第34講 道路路線計算機輔助設計12-1

1、l 一、一、CAD技術簡介技術簡介 l計算機輔助設計（計算機輔助設計（Computer Aided Design，簡稱，簡稱CAD）是是近年來工程技術領域中發(fā)展最迅速、最引人注目的高技術之近年來工程技術領域中發(fā)展最迅速、最引人注目的高技術之一。一。l 它將計算機迅速、準確地處理信息的特點與人類的創(chuàng)造思它將計算機迅速、準確地處理信息的特點與人類的創(chuàng)造思維能力及推理判斷能力巧妙地結(jié)合起來，為現(xiàn)代設計提供了維能力及推理判斷能力巧妙地結(jié)合起來，為現(xiàn)代設計提供了理想的手段。理想的手段。l 1963年，美國麻省理工學院（年，美國麻省理工學院（MIT）首次建立）首次建立CAD的概念，的概念，四十年來，隨著計

2、算機技術和微電子學的發(fā)展，價格低廉，四十年來，隨著計算機技術和微電子學的發(fā)展，價格低廉，性能優(yōu)良的性能優(yōu)良的CAD軟硬件系統(tǒng)得到廣泛的應用。軟硬件系統(tǒng)得到廣泛的應用。第十二章第十二章 道路路線計算機輔助設計道路路線計算機輔助設計 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 CAD系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成: 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)n 硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)n （1）CAD軟件系統(tǒng)組成：軟件系統(tǒng)組成：n 科學計算：科學計算：包括通用的數(shù)學函數(shù)和計算程序，以及在設計中占包括通用的數(shù)學函數(shù)和計算程序，以及在設計中占有很大比例的常規(guī)設計、優(yōu)化設計等，即有很大比例的常規(guī)設計、優(yōu)化設計等，即CAD的應用軟件包。的應用軟件包。n 圖形系統(tǒng)：圖

3、形系統(tǒng)：包括幾何構型；繪制工程設計圖；繪制各種函數(shù)曲包括幾何構型；繪制工程設計圖；繪制各種函數(shù)曲線；繪制各種數(shù)據(jù)表格；在圖形顯示裝置上進行圖形變換（即圖線；繪制各種數(shù)據(jù)表格；在圖形顯示裝置上進行圖形變換（即圖形進行平移、旋轉(zhuǎn)、對稱刪除和修改）；以及分析和模擬等。形進行平移、旋轉(zhuǎn)、對稱刪除和修改）；以及分析和模擬等。n 數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫：包括設計原始資料、設計標準與規(guī)范數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、包括設計原始資料、設計標準與規(guī)范數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終成果等。最終成果等。 n（2）CAD硬件系統(tǒng)組成：硬件系統(tǒng)組成：n 硬件系統(tǒng)的基本配置是由計算機、顯示器、打印機及繪圖機硬件系統(tǒng)的基本配置是由計算機、顯示器、打印機

4、及繪圖機四大件組成。四大件組成。n （一）國外道路（一）國外道路CAD的發(fā)展概況的發(fā)展概況n 計算機最初用于道路設計主要是完成繁重的計算任務，如路計算機最初用于道路設計主要是完成繁重的計算任務，如路線平面、縱斷面設計計算、路面結(jié)構分析計算等。線平面、縱斷面設計計算、路面結(jié)構分析計算等。n 從從70年代開始，隨著研究的深入，西方國家相繼進行了縱斷年代開始，隨著研究的深入，西方國家相繼進行了縱斷面優(yōu)化方面的研究與軟件研制工作。面優(yōu)化方面的研究與軟件研制工作。 n 在縱斷面優(yōu)化設計技術的基礎上，許多國家對一定寬度范圍在縱斷面優(yōu)化設計技術的基礎上，許多國家對一定寬度范圍內(nèi)的道路平面線形和空間立體線形的

