程吊装工程设备安装技术措施3. 3. 主要功能主要功能9 92 2 计算机辅助施工方案制定计算机辅助施工方案制定第32页/共42页1. 1. 基本原理基本原理 近年来，随着人工智能（AI）技术的迅速发展，为施工进度计划的自动安排创造了条件。施工进度自动安排是建筑、工程和施工（AEC）平行工程技术中非常重要的一个环节。u Morad和Beliveau(1993）提出KNOWPLAN专家系统，利 用三维计算机模型产生所需的输入数据，进行进度安排。u ZozayaGorostiza等（199

28、0）开发CONSTRUCTION PLANEX专家系统，估算项目成本，安排施工进度。 u Chang和Beliveau(1997)开发SCaxRC专家系统，对时间约和资源约束条件下的项目进度进行自动安排。9 93 3 计算机辅助施工进度计划计算机辅助施工进度计划三、计算机辅助施工进度计划三、计算机辅助施工进度计划第33页/共42页 2. 2. 基本知识系统的施工进度自动安排的基本原理基本知识系统的施工进度自动安排的基本原理 通过考虑工期定额和施工经验，对施工活动分类，建立不同施工活动之间的逻辑关系，计算不同施工活动的资源需求量和持续时间，然后进行施工总进度计划安排和子工程进度自动安排，并且可根

29、据需要，人工调整进度安排。如图9-5所示。9 93 3 计算机辅助施工进度计划计算机辅助施工进度计划三、计算机辅助施工进度计划三、计算机辅助施工进度计划第34页/共42页从CAD来用户输入工程量生成项目分解活动分类工期定额库工程经验基于知识系统进度安排人工调整资源需求量计划进度生成显示 打印工程数据三、三、计算计算机辅机辅助施助施工进工进度计度计划划第35页/共42页 3. 3. 进度计划管理软件：进度计划管理软件：从使用角度可从以下两个层次 （1 1）大型进度计划管理软件）大型进度计划管理软件 高层次进度计划管理软件中，比较好的主要有： Primavera公司的Primavera Project Planner(即P3） Welcom Software Technology公司的Open Plan Computer Aided Management公司的PARISS Enterprise Lucas Management System Inc.公司的Artemis Prestige Applied Business Technology Corp公司的Project Workbench 大型进度计划管理软件之间的区别主要在于它们的容量和使用的网络协调多个项目的能力不同。三、计算机辅助施工进度计划三、计算机辅助施工进度计划第36页/共42页 目前