计算机辅助设计方案及示例

第6章计算机辅助设计及示例知识要点掌握程度相关知识

基本概念(1＞掌握计算机辅助设计的内涵；

(2＞掌握平面、纵断面和横断面设计模块；

(3＞掌握挡土墙、涵洞和土石方调配模块。

(1＞了解计算机辅助设计所需软件系

统；

(2＞了解计算机辅助设计所需硬件系统

和专业软件。

平交和立交设计示例(1＞掌握平交设计方法及软件应用；

(2＞掌握立交设计方法及软件应用；

(3＞了解平交设计所需图表；

(4＞了解立交设计所需图表。

(1＞专业应用软件操作知识；

(2＞平交口设计方法及图表；

(3＞立交设计方法及图表。

■技能要点3

技能要点掌握程度应用方向平交设计示例

(1＞掌握平交口设计方法；

(2＞掌握应用软件的使用

(1＞平交口或交通岛设计。

立交设计示例(1＞掌握立交设计方法；

(2＞掌握Autocad及应用软件应用；

(3＞了解立交设计所需的图表。

(1＞立交设计；

(2＞ Autocad及应用软件应用。

《y基本槪念

计算机辅助设计及示例；平面设计模块、纵断面设计模块、横断面设计模块、挡土墙设计模块、涵洞设计模块、土石方调配模块和图表输出模块；平交口设计、交通岛设计、平交口模型、路脊线、边线和平交口范围；喇叭型立交、主线、被交线、匝道、线位数据图、连接部图、总体布置图和纬地软件。

计算机辅助设计在道路设计领域得到广泛应用，国内外有许多专业应用软件，

如CARD/1、MOSS、纬地、EICAD和DICAD 等软件。这些专业软件具有强大的平纵横三维设

计功能，使设计人员从繁杂的计算过程中解放出来，设计时间短、快，所设计图表清晰，便于

设计人员修改。同时由于计算机的快速发展，高效、动态、实时的道路设计成为可能。

6.1计算机辅助设计

6.1.1计算机辅助设计发展状况

计算机辅助设计＜CAD )在工业与工程设计领域得到广泛应用，在道路交通领域也是一样，道路CAD 技术的应用提高了道路设计进度，使设计人员有更多时间对设计图表进行优化、对比，从而提高设计质量，节省工程造价，给工程投资、设计和施工等部门带来了显著的经济和社会效益。上世纪60年代初，计算机

开始在公路设计中应用，当时主要用于繁杂的数值计算和路线优化，上世纪70年代，英国、法国、原联邦

德国、丹麦等一些欧美国家都相继在道路路线优化＜特别是纵断面优化)和辅助设计绘图等方面取得了较成

熟的成果，并在实际生产中得到用到。上世纪80年代?许多工业化国家已形成了具有数据采集、设计、计

算、绘图等完整功能的软件系统，并达到了商业化的水平。目前国外的道路CAD软件已向三维渲染、参数

化设计和工程数据库支持的方向发展，所支持的设计对象也从以前的新建公路向已有道路改建发展。现在国外具有代表性的道路CAD软件有德国的CARD/1系统，英国的MOSS系统和美国的INTERGRAPH

BROADS 系统等。

引例

_____________________ 个人资料整理_仅限学习使用_

上世纪世纪70年代我国开始进行路线优化技术研究，有关高等院校及科研设计单位先后编制了有关的路线优化程序。上世纪80年代，各单位开始开发研制路线辅助设计系统。随着计算机软硬件水平的提高，

我国相继出现了许多高质量的道路设计软件，如纬地、鸿业、EICAD和DICAD等。这些软件目前在道路

CAD设计过程中得到应用，极大地促进我国道路设计事业的发展，产生巨大的经济和社会效益。

6.1.2道路辅助设计系统的组成

计算机辅助设计

机及外围设备帮助设计工程师进行工程和产

品的原始数据采集、设计、绘图等工作。

CAD系

统由硬件和软件两部分组成。硬件包括计算

机< 主机、显示器、硬盘等）和外围设备<

打印机、绘图机、数字化仪和图形扫描仪

等），见图6.1。CAD系统的软件包括：操

作系统< 如

WINDOWS、OS / 2、UNIX 等）、语言环境

<女口C、FORTRAN 等）和支撑软件<如

AutoCAD , Micro

图6.2系统的组成

Station等）。目前道路CAD系统的主机平

台主要有小型机和PC机两种，小型机工作站主要有HP , SUN VAX等。MOSS, INROADS就是建立在小型机平台上的系统，国内多以PC机作为工作平台。一个典型的