5、優(yōu)化技術進行了研究。內(nèi)的道路平面線形和空間立體線形的優(yōu)化技術進行了研究。 n 隨著計算機繪圖技術的發(fā)展，從隨著計算機繪圖技術的發(fā)展，從70年代未開始，在道路工程年代未開始，在道路工程設計中引入了計算機輔助設計（設計中引入了計算機輔助設計（CAD）系統(tǒng)。由計算機自動完）系統(tǒng)。由計算機自動完成判別和設計計算，直接提供設計圖表。成判別和設計計算，直接提供設計圖表。 二、國內(nèi)外道路二、國內(nèi)外道路CAD的現(xiàn)狀與發(fā)展的現(xiàn)狀與發(fā)展n 目前，許多國家建立了由航測設備、計算機和專用軟件包形目前，許多國家建立了由航測設備、計算機和專用軟件包形成的組合系統(tǒng)，可以完成從數(shù)據(jù)采集、建立數(shù)學地形模型成的組合系統(tǒng)，可以完成

6、從數(shù)據(jù)采集、建立數(shù)學地形模型（DTM）、線形優(yōu)化和道路平、縱、橫設計的計算機輔助設計）、線形優(yōu)化和道路平、縱、橫設計的計算機輔助設計的全過程，從而大大提高了道路工程設計的速度和質(zhì)量。的全過程，從而大大提高了道路工程設計的速度和質(zhì)量。 （二）我國道路（二）我國道路CAD的應用概況的應用概況 n 70年代中后期，有關公路科研單位、高等院校和公路測設部年代中后期，有關公路科研單位、高等院校和公路測設部門開始研制與開發(fā)道路設計計算與優(yōu)化程序，并取得了初步成門開始研制與開發(fā)道路設計計算與優(yōu)化程序，并取得了初步成果。果。 n 1986年，交通部公路規(guī)劃設計、東南大學、西安公路交通大年，交通部公路規(guī)劃設計、

7、東南大學、西安公路交通大學等開發(fā)完成高等級公路綜合優(yōu)化及計算機輔助設計系統(tǒng)學等開發(fā)完成高等級公路綜合優(yōu)化及計算機輔助設計系統(tǒng) 。n 目前公路路線目前公路路線CAD輔助設計系統(tǒng)開發(fā)已非常普及，應用十分輔助設計系統(tǒng)開發(fā)已非常普及，應用十分廣泛。廣泛。第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)字地形模型簡介數(shù)字地形模型簡介 n 一、數(shù)字地形模型及其道路設計中的應用一、數(shù)字地形模型及其道路設計中的應用n 數(shù)字地形模型（數(shù)字地形模型（DigitaI Terrain Model，簡稱，簡稱DTM）是）是按照某種數(shù)學模型表達地形特征的數(shù)值描述方式。它由許多按照某種數(shù)學模型表達地形特征的數(shù)值描述方式。它由許多規(guī)則或無規(guī)則排列的地形點三

8、維坐標規(guī)則或無規(guī)則排列的地形點三維坐標x、y、z組成。組成。 n 數(shù)字地形模型是路線優(yōu)化設計的基礎，是道路自動化設計數(shù)字地形模型是路線優(yōu)化設計的基礎，是道路自動化設計不可缺少的工具。利用數(shù)字地形模型進行路線方案比選，只不可缺少的工具。利用數(shù)字地形模型進行路線方案比選，只需輸入少量的設計參數(shù)，計算機按照編好的程序，自動完成需輸入少量的設計參數(shù)，計算機按照編好的程序，自動完成設計和分析比較工作，輸出全部成果。設計和分析比較工作，輸出全部成果。 二、數(shù)字地形模型的種類二、數(shù)字地形模型的種類n 1離散型數(shù)字地形模型離散型數(shù)字地形模型n 離散型數(shù)字地形模型，簡稱散點數(shù)模。是由隨機分布的離散離散型數(shù)字地形

