道路CAD系统设计及实用程序设计PPT课件

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1、1,第三篇 道路CAD系统设计及实用程序设计,2,道路CAD系统是一套复杂、庞大的系统。包括路线、路基、路面和支挡结构的设计。其中路线设计内容包括平面、纵断面、横断面、土石方计算等主要内容，涉及到土石方调配、设计图表的自动生成、透视图的生成。考虑到设计一体化，还包括对数字地面模型系统，以及地形原始数据的处理。需要指出一点是，在道路CAD系统中，各子系统或功能模块是分散开发的，各子系统相互独立，但又具有联系。例如，某个模块运行后生成的数据文件，可以被另一个模块运行时调用。因此协调各子系统(或模块)之间的关系，提高系统的整体性、系统性以及易维护、易扩充的功能，对道路CAD系统非常重要。,3,1道路

2、平面线形计算机辅助设计,道路线形设计目前主要有两种方法，第一种方法是传统的平纵横设计方法：即把一个空间三维设计问题转化为平面、纵断面和横断面三个两维问题，这三个部分虽然形式上是分离的，但本质上作为一条三维空间来看，三者是相互协调、相互联系的。三者会相互影响，彼此牵制，因此，设计返工率较高。第二种方法称为三维空间线形设计方法它可以借助软件一次性完成三维线形的设计。,4,1.1 道路平面线形设计系统的总体设计,实地定线：在实地定线中路线平面设计系统的任务是验算曲线要素和主点桩号、进行超高和加宽计算、绘出平面设计图。定线工作由选线师根据经验在现场完成，计算机只是作后期计算和出图工作。 纸上定线：在纸

3、上定线中路线平面设计系统的任务是建立数字地面模型，计算导线偏角、人机交互中线设计、计算曲线要素和主点桩号、进行超高和加宽计算、绘出平面设计图。定线工作由选线师在图纸或计算机中通过与计算机交互操作，共同完成。,5,平面设计是道路线形设计的基础，应该包括两个方面的含义，一是道路中心线的设计，另一个是在道路中心线完成以后向法线方向拓宽的设计，比如平面交叉口的细部设计以及城市道路中的停靠站、分隔带等以中心线为依托的有关设计。,6,平面线形设计系统流程图,7,1.1.1平面中心线设计方法简述,中线设计是平面设计中的核心问题！ 中线设计方法： 导线法 曲线法 线元法,8,导线法,1、方法概述 首先确定一系

4、列由直线组成的折线作为道路中线的导线（通过“以点定线，以线交点”的原则确定），然后对每个转折点（交点）敷设合适的平曲线，构成完整的道路中心线 这是传统的方法，目前在公路线形设计中仍然广泛被使用！,9,2、平曲线模型：详见路勘教材 单交点对称型，即基本型（Ls+Ly+Ls） 单交点不对称型（Ls1+Ly+Ls2） 双交点（两点虚交）：在实地定线中经常遇到 复曲线（Ls1+R1+Lf+R2+Ls2） S型曲线 C型曲线,10,曲线法,1、方法概述： 首先在需要设置弯道的地方根据地形的要求（约束条件）布设一系列圆曲线（直线被看作半径等于无穷大的曲线），然后在这些圆曲线之间用回旋曲线或直线连接，构成完

5、整的道路中心线。 导线法简单、直观、计算方便、模型简单，为人们广泛接受。但是，它存在不够灵活的缺点！当约束条件较多时，线形不好控制（两点决定一条导线）。,11,2、平曲线模型：直线与圆弧连接,12,两同向圆弧间的连接 一圆内包含另一圆 两同向圆互不包含,13,两反向圆弧间的连接,14,线元法,1、方法概述 道路线形是由直线、圆曲线、回旋线三种基本线形组合而成的曲线链。 三种基本线形称为线元，无论多么复杂的线形均可以通过这三种基本的线元任意组合而成，设计者要做的就是如何根据实际工程和设计规范的要求，合理恰当的布置这些线元而已。 用下面的数学模型来统一表达直线、圆和回旋线三种基本线元： K(s)=

6、a*s+b K(s)：距起点曲线长度为S处的曲率，a、b为两个任意常数； 当a=0,b=0时，k(s)=0 表示该线元是一段直线各点曲率为零； 当a=0,b0时，k(s)=b 表示该线元是一段圆曲线各点曲率为常数； 当a0,b0时，k(s)= a*s+b 表示该线元是一段回旋线各点曲率呈线性变化； 曲率正负：沿着道路前进方向，曲线向左转的曲率为正（k0），曲线向右曲率为负（k0）。,15,如图1-1-2所示，AB是一段线元(可能是直线，圆曲线和回旋线中的任一种)，P为曲线上任意一点，这里定义(x，y，z，k)为P的几何参数，x,y,z为该点的三维坐标、为该点处的切线与x轴正方向的夹角，以逆时针

