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1、中国土木工程学会 1 9 9 8 年全国市政工程学术交流会 C A D技术在道路及立交设计中的开发应用 周正全 ( 北京市市政工程设计研究总院) 提要 本文结合作者有关 C A D技术的开发与应用实践， 从几个方面讨论 了 知何评价或开 发一套适于道路及立交设计的 C A D系统。 仁 关键词 C A D 道路 奋路 立交 设计 地形模型 随着我国基础设施建设力度的加强， 城市道路、 公路及立交等关系国民经济发展的基础建 设方兴未艾， 它为有关设计部门提供了机遇， 同时也带来了挑战。传统的手工计算与绘图已远 远不能满足要求。为满足工程设计的需求， C A D技术的引进与开发已取得了一定的成果，
2、 它 在工 程设计中产生 了良 好的社会效益与经济效益， 并且正 逐渐成为土程设计人员必备的工具。 目前， 计算机技术的发展日 新月异， 它已成为当前人类社会发展最快并最具活力的产业。 如何开发或引进适合自己应用的C A D系统， 已是摆在我们面前的一个重要问题。因为 C A D 技术是一个高投人产出的技术， 它可以极大地提高生产力， 使设计人员从繁重的手工计算与绘 图工作中解放出来， 提高设计质量。但是选择不当或开发的技术路线有误就有可能带来相当 大的风险和损失。对此， 结合我们在这方面开发与应用的经验， 谈谈看法与解决问题的方案。 考查或准备开发一个 C A D系统， 应注意以下几点: 所
3、采用技术的先进性与合理性; 完整性 与系统性; 标准性; 实用性。 1 所采 用技 术 的先 进性 与合理 性 在讨论技术的先进性之前， 有必要研究并确定一个系统工作的平台。从某种意义上讲， 它 直接关系到系统设计的先进性与合理性。所谓平台是指一个软件系统运行所需要的硬件和软 件环境。对于硬件而言， 可运行 C A D系统的机器可以是主机、 图形工作站以及微机等。考虑 到我国的国情， 计算机的应用水平和计算机技术的飞速发展， 采用微机相对更合理， 所以我们 所开发的系统是基于微机系统运行的。就微机的软件系统而言， 目前的操作系统有 D O S和 W i n d o w s ( W i n d
4、o w s 3 . 1 , W i n 9 5 和N T 等) ， 但实际 上淘汰D O S 而使用多任务的 具有图 形窗口的操 作系统Wi n d o w 。 已成定局， 如此看来， 一个C A D系统能够在 W i n d o w 。 下运行已成为对它的必须 的要求。因为没有人愿意选择一个经培训最后达到熟练使用或者开发一个行将淘汰的软件。 微机上用于 C A D的图形支持系统中没有图形工作那样多， 但也需要做出合理的选择。当 然可以根据要求创建自己的图形支持环境。根据实际使用情况， 我们选择了A n t o D e s k公司的 A u t o C A D ， 因为大多数设计人员能够很好地
5、使用它， 因此会很快学会并熟练掌握这一系统。对 于软件开发而言， 用户可以不关心最基本的， 也即与用户所从事专业无关的图形 C A D系统的 编码， 而专门研究本专业在这里要解决的问题， 开发出相应的软件。这样还可以随着图形技术 系统的升级， 得到相 应的更好的技术支持并随之升级， 并且也不会落伍。 4 0 1 权1、了卜丫.，1111.k.1、 中国土木工程学会 1 9 9 8 年全国市政工程学术交流会 看一个 C A D系统在技术上的是否先进， 很重要的一个方面是因为它直接关系到设计质量 与生产效率的提高。我们在开发 R I S E系统时考查了国内外各有关的 C A D系统， 在系统中采
6、用了数字地形模型( D T M) , 实现对现况地面的模拟， 以及元素法与I P法共存的道路平面定线 方法及棱柱法进行土方计算等。 建立数字地形模型， 将地形图中表 示地面高程的等特点和其高线联成三角 网结网过程是自动进行的， 但也可以方便 地进行人为的干预， 以控制联网的方式， 达到更准确地表达现况地面的目的( 见图 1 ) 。由于系统是在A u t o C A D下适用的， 因 此有关地形图中地面高程的数字采集或 与其它相关应用软件的连接就变得非常 方便 。 圈 I 数字地形模型建成后 ， 即可以直接在它的上面完成道路纵横断面的剖切， 很轻易地以进行 一条道路或一个立交多方案的技术与经济指
7、标的比选。还可以在此基础绘制出道路特别立交 的三维透视图、 渲染图或完成电脑动画的制作， 直观地表现道路与周围地形的关系。总之， D T M给予道路及立交设计以强有力的技术支持。 元素法用于道路立交的设计在国内已有多年， 它已成为立交设计中的一个必要手段。用 这种方法可以完成几乎是任意线整组合的立交定线设计， 这是折点法( I P法) 无法 比拟的: R I S E在考虑元素法时， 特别考虑了使用的方便性 设计， 而不需要给出任何数据文件 ， 全部采用了人机图形交互的方式完成定线 ， 实际上这种数据文件是根本不存在的。 用棱柱法计算道路及立交的土方量有别于传统的截面法。 成一个个三角面， 这些