9、模型，簡稱散點數(shù)模。是由隨機分布的離散地形數(shù)據(jù)構成，是公路設計中常用的形式之一?？赏ㄟ^內(nèi)插產(chǎn)地形數(shù)據(jù)構成，是公路設計中常用的形式之一?？赏ㄟ^內(nèi)插產(chǎn)生路線設計所需要的縱、橫斷面地面線資料。生路線設計所需要的縱、橫斷面地面線資料。n 道路設計中常用二次多項式曲面作為擬合曲面，計算公式為：道路設計中常用二次多項式曲面作為擬合曲面，計算公式為：n Z=ax2+bxy+cy2+dx+ey+fn 2. 格網(wǎng)式數(shù)字地形模型格網(wǎng)式數(shù)字地形模型 n格網(wǎng)式數(shù)字地形模型是將路中線左、右一定寬度內(nèi)的地面劃格網(wǎng)式數(shù)字地形模型是將路中線左、右一定寬度內(nèi)的地面劃分成大小相等的方格或長方格，按一定次序讀取網(wǎng)格點的高程，分成大

10、小相等的方格或長方格，按一定次序讀取網(wǎng)格點的高程，輸入計算機而構成的數(shù)模。輸入計算機而構成的數(shù)模。 l它是用許多平面三角形逼近地形表面，即將地表面看成是它是用許多平面三角形逼近地形表面，即將地表面看成是由許多小三角形干面所組成的折面覆蓋起來的，讀取并儲由許多小三角形干面所組成的折面覆蓋起來的，讀取并儲存三角形頂點的三維坐標，即構成三角網(wǎng)數(shù)字地形模型存三角形頂點的三維坐標，即構成三角網(wǎng)數(shù)字地形模型 。3三角網(wǎng)式數(shù)字地形模型三角網(wǎng)式數(shù)字地形模型 4魚骨式數(shù)字地形模型魚骨式數(shù)字地形模型n 魚骨式數(shù)字地形模型是在路線方案確定以后，沿路線方向魚骨式數(shù)字地形模型是在路線方案確定以后，沿路線方向和垂直于路線

11、方向上采集地形點而構成的數(shù)字地形模型。和垂直于路線方向上采集地形點而構成的數(shù)字地形模型。 隨意魚骨式數(shù)字地形模型隨意魚骨式數(shù)字地形模型三、數(shù)字地形模型的數(shù)據(jù)采集三、數(shù)字地形模型的數(shù)據(jù)采集n 數(shù)據(jù)采集是指選取構造數(shù)模的數(shù)據(jù)點及量取其坐標值的過程，數(shù)據(jù)采集是指選取構造數(shù)模的數(shù)據(jù)點及量取其坐標值的過程，是建立數(shù)字地形模型的基礎工作。是建立數(shù)字地形模型的基礎工作。n 1由數(shù)字化儀從已有地形圖上采集由數(shù)字化儀從已有地形圖上采集n 由數(shù)字化儀沿等高線獲取地形點坐標，該條等高線的高程值由數(shù)字化儀沿等高線獲取地形點坐標，該條等高線的高程值則由人工讀取。則由人工讀取。n 2由航測儀器從航空照片上獲取由航測儀器從

12、航空照片上獲取n 任何一種立體測圖儀都可以從航空照片上進行數(shù)據(jù)采集。任何一種立體測圖儀都可以從航空照片上進行數(shù)據(jù)采集。n 3用電子經(jīng)緯儀、全站式速測儀等儀器由人工野外實測獲用電子經(jīng)緯儀、全站式速測儀等儀器由人工野外實測獲取。取。第三節(jié)第三節(jié) 計算機輔助進行路線平縱橫設計計算機輔助進行路線平縱橫設計 n （1）利用數(shù)字地形模型進行路線設計）利用數(shù)字地形模型進行路線設計n 自動在數(shù)字地形模型支持下，借助數(shù)學方法，由計算機初定自動在數(shù)字地形模型支持下，借助數(shù)學方法，由計算機初定路線平面位置，進行優(yōu)化設計，根據(jù)計算機選擇的最優(yōu)方案和路線平面位置，進行優(yōu)化設計，根據(jù)計算機選擇的最優(yōu)方案和數(shù)模提供的地形資

