教案——道路路线计算机辅助设计.doc

265授课时间2009年5月29日1，2节授课方式课堂授课授课学时no. 362学时授课题目第36讲：道路路线计算机辅助设计。cad技术与道路cad系统；计算机辅助进行路线平纵横设计；数字地形模型与道路选线设计自动化。目的与要求：1. 了解cad技术与道路cad系统基本内容；2. 了解计算机辅助进行路线平纵横设计的思路和程序；3了解数字地形模型与道路选线设计自动化技术的原理和方法。重点与难点：重 点：1路线平纵横设计的cad技术； 2数字定型模型概念难 点：授课内容摘要：第13章 道路路线计算机辅助设计 13.1 cad技术与道路cad系统 13.2 计算机辅助进行路线平纵横设计 13.3 数字地形模型与道路选线设计自动化参考文献：1公路工程技术标准jtg b01-20032公路路线设计规范jtg d20-2006 3道路勘测设计. 张雨化主编，人民交通出版社出版教 具课 件ppt课件习 题作 业作业： 课后小结：第13章 道路路线计算机辅助设计第36讲：2学时13.1 cad技术及道路cad系统13.1.1 cad的基本概念 计算机辅助设计（computer aided design，简称cad）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。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。1963年，美国麻省理工学院（mit）首次建立cad的概念，三十多年来，随着计算机技术和微电子学的发展，价格低廉，性能优良的cad软硬件系统得到广泛的应用。13.1.2 道路cad系统组成及目标（1）cad软件系统组成： 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cad的应用软件包。 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、旋转、对称删除和修改）；以及分析和模拟等。 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。 （2）cad硬件系统组成： 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件组成。（3）道路cad系统的系统目标野外勘查、测量资料的处理：常规测量、 gps观测、航测 路线几何设计及计算道路工程结构设计及计算：路基、路面、小桥涵、交叉工程概、预算编制工程设计文件的自动编制与输出。 13.1.3 实用道路cad系统简述（1）国外道路cad的发展概况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。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面的研究与软件研制工作。 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。 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。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，从而大大提高了道路工程设计的速度和质量。德国card1软件：勘测、设计和绘图的一体化 英国mxroad软件 ：moss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，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； 美国intergraph公司的inroads软件。交通规划和设计的全过程实现了自动化美国的eagle point软件 ：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。 挪威的novacad软件 ：以交通地理信息系统trafgis为基础的多模块集成系统 加拿大的gwn-road软件 ：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 。 （2）我国道路cad的应用概况 20世纪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开发道路设计计算与优化程序，并取得了初步成果。 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成高等级公路综合优化及计算机辅助设计系统 。进入20世纪90年代以来，计算机硬件的快速更新和降价，功能的快速提高，使得在微机平台上开发的道路cad软件占有一定的优势。 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。发展前景：在应用范围方面，除了传统的道路路线、桥梁、互通式立交等的cad技术有很大的发展外，在以下各方面，如：道路与桥梁的三维造型和动画技术、计算机局域网络建设与应用、数据和信息采集新技术和gps与gis的应用、道路工程库和道路信息系统的建立、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等等，新成果不断推出。