8、三角面向地面投影形成一个个三棱柱 它将道路的设计按照其轮廓制 分分别进行体积累加， 即得到道路的填挖方量( 见图2 ) 0 ， 把这些三棱柱按其填方或挖方部 这一方法特别适合于立交设计。 为在立交设计范围内存在着大量的匝道出人口及加减速平道等 难 以准确且非常复杂。 ， 这些使得用截面法设计土方 而棱柱法则可以准确快捷地完成这项工作， 造了有利的条件。很显然， 棱柱法得益于D T M的建立。 为设计中多方案的比选创 2 系 统性 与完 整性 一个 C A D系统仅仅在一些技术上有先进性是不 够的， 它们之间的各个子系统或模块之间应该构成 一个有机的整体， 彼此之间是多相关联的。这样才 能较大幅
9、度地提高设计工效并减少 出错的可能。 R IS E在研究与开发中充分考虑了这种系统性并在实 圈 2 际应用中取得了较好的效果。如前所述 !J月.!刊1 程， 用于平面设计、 纵断面设计、 作等。 D T M的建立为系统中的多个模块提供了现况地面高 棱柱法和截面法的土方计算以及三维透视图和电脑动画的制 平面设计与纵断设计、 土方计算等模块之间建立了有机的数据联系。图3中的有关标注、 4 0 2 中国土木工程学会1 9 9 8 年全国市政工程学术交流会 导线设计参数和超高等有关参数自动反映到纵断设计图中， 而纵断设计高程等也可以反映到 平面设 计图中来， 或投影到另一条相关的道路纵断图中， 这一点
10、特别适合于立交的纵 断设计和 路网的竖向规划设计。因为在这里各道路 平纵设计及超高或匝道间在高程上是相互 影响的。道路的设计完成后， 相应的模块 还可完成路面设计等高线的绘制及匝道口 高程数据图的绘制( 见图3 ) 0 总之， 程序设计的系统性应深人到整 个 C A D系统的方方面面， 系统中各模块不 再是独立存在的， 而是有机整体中的一部 分， 这里不再一一列举。 当使用程序简单而快捷地完成复杂的 道 路 或 立交 的平 面 定线和 纵 断面 定线 时，圈 3 你会发现这并不是最终的工程图纸， 还需 要在它的 上面手工 地做各种编辑修改， 加上 标注等， 实际上这项工作并不轻松， 耗时长易出
11、错。 针对这一问题， 我们在开发 R I S E时提出就高也要就低 ， 也就是说， 对于技术含量不高但确能够 节省大量制图工时的模块同样要开发好， 也就是要一个 C A D系统尽可能完整， 要它涉及整个 设计进程的各个方面与设计过程。这里举两例说明这一问题。在标注公路设计中的涵洞时， 需要涵洞编号这一项， 但设计过程也是一个不断调整的过程， 难免要对其中的某些涵洞删减或 增加。这时就要调整在它们之后的所有涵洞的编号， 因为编号是按涵洞的桩号排序的。对于 有几十个甚至更多的涵洞的公路设计而言， 修改这些编号的工作量是相当可观的， 何况这次修 图 a 改还不一定是最终的修改。R I S E的标注有
12、这样 一个功能， 它将整条路上的涵洞标注按照其桩号 的大小重新排序。一条道路的设计图， 无论是平 面图或纵断图， 往往是分成多页绘 图输出的， R I S E可将一设计图分成各个图而又不破坏原 图， 对原图修改后自动反映到相应的子图中去。 C A D系统的完整性还应体现在另一方面， 就是它应尽可能覆盖工程设计的各个阶段， 它需 要针对不同设计阶段的特点与图纸要求， 设计相 应的程序。例如对于前期方案或初设阶段， 就要 有三维透视渲染图( 目前已成为文件组成的内容 之一， 见图4 ) 或制作三维电脑动画。再如纵断设计图， 其不同设计阶段的内容与格式是不同 的、 程序也应根据需要输出相应格式的图纸
13、等等。 3 标 准性 国内开发的软件在执行制图标准方面一般来说问题不大， 进口的 C A D软件往往存在着这 方面的问题。它直接影响到设计文件是否符合规范对文件的要求。这时就要考查它是否可以 4 0 3 中国土木工程学会 1 9 9 8 年全国市政工程学术交流会 为此做出灵活方便的修改， 使之满足要求。如果为此需要投人大量的工作由用户做二次开发， 对于一般的使用单位是难以承受的， 因而要慎重选择。 4实 用 性 一个 C A D系统的实用性是由多方面因素构成的， 这里只讨论一个人机交互方式。C A D是 以人机图形交互为其基本特征的， 设计人员在使用这一系统进行设计时， 他看到的应该是图 形， 操作的对象也是图形， 而不是数据文件， 所得到的结果也应该是图形。这样才能使应用系 统更加顺应设计人员的思路， 符合设计习惯， 易于检查错误。同时， 良好的中文界面也是一个 重要的方面。 5结 束 语 本文从几个侧面讨论了 如何评价或开发一套适于道路及立交的C A D系统， 用户在实际考 查中还需要结合自己的实际情况， 对其取舍做出综合评价。文中所提及的R I S E系统是笔者开 发的用于道路、 公路立交及场地工程设计的 C A D系统。由于我们工作的局限性， 难免有不当 之处， 仅供参考。 .门、. 4 0 4