13、料，完成整個路線設計工作。數(shù)模提供的地形資料，完成整個路線設計工作。 n（2）人工設計路線，輸入設計數(shù)據(jù)，計算機完成計算與成圖）人工設計路線，輸入設計數(shù)據(jù)，計算機完成計算與成圖n 首先由設計人員確定路線平面位置，將平面設計資料輸入首先由設計人員確定路線平面位置，將平面設計資料輸入計算機，由計算機完成路線平面設計，輸入平面設計方案所對計算機，由計算機完成路線平面設計，輸入平面設計方案所對應的縱、橫斷面資料，由計算機完成整個路線設計（如內(nèi)業(yè)計應的縱、橫斷面資料，由計算機完成整個路線設計（如內(nèi)業(yè)計算和有關圖表的繪制等）算和有關圖表的繪制等） 。 l 路線方案確定以后，設計者根據(jù)實際地形條件在實地或紙

14、路線方案確定以后，設計者根據(jù)實際地形條件在實地或紙上確定路線平面線形，將平面設計資料輸入計算機進行處理。上確定路線平面線形，將平面設計資料輸入計算機進行處理。l輸入數(shù)據(jù)：輸入數(shù)據(jù)：交點坐標（或交點樁號及轉(zhuǎn)角）；交點坐標（或交點樁號及轉(zhuǎn)角）；l 平曲線半徑；平曲線半徑；l 平曲線類型；平曲線類型；l 緩和曲線長度。緩和曲線長度。l計算內(nèi)容：計算內(nèi)容：路線里程；路線里程；l 平曲線要素；平曲線要素；l 曲線上各特征點的樁號；曲線上各特征點的樁號；l 逐樁坐標。逐樁坐標。一、路線平面設計一、路線平面設計 一、路線平面設計一、路線平面設計 n1縱斷面地面高程的獲取縱斷面地面高程的獲取n（1）實地進行路

15、中線水準測量）實地進行路中線水準測量n（2）紙上定線時在地形圖上人工讀取中樁高程）紙上定線時在地形圖上人工讀取中樁高程n （3）利用建立的帶狀數(shù)模，計算機進行數(shù)模內(nèi)插，得到道）利用建立的帶狀數(shù)模，計算機進行數(shù)模內(nèi)插，得到道路中線上任一點的高程值，從而獲得縱斷面地面線。路中線上任一點的高程值，從而獲得縱斷面地面線。 n 2縱斷面設計線的確定縱斷面設計線的確定 n （1）計算機自動產(chǎn)生道路的最優(yōu)縱斷面；）計算機自動產(chǎn)生道路的最優(yōu)縱斷面；n （2）設計者進行手工拉坡。）設計者進行手工拉坡。 n設計步驟：設計步驟：n（1）設計者根據(jù)路線所經(jīng)地區(qū)的地形、地質(zhì)、水文、氣候等）設計者根據(jù)路線所經(jīng)地區(qū)的地形、地質(zhì)、水文、氣候等條件，歸納可能出現(xiàn)的橫斷面形式和處理方式，確定各段的標條件，歸納可能出現(xiàn)的橫斷面形式和處理方式，確定各段的標準設計橫斷面型式及構造物布置型式。準設計橫斷面型式及構造物布置型式。n（2）計算機自動套用標準橫斷面逐樁進行橫斷面設計，并可）計算機自動套用標準橫斷面逐樁進行橫斷面設計，并可根據(jù)需要顯示在屏幕上。設計者可在屏幕上修改不合理的設計根據(jù)需要顯示在屏幕上。設計者可在屏幕上修改不合理的設計斷面。斷面。n（3）計算機自動提取已存入修改后的數(shù)據(jù)，計算土石方工程）計算機自動提取已存入修改