wA道路路线计算机辅助设计

1、ncad技术与道路技术与道路cad系统系统n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道路路线计算机辅助设计道路路线计算机辅助设计 教学内容教学内容: （第（第3636讲）讲） l1. cad系统软件系统的基本构成有哪些？系统软件系统的基本构成有哪些？l2. 计算机辅助进行路线平纵横设计的基本原理是什么？计算机辅助进行路线平纵横设计的基本原理是什么？l3. 数字地形模型在道路选线中的如何合理应用？数字地形模型在道路选线中的如何合理应用？重点解决的问题重点解决的问题: 13.1.1 cad 13.1.1 cad基本概

2、念基本概念l计算机辅助设计（计算机辅助设计（computer aided design，简称，简称cad）是近年来工程）是近年来工程技术领域中发展最迅速、最引人注目的高技术之一。技术领域中发展最迅速、最引人注目的高技术之一。l 它将计算机迅速、准确地处理信息的特点与人类的创造思维能力及它将计算机迅速、准确地处理信息的特点与人类的创造思维能力及推理判断能力巧妙地结合起来，为现代设计提供了理想的手段。推理判断能力巧妙地结合起来，为现代设计提供了理想的手段。l 1963年，美国麻省理工学院（年，美国麻省理工学院（mit）首次建立）首次建立cad的概念，四十年的概念，四十年来，随着计算机技术和微电子学

3、的发展，价格低廉，性能优良的来，随着计算机技术和微电子学的发展，价格低廉，性能优良的cad软硬件系统得到广泛的应用。软硬件系统得到广泛的应用。第第1313章章 道路路线计算机辅助设计道路路线计算机辅助设计 13.1 cad13.1 cad技术与道路技术与道路cadcad系统系统 13.1.2 13.1.2 道路道路cadcad系统组成及目标系统组成及目标 cad cad系统的组成系统的组成: : 软件系统软件系统 硬件系统硬件系统1. cad1. cad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，以及在设计中占有很大比包括通用的数学函数和计算程序，以及在设

4、计中占有很大比例的常规设计、优化设计等，即例的常规设计、优化设计等，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；绘制各种函数曲线；绘制包括几何构型；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（即图形进行平移、旋转、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。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、最终成包括设计原始资料、设计标准与规范数据、中间结果、最终成果等。果等。 2. cad2. ca

5、d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。 13.1.2 13.1.2 道路道路cadcad系统组成及目标系统组成及目标3. 3. 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、 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、小桥涵、路线交叉道路工程结构设计及计算：路基、路面、小桥涵、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

6、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。 l （1）计算机最初用于道路设计主要是完成繁重的计算任务）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、路面结构分析计算等。如路线平面、纵断面设计计算、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，随着研究的深入，西方国家相继进行了纵断面优化方年代开始，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。面的研究与软件研制工作。 l（3）道路平面线形和空间立体）道路平面线形和空间立体线形的优化：线形的优化： 在纵断面优化设计技术的基础上，许多国家对

7、一定宽度范围内的道路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：）系统的引入： 从从70年代未开始，在道路工程设计中引入了计算机辅助设计（年代未开始，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，直接提供设计图表。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。l（5）数字地面模型应用与内外业一体化设计数字地面模型应用与内外业一体化设计13.1.3 13.1.3 实用道路实用道路ca

8、dcad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，互通式软件。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，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，排水设计，建筑景观造型设计等；造型设计等； u 美国美国intergraph公司

9、的公司的inroads软件。软件。交通规划和设计的全过程实现了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工程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场地设计的计算机软件

10、。2. 2. 国外道路国外道路cadcad的发展概况的发展概况 13.1.3 13.1.3 实用道路实用道路cadcad系统简述系统简述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门开始研制年代中后期，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，并取得了初步成果。与开发道路设计计算与优化程序，并取得了初步成果。 n 1986年，交通部公路规划设计、东南大学、西安公路交通大学等开发完年，交通部公路规划设计、东南大学、西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成高等级