PC机系统的主要组成如图6.2所示。

6.1.3道路设计对CAD软件的要求

道路设计有以下特点：

1）原始资料复杂。道路设计的原始数据中包括数据和图形，且数据的随机性较大，如地形图、地质资料等。

2）设计对象的离散性。如：地形是一个离散的三维体，在设加宽的缓和曲线段上，道路边线是一条变化曲线，无法用独立的常规方程来描述，道路边坡则是一个不规则曲面?这就造成了软件建模复杂。

3）各部分设计有一定的次序，但也常有交叉。并且数据输入、输出贯穿于整个设计过程。因此对道路CAD软件就提出如下要求：

<1）功能性要求，道路CAD软件应能完成设计任务，同时还要求满足数据和图形的输人、输出及编

辑、修改。

<2）可靠性要求，道路设计往往涉及的参数繁多，操作随意性大，对系统的纠错和出错保护提出了很高的要求。

<3）可定制性要求，不同设计单位设计的习惯不同，要求设计软件可定制或修改，以适应不同设计单位使用。

<4）易使用性要求，软件的易使用性是相对的，同一个软件，对于不同的用户，感觉也不尽相同。因此在满足功能要求的前提下，操作方式和人机界面应设计得尽可能简洁、直观。同时强大的在线帮助系统也是必须的。

<5）可维护性要求，软件维护是软件生命周期中的重要一环，同时也是减少和解决软件在使用过程中的问题，当规范及外部条件发生变化时，能及时进行维护更新。

6.1.4道路CAD系统的基本功能

道路CAD系统应具备以下功能：

1）纸上定线或实地测设的数据可通过键盘、数字化仪、航测或电子手簿等方式输入计算机的技术;

2）建立和使用数字地形模型

3）进行平、纵、横线形的人机交互设计与修改设计；

4）工程数量的计算和土石方动态调配；

5）平、纵、横断面设计图绘制；

6）各种成果表格文件输出；

7）涵洞的设计和绘制；

8）挡土墙的设计和绘制；

9）路线结构线透视图及全景透视图的绘制。

6.1.5道路CAD系统基本工作方式

道路CAD系统的各个模块按如下方式工作：

1.平面设计模块

平面设计过程中，设计工程师在大比例尺<1: 2000以上）地形图上确定道路导线位置，其后采用人机对话方式逐个完成曲线设计，在设计过程中或设计完成以后，设计工程师可对原设计进行修改，模块还可提供所定的平面方案对应的纵、横断面的信息，并可输出纵、横断面地面线略图。对实地定线所得的平面设计方案，模块可提供平面移线设计功能，最后可绘制平面设计图。

2.纵断面设计模块

纵断面设计模块的基本工作方式为：将实测地形数据输入计算机或利用数模获得的纵断面数据，设计工程师可进行纵坡设计，以人机对话方式对设计方案进行检查、修改，直至满意，最后即可绘制纵断面设计图。计算机能显示与纵断面当前方案所对应的挖填高度等数据，供工程师检查修改作参考。同时可以结合平纵设计和自然水系等情况，确定桥梁和涵洞的位置。

3.横断面设计模块

横断面设计模块工作方式为：手工输入横断面数据或利用数模获得横断面数据，设计工程师根据各路段的具体情况定义各段的标准设计横断面，计算机根据标准横断面自动进行横断面设计。因此计算机自动设计完成后，工程师即在屏幕上对横断面逐个进行连续显示检查，当发现不合理的设计即暂停显示，进行修改，而后再接着连续显示检查，直到全部断面都满意为止。最后计算机计算土石方工程数量，绘制横断面设计图并输出有关数据成果。

4.土石方调配模块

在人工设计中通常采用逐桩调配，计算工作量大，调配的结果偶然性大，整体考虑不易做到合理。采用计算机调配土石方，可以动态观测土石方调配，利用在横断面设计输出的土石方数据，直接计算并输出Excel或word格式的土石方计算表，方便用户打印输出和进行调配、累加计算等工作。系统可在计算中自动扣除大、中桥，隧道以及路槽的土石方数量，并考虑到松方系数、土石比例及损耗率等影响因素。最后输出土石方数量与调配表。

