第34讲道路路线计算机辅助设计

1、第34讲道路路线计算机辅助设计l 一、一、CAD技术简介技术简介 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）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。来工程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

2、的概念，四十年来，的概念，四十年来，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软硬件软硬件系统得到广泛的应用。系统得到广泛的应用。第十二章第十二章 道路路线计算机辅助设计道路路线计算机辅助设计 第一节第一节 概概 述述 CAD系统的组成系统的组成: 软件系统软件系统n 硬件系统硬件系统n （1）CAD软件系统组成：软件系统组成：n 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

3、。的应用软件包。n 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、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。旋转、对称删除和修改）；以及分析和模拟等。n 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、最终成果等。成果等。 n（2）CAD硬件系统组成：硬件系统组成：n 硬件系统的基本配置是由计算机、显示器、打印机及绘图机四大硬件系统

4、的基本配置是由计算机、显示器、打印机及绘图机四大件组成。件组成。n （一）国外道路（一）国外道路CAD的发展概况的发展概况n 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。面设计计算、路面结构分析计算等。n 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。方面的研究与软件研制工作。 n 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在纵断面优化设计技术的基础上，许多国家对一定

5、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。 n 随着计算机绘图技术的发展，从随着计算机绘图技术的发展，从70年代未开始，在道路工程设年代未开始，在道路工程设计中引入了计算机辅助设计（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）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。和设计计算，直接提供设计图表。 二、国内外道路二、国内外道路CAD的现状与发展的现状与发展n 目前，许多国家建立了由航测设备、计算机和专用软件包形成的目前，许多国家建立了由航测设备、计算机和专用软件包形成的组合系统，可以完成从数据采集、建

6、立数学地形模型（组合系统，可以完成从数据采集、建立数学地形模型（DTM）、）、线形优化和道路平、纵、横设计的计算机辅助设计的全过程，从而线形优化和道路平、纵、横设计的计算机辅助设计的全过程，从而大大提高了道路工程设计的速度和质量。大大提高了道路工程设计的速度和质量。 （二）我国道路（二）我国道路CAD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与年代中后期，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。开发道路设计计算与优化程序，并取得了初步成果。 n 202X年，交通部公路规划设计、东南大学、西安

7、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公路综合优化及计算机辅助设计系统 。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，应用十分广辅助设计系统开发已非常普及，应用十分广泛。泛。第二节第二节 数字地形模型简介数字地形模型简介 n 一、数字地形模型及其道路设计中的应用一、数字地形模型及其道路设计中的应用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）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学模型表达地形特

8、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地形点三维坐标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。利用数字地形模型进行路线方案比选，只需输入少缺少的工具。利用数字地形模型进行路线方案比选，只需输入少量的设计参数，计算机按照编好的程序，自动完成设计和分析比量的设计参数，计算机按照编好的程序，自动完成设计和分析比较工作，输出全部成果。较工作，输出全部成果。 二、数字地形模型的种类二、数字地形模型的种类n 1离散型数字地形模型离散型数字地形模型n 离散型数字地形模型，简称散点数模

9、。是由随机分布的离散地形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、横断面地面线资料。计所需要的纵、横断面地面线资料。n 道路设计中常用二次多项式曲面作为拟合曲面，计算公式为：道路设计中常用二次多项式曲面作为拟合曲面，计算公式为：n Z=ax2+bxy+cy2+dx+ey+fn 2. 格网式数字地形模型格网式数字地形模型 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

10、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模。的数模。 l它是用许多平面三角形逼近地形表面，即将地表面看成是由许多它是用许多平面三角形逼近地形表面，即将地表面看成是由许多小三角形干面所组成的折面覆盖起来的，读取并储存三角形顶点小三角形干面所组成的折面覆盖起来的，读取并储存三角形顶点的三维坐标，即构成三角网数字地形模型的三维坐标，即构成三角网数字地形模型 。3三角网式数字地形模型三角网式数字地形模型 4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

11、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。 随意鱼骨式数字地形模型随意鱼骨式数字地形模型三、数字地形模型的数据采集三、数字地形模型的数据采集n 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。地形模型的基础工作。n 1由数字化仪从已有地形图上采集由数字化仪从已有地形图上采集n 由数字化仪沿等高线获取地形点坐标，该条等高线的高程值则由人工读取。由数字化仪沿等高线获取地形点坐标，该条等高线的高程值则由人工读取。n 2由航

12、测仪器从航空照片上获取由航测仪器从航空照片上获取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。n 3用电子经纬仪、全站式速测仪等仪器由人工野外实测获取。用电子经纬仪、全站式速测仪等仪器由人工野外实测获取。第三节第三节 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 自动在数字地形模型支持下，借助数学方法，由计算机初定路线平面位置，自动在数字地形模型支持下，借助数学方法，由计算机初定路线平面位置，进行优化设计，根据计算机选择的最优方案和数模提供的地形资料，完

13、成整进行优化设计，根据计算机选择的最优方案和数模提供的地形资料，完成整个路线设计工作。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，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（如内业计算和有关图表的绘制等）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） 。 l 路线方案确定以后

14、，设计者根据实际地形条件在实地或纸上确定路线方案确定以后，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。路线平面线形，将平面设计资料输入计算机进行处理。l输入数据：交点坐标（或交点桩号及转角）；输入数据：交点坐标（或交点桩号及转角）；l 平曲线半径；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：路线里程；计算内容：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。一、路线平面设计一、路线平面设计 一、路线平面设计一、路线平面设计 n1纵断面地面高程的获取纵断

15、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）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。线上任一点的高程值，从而获得纵断面地面线。 n 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。 n设计步骤：设计步骤：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）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。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）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。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）计算机自动提取