11、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，功能的快速提年代以来，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高，使得在微机平台上开发的道路cad软件占有一定的优势。软件占有一定的优势。 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，应用十分广泛。辅助设计系统开发已非常普及，应用十分广泛。13.1.3 13.1.3 实用道路实用道路cadcad系统简述系统简述同济大学道路计算机辅助设计同济大学道路计算机辅助设计tjbd软件系统软件系统 东南大学道路东南大学道路cad软件（立体交叉设计）软件（立体

12、交叉设计）交通部第二公路勘察设计院开发的微机公路路线设计交通部第二公路勘察设计院开发的微机公路路线设计中交西安第一勘测设计研究院中交西安第一勘测设计研究院纬地道路辅助设计系统纬地道路辅助设计系统hintcad以及各设计单位自行开发或基于以及各设计单位自行开发或基于autocad支撑软件作二次开发的各种支撑软件作二次开发的各种软件等软件等 黑龙江黑龙江工程学院工程学院道路勘测设计一体化集成系统软件开发（道路勘测设计一体化集成系统软件开发（hsdis） 省科技攻关项目省科技攻关项目gz04a124，国家专利受理，国家专利受理20081013195.94. 4. 发展前景发展前景n传统的道路路线、桥

13、梁、互通式立交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 13.1.3 13.1.3 实用道路实用道路cadcad系统简述系

14、统简述13.2 13.2 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，由初定路线平面位置，进行数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，由计算机完成整个路线设计工字地模的自动查询，获取平纵横设计数据，由计算机完成整个路线设计工作。作。 n （2）人工设计路线，输入设计数据，计算机完成计算与成图）人工设计路线，输入设计数据，计算机完成计算与成图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计算机，由计首先由设

15、计人员确定路线平面位置，将平面设计资料输入计算机，由计算机完成路线平面设计，输入平面设计方案所对应的纵、横断面资料，由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（如内业计算和有关图表的绘制等）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） 。 l 路线方案确定以后，设计者根据实际地形条件在实地或纸上确定路路线方案确定以后，设计者根据实际地形条件在实地或纸上确定路线平面线形，将平面设计资料输入计算机进行处理。线平面线形，将平面设计资料输入计算机进行处理。l输入数据：输入数据：交点坐标（或交点桩号及转角）；交点坐标（或交点桩号及转角）；l 平曲线

16、半径；平曲线半径；l 平曲线类型；平曲线类型；l 缓和曲线长度缓和曲线长度。l计算内容：计算内容：路线里程；路线里程；l 平曲线要素；平曲线要素；l 曲线上各特征点的桩号；曲线上各特征点的桩号；l 逐桩坐标。逐桩坐标。l输出结果：输出结果：编制直线、曲线转角表（编制直线、曲线转角表（excel文件）文件）l 绘制路线平面图（输出图形文件）。绘制路线平面图（输出图形文件）。13.2.1 路线平面设计路线平面设计 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

17、设计表、绘制平面设计图是否满足要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 1纵断面地面高程的获取纵断面地面高程的获取n（1）实地进行路中线水准测量）实地进行路中线水准测量n（2）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 （3）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）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。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 （1）计算机自

18、动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 （2）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）。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的坡度及坡长计算

19、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 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）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。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）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。显示

20、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）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。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。 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

21、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 13.3 13.3 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

22、路自动化设计不可缺少的工具。工具。13.3.1 13.3.1 数字地形模型的基本概念与工程应用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13.3.2 13.3.2 数字地形模型的种类数字地形模型的种类n 离散型数字地形模型，简称散点数模。是由随机分布的离散地形数据构成，离散型数字地形模型，简称散点数模。是由随机分布的离散地形数据构成，是公路设计中常用的形式之一。可通过内插产生路线设计所需要的纵、横断是公路设计中常用的形式之一。可通过内插产生路线设计所需