黑龙江省科技攻关项目：道路勘测设计一体化技术研发。课题编号：gz04a124 13.2 计算机辅助进行路线平纵横设计传统的道路路线设计一般是在路线平面位置确定以后进行的。利用计算机辅助进行路线设计，有两种作法：（1）利用数字地形模型进行路线设计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，完成整个路线设计工作。这种方法实现的cad系统，自动化程度高，但是，由于平面线形优化涉及到许多复杂因素，用该方法实现的cad系统，目前在国内外尚处于研究开发和完善阶段，（2）人工设计路线，输入设计数据，计算机完成计算与成图设计人员根据地形和环境条件，实地或在地形图上1：1000或1：2000），首先确定路线平面位置，将平面设计资料输入计算机，由计算机逐一完成或人机采用交互方式共同完成路线平面设计，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），设计所需地形资料可由野外实测获得，也可以从地形图上采集或者在数模支持下通过程序提供。目前国内现有的公路路线辅助设计系统，大部分是采用这种方法开发的。13.2.1 路线平面设计 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，例如交点坐标（一次定测时可输入交点桩号和转角）、平曲线半径、平曲线类型、缓和曲线长度等，计算机依据这些资料按照程序计算路线里程、平曲线要素和曲线上各特征点的桩号以及逐桩坐标。设计者可以根据设计结果，反复调整设计参数，直至满意为止。这是在路线平面位置完全确定的情况下进行的，设计者基本上不参与路线平面设计的过程，为了充分发挥人的主观能动性，让设计者更多地参与平面设计，也可以采用人机交互的方式，在屏幕上进行平面设计，其过程简单描述如下：在路线平面方案确定的基础上，利用数字化仪将路线导线图或线形草图输入计算机，作为平面设计的依据。在图形编辑软件的支持下，设计者利用直线、圆曲线和缓和曲线拟合出理想的平面线位，计算机输出该线形的设计结果，若不满足要求，可以反复调整上述元素的设计参数，直至满意为止。平面设计完成以后，自动将设计结果以数据文件的方式存贮在计算机中，供后续工作调用。也可以通过专用程序，绘制路线平面设计图和有关表格。输入数据：交点坐标（或交点桩号及转角）； 平曲线半径； 平曲线类型； 缓和曲线长度。计算内容：路线里程； 平曲线要素； 曲线上各特征点的桩号； 逐桩坐标。输出结果：编制直线、曲线转角表（excel文件） 绘制路线平面图（输出图形文件）。 平面设计工作框图如图12-6。13.2.2 路线纵断面设计 1纵断面地面高程的获取 （1）实地进行路中线水准测量（2）纸上定线时在地形图上人工读取中桩高程（3）利用建立的带状数模，计算机进行数模内插，得到道路中线上任一点的高程值，从而获得纵断面地面线。道路平面位置确定以后，实地对道路中线进行水准测量或根据纸上定线的结果在地形图上人工读取中桩高程，键盘输入计算机，得到地面高程资料。这也是传统的获取纵断面地面线的方法。另一种方法是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，这一方法可以局部或全部代替人工测量输入工作。 2纵断面设计线的确定 （1）计算机自动产生道路的最优纵断面； （2）设计者进行手工拉坡。路线平面设计方案确定以后，如何让计算机自动产生道路的最优纵断面，这是从事道路计算机辅助设计的人所感兴趣的。从六十年代起，各国把研究重点也都集中到了这方面来，提出了许多纵断面优化设计方法，并取得了一定的成果。国内有关科研单位、高等院校等也进行了大量的研究，并获得初步成果，但是，都是在初始纵断面给定的基础上进行的，仍需要人工给出初始方案。 3. 绘制纵断面图（输出图形文件）。目前，国内利用计算机进行纵断面设计，仍采用传统的设计方法。即计算机将输入的地面资料处理后由绘图机输出或由屏幕显示一张纵断面地面线图，设计者在上面进行手工拉坡，然后将纵坡设计信息送回计算机，计算机自动完成纵断面设计的计算与输出工作。 其工作框图见图12-。13.2.3 道路横断面设计 在整个道路设计中，横断面设计的工作量是相当繁重的，并且大部分工作是重复性的，例如横断面面积计算、绘图等，利用计算机进行辅助设计，既能提高设计速度，又可提高设计质量。 利用计算机进行横断面设计，需要处理大量的横断面地面线数据。这些数据若靠人工键盘输入，工作量是很大的，并且容易出错。一般是利用数字化仪将实测横断面地面线输入或通过数字地形模型自动产主。 利用计算机进行横断面设计，工作过程可描述如下：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，计算机根据标准横断面自动进行横断面设计，设计成果通过计算机逐个显示在屏幕上，设计者可根据地形、地质条件等在屏幕上修改下合理的设计断面。计算机自动提取并存入修改后的数据，计算土石方工程数量和土石方累积数据，根据土石方累积曲线，进行土石方调配。最后输出横断面设计图和有关图表。13.3 数字地形模型与道路选线设计自动化13.3.1 数字地形模型的基本概念与工程应用1. 