5.涵洞设计模块

涵洞设计模块主要依靠部颁标准图进行设计，可完成板涵、拱涵、圆管涵中由不同进口形式组合而成的20余种涵洞的设计、绘图。基本工作方式为：输人设计所必须的参数，如：涵洞与路线交角、路线纵坡、超高与加宽值、涵洞的跨径、净高、涵底设计标高等基础数据，模块根据这些数据自动绘图，工程师在屏幕上对图幅稍加修改后，可绘制涵洞设计图，同时向打印机输出工程数量。

6.挡土墙设计模块

挡土墙设计模块通常具有较强的人机交互功能，设计工程师输入相应挡土墙设计基础尺寸和路线设计数据，通过显示典型横断面检查挡土墙高度是否合理，如不合理则可修改，高度、地质等基础数据确定后，计算机自动绘制图表，设计工程师可以对图形进行修改编辑，即可绘制挡土墙设计图，同时计算工程数量并输出。

7.设计表格输出模块

该模块的功能就是向打印机输出路基设计表、土石方计算表、直线及曲线一览表等多种设计表格，能直接复印装订成册。设计工程师只要输入表格名称及打印起迄点，计算机即自动打印。

8?透视图绘制模块

《公路路线设计规范》明确要求：一级公路以及风景区公路的个别路段应绘制公路透视图予以评价。有条件时二、三级公路的个别路段亦可采用公路透视图进行检验。对于道路设计的平纵横组合及其安全、舒适性的评价，透视图不失为一种直观、有效的方法。

6.2平交设计示例

设计交叉口的主线为双车道山岭区二级公路，被交线为某立交A匝道，交叉口采用渠化交通设计。

1）原始资料

<1）交叉点主线里程：K0+500。

<2 ）设计路线<主线）设计资料

①公路等级：二级公路；设计速度：60km/h。

②交叉口处于主线的直线段。主线中线上交叉点前后两点的坐标如表 6.1所示。

③主线路幅资料：路基宽10m ;行车道宽7.0m，硬路肩宽0.75m；土路肩宽0.75m。

④主线纵坡和横坡

纵坡：-2.904%<从北往南）。

路拱横坡：2%; 土路肩横坡：3%。

<3）被交线

①公路等级：立交对向分离双车道匝道；设计速度：60km/h。

②交叉口处于被交线的直线段。被交线中线上两点坐标如表 6.2所示。

被交线中线坐标表

③被交线路幅资料：路基宽15.5m ;中央分隔带宽1.0m;行车道宽2X 3.5m;硬路肩宽2X 2.5m ; 土路

肩宽2X 0.75m。

④被交线从坡和横坡

纵坡：1.29%<往交叉口倾斜）。

横路拱横坡：2% ; 土路肩横坡：3%。

2）平面设计

<1）平面线形设计

转角曲线A的右转车速选用35km/h，根据计算路面转角曲线半径A采用40m。转角曲线A路基的转角曲线半径采用40-0.75=39.25m。转角曲线B的右转车速选用30km/h，根据计算路面转角半径B采用30m, 转角曲线A路基的转角曲线半径采用30-0.75=29.25m。

转角曲线线形设计通常采用单圆形，也可以采用多心复曲线设计，本例采用较简单的单圆形设计。转角曲线设计方法有两种，一种是标明圆心的坐标；另一种是确定转角曲线的元素转角表，本例就是采用第二种，采用纬地软件主线平面设计或立交平面设计均可，然后选择表格-绘制元素曲线表即可。

<2）交通岛设计

相交公路设有中央分隔带。

<3 ）立面设计

立面设计模式：相交公路的等级相近，在交叉口范围内，主线与被交线的纵坡都保持不变，横坡都改变。

交叉口的交叉角为77°,大于75°,路脊线不用调整。交叉口特征断面的设计标高可根据 2.8节方法计算，标高计算线网采用网格法。

可采用纬地平交口设计软件进行设计，方法如下：

①路拱的设置，选择路拱的形式和坡度；

②创建平交口模型，依次选择路脊线、边线和平交口范围；

③进行等高线设置和标注设置；

④输入特征点的高程，然后输出等高线，平交竖向设计完成。

<4 ）设计成果

根据以上的原始资料和设计方法，绘制出该三路交叉口的平面设计图和高程设计图,

6.4。

图6.3平交平面设计图

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图6.4平交口等高线设计图

具体见图 6.3、图