23、要的纵、横断面地面线资料。面地面线资料。n 离散型三角点地面模型离散型三角点地面模型1离散型数字地形模型离散型数字地形模型n格网式数字地形模型是将路中线左、右一定宽度内的地面划分成大小相等格网式数字地形模型是将路中线左、右一定宽度内的地面划分成大小相等的方格或长方格，按一定次序读取网格点的高程，输入计算机而构成的数的方格或长方格，按一定次序读取网格点的高程，输入计算机而构成的数模。模。 13.3.2 13.3.2 数字地形模型的种类数字地形模型的种类n 离散型数字地形模型，简称散点数模。是由随机分布的离散地形数据构成，离散型数字地形模型，简称散点数模。是由随机分布的离散地形数据构成，是公路设计

24、中常用的形式之一。可通过内插产生路线设计所需要的纵、横断是公路设计中常用的形式之一。可通过内插产生路线设计所需要的纵、横断面地面线资料。面地面线资料。n 离散型三角点地面模型离散型三角点地面模型1离散型数字地形模型离散型数字地形模型2. 格网式数字地形模型格网式数字地形模型 3鱼骨式数字地形模型鱼骨式数字地形模型n 鱼骨式数字地形模型是在路线方案确定以后，沿路线方向和垂直于路线鱼骨式数字地形模型是在路线方案确定以后，沿路线方向和垂直于路线方向上采集地形点而构成的数字地形模型。方向上采集地形点而构成的数字地形模型。 13.3.2 13.3.2 数字地形模型的种类数字地形模型的种类4. 随意鱼骨式

25、数字地形模型随意鱼骨式数字地形模型13.3.2 13.3.2 数字地形模型的种类数字地形模型的种类13.3.3 13.3.3 数字地形模型的数据采集数字地形模型的数据采集n 地形数据采集是指选取构造数模的数据点及量取其坐标值的过程，是建地形数据采集是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。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，利用专门的地形图矢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

26、量化软件识别等高线及高程点，形成数字地形图。量化软件识别等高线及高程点，形成数字地形图。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。13.3.4 13.3.4 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）u（1）在路线带范围内获取带状地形数据；）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（

27、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）（内业）（内业）（内业）道路勘测设计一体化集成系统运行航空摄影测量技术航空摄影测量技术常规测量技术常规测量技术地形图矢量化技术地形图矢

28、量化技术确定路线导线初步设计阶段获取导线带状地形图信息（三维坐标等）构建带状数字地面模型dtm（离（离散型三角网数模）散型三角网数模）计算中线逐桩坐标，由数模dtm自动采集纵、横断面地面高程路线平面设计：纸上定线确定路线中线（标定交点坐标）路线平面设计 （施工图设计阶段）（施工图设计阶段）实地定线实地定线实测路线中线实测路线中线沿路线实测纵、横断面地面高程横断面设计拟定路幅及路基各组成部分尺寸建立/编辑路线cad辅助设计数据库路线平纵横综合设计与输出纵断面设计人工拉坡，确定纵断面设计线道路勘测道路勘测设计一体化设计一体化集成系统集成系统流程框图流程框图路线平纵横综合设计与输出路线平纵横综合设计与输出平曲线要素及里程桩号平曲线要素及里程桩号路线逐桩坐标路线逐桩坐标路线逐桩设计高程路线逐桩设计高程路基横断面尺寸、土石路基横断面尺寸、土石方数量计算与调配方数量计算与调配公路用地数量公路用地数量直线曲线及转角表直线曲线及转角表路基设计表路基设计表路基土石方数量表路基土石方数量表每公里土石方数量表每公里土石方数量表公路用地表公路用地表逐桩坐标表逐桩坐标表路线平面图路线平面图路线纵断面图路线纵断面图路线横断面图路线横断面图路线总体布置图路线总体布置图路线平纵面缩图路线平纵面缩图路线排水系统平面图路线排水系统平面