基本概念： 数字地形模型（digital terrain model，简称dtm）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点三维坐标x、y、z组成。 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。 2. 工程应用： 公路路线选线 其他工程设计，如水坝等 发展：gis 地形资料是道路设计的基础资料之一。传统设计中，一般用地形图或断面图来表示地形。利用计算机进行道路设计，就要让计算机能认识和处理地形资料。为此，必须把地形图变成计算机能接受的信息数字，即将地形数字化。数字地形模型就是在这种背景下被引入道路设计领域的。道路是一种带状构造物。其设计或方案比选一般只需要左、右具有一定宽度的带状区域内的地形资料，所用的数模，是与这个带状区域相对应的带状数字地形模型，在建立数模的基础上，按照某种数学内插方法，把带状地形信息拟合成一张空间光滑曲面，例如z=f（x,y），在道路设计时，根据设计者提供的已知点坐标，内插出所需的地面高程。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。设计者可以轻而易举地对所做方案进行比较，选择较优方案，而不需重测。除此之外，数字地形模型还广泛地用在道路初步设计和技术设计中。另外，数字地型模型用于绘制地形图和地形透视图可以大大减轻设计人员的工作强度。13.3.2 数字地形模型的种类道路设计常用的数字地形模型有离散型数字地形模型、(方)格网式数字地形模型、三角网式数字地形模型和鱼骨式数字地形模型。1离散型数字地形模型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、横断面地面线资料。散点数模中任一待定点的高程，一般采用移动曲面拟合法，进行内插计算求得。其基本思想是：在地面某个小范围内，认为可用一圆滑曲线面表示之。即用一曲面去拟合地面。因此，对每一待定点，从存储的地形点中选择该点附近若干个地形，按距离远近考虑其相应权值，确定一拟合曲面z=f(x，y)。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： z=ax+bxy+cy2+dx+ey+f任一点高程，都可作为这一曲面上的一点，根据上式求得。上式中的系数是按照最小二乘原理，即该曲面到各已知点的距离的带权平方和为最小的原则确定的。为了保证散点数模中内插高程的精度与运算速度，待定点附近参加拟合的点的总数不能太少和太多，实践证明，参加拟合的点控制在1525个之间，内插精度较高，计算速度也快。散点数模的优点是地形点可以任意布置，能够适应地形的变化；缺点是地形点的选择要依赖设计人员的经验判断，占用计算机内存多，计算速度相对较慢。2. 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模。如图12-2。可通过内插产生路线纵、横断面地面线资料，并为搜索地形等高线提供依据。格网内的待定点高程，根据格网四个节点高程，采用双线形多项式内插求得。假设某方格四个节点的高程为z1，z2，z3和z4，则，方格内任一地形点p(x,y)的高程为： 即用四个节点的高程拟合一个双曲抛物面。 为了提高格网数模的使用精度，可根据不同的地形类别及设计阶段的精度要求，在不同区段选用不同的方格大小。平坦地区边长可长些，陡峻地区边长宜短些，初步设计边长可长些，技术设计边长应短些。一般在520m之间为宜。 格网数模的优点是只需存储格网节点的高程而不需储存平面坐标值，检索和内插简单、快速，数据采集方便，选点不依赖于经验，并且输出格式良好，便于应用。缺点是不易适应地形的突然变化，节点不一定是地形变化点，因此，地形变化大的地方精度低。 3三角网式数字地形模型 三角网式数字地形模型简称三角网数模。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的三维坐标，即构成三角网数字地形模型，如图12-3。三角网数模内插产生设计所需的路线纵、横断面资料，并为搜索地形等高线提供依据。三角网数模中在一待定点的高程，由该点所处的三角形平面而定，而每个三角形平面可用方程 ax+by+cz+do 表示 待定点的高程可用线形内插求得，即 z=ax+by+cz 式中系数a，b，c均为三角形三顶点坐标的函数。 三角网数字地形模型的特点是：占用内存较少，数模内插的精度完全取决于采样点的分布及联网的合理与否，所以，要求操作者具有一定的经验。 为了保证三角网数模的内插精度，数据采集时，建议沿地形特征线采集，在坡面上适当地选择控制点；构造三角网时，应尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形，或者三角形三边的长度近似相等，避免出现过大的钝角和过小的锐角；并应尽量使三角形的周边以内，所有等高线都呈直线，而且相互平行。 4鱼骨式数字地形模型 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。如图12-4，这种数模是数字地形模型的最初方案，与传统的人工计算方法相同。 这种数字地形模型的优点是：数据采集方法简便，容易从航测