7、方向为正，k为该点处的曲率，由于这里讨论的是平面线形，所以其中z暂不考虑。如果定义该段曲线起点的几何参数为(x0，yo，z0，0，k0)，则任意点P的几何参数(x，y，z，k)可以这样表达：,16,2 道路中心线的边界约束模型,道路中心线是由一系列直线、圆曲线和回旋线依据一定的要求依次连接而成的，在这样的曲线链中每段曲线单元都可以通过该单元的两个端点的几何参数来表示，如果把曲线两端点的几何参数称为边界约束，那么，道路中心线中曲线之间的衔接问题就是各曲线端边界约束之间的关系问题，无论是“线形单元”、“积木法”还是“线元”都可以统一在边界约束模型中。根据边界约束的概念，道路中心线上任意一段曲线的两

8、个端点都是有约束的，两条曲线的组合就成了曲线在端点处的衔接问题，如图1-1-3所示，曲线S1,S2，在端点处衔接，设曲线sl端点几何参数为P1(x1，y1，z1，1，k1)，曲线s2端点几何参数为P2(x2，y2，z2，2，k2)，这两点有三种衔接方法：,17,1)xl=x2,y1=y2,zl=z2，l2，k1k2，Pl和P2在此处连接成折点，如导线点； 2)xl=x2，yl=y2,zl=z2，l=2，klk2，Pl和P2在此处满足一阶导数连续，如直线和圆曲线相连接的情况； 3)xl=x2,y1=y2,zl=z2，l2，kl=k2,Pl和P2在该点处满足二阶导数连续，如直线和缓和曲线相连接或圆

9、曲线和缓和曲线相连接的情况。,18,这样曲线的设计就可以通过曲线端点一段一段地衔接下去，比如N个线元组合而成道路中心线，沿道路前进方向各端点几何参数分别为P1、P2、PN，在计算机中要储存的便是P1、P2、PN依次各端点的约束资料，一般可以称之为SK模型（S指桩距、K指曲率）。由于道路中心线形无论多么复杂都是由三种线元组合而成，所以都可以用上述的边界约束模型来统一管理，这就使得应用计算机来处理中心线设计简捷方便，曲线上任意点的约束均可根据式1-1-2计算得到，在具体设计中，可以根据各端点的约束建立几何参数方程，最终落实到解方程组上面，解方程组对于计算机来说是非常方便的事。有了任意点的约束就可以

10、进行后续设计，包括曲线的绘制等等都将非常方便。,19,3.用边界约束模型进行平面中心线曲线要素的计算,平面中心线曲线要素计算就是计算出传统意义上的曲线长、切线长、外矢矩和主点桩号等元素。导线法。 中心线要素计算就是各端点约束的求解过程边界约束的中心线模型。 道路中心线是由三种基本线元任意组合而成的，共有六种组合情况，即：直线和直线；直线和圆曲线；直线和缓和曲线；圆曲线和圆曲线；圆曲线和缓和曲线；缓和曲线和缓和曲线。,20,图1-1-4基本线元的几种组合,21,3.用边界约束模型进行平面中心线曲线要素的计算,道路中心线的设计过程基本上就是在给定的约束条件下布置一系列线元组合，所不同的是给定的约束

11、可以是直线，也可以是圆曲线等，而布置的线元组合可以是一个线元、三个线元，甚至八九个线元而已。比如采用导线法设计单交点单曲线时就使在两条直线的约束下布置一个圆曲线与之相衔接。设计复曲线就是在三根直线约束下布置一段缓和曲线与圆曲线的衔接组合；采用单元法设计曲线时也是在圆曲线之间约束布置一段圆曲线，采用类型法也就是在两根直线之间布置一串线元。由此开来，道路中线线的设计方法从根本上讲就是在一定约束下布置线元的过程。 路线平面中心线设计的过程就是在两边约束条件下布置1n个线元组合的过程，这之间可能布置一个线元，也可以布置两个线元、三个线元甚至N个线元的组合，这要根据具体工程要求以及技术标准来确定，两边的

12、约束可以使两段曲线，也可以是两个端点。,22,3.用边界约束模型进行平面中心线曲线要素的计算,（1）两边约束，中间布置一段曲线的情况 两直线之间布置一个圆曲线，还有可能是在两个圆曲线之间布置一个回旋线等。 （2）两边约束，中间布置两段曲线的情况 两直线之间布置两个圆曲线，还有可能是在两个圆曲线之间布置两个回旋线等。 （3）两边约束，中间布置三段曲线的情况 三个线元组合主要有两种情况:A.”缓和曲线+圆曲线+缓和曲线“；B.”圆曲线+缓和曲线+圆曲线“的组合。A组合常用在交点法设计的单交点单曲线的情况，B组合则常用在复曲线的设计中。 （4）三个以上线元组合 两直线之间布置一个圆曲线，还有可能是在

13、两个圆曲线之间布置一个回旋线等。,23,24,4 平面法线模型及其应用,1）平面法线模型 至此讨论的都是道路中心线的设计问题，实际上道路平面设计中的中心线部分只是其中最基本的内容，单单中心线设计还不能构成完整的道路平面设计，在此基础上还要考虑道路边线的设计和管理，这就需要提出法线模型。所谓法线模型就是沿着法线方向以中心线为基础计算点的方法。如图1-1-5所示，AB是中心线上的任意一个曲线单元，A的几何参数为(x0，y0，z0，0，k0)，边线上任意一点P的平面坐标xp(s),yp(s)可以这样求得：,25,图1-1-5 平面法线模型,26,2) 平面法线模型的应用,在城市道路平面设计中，道路中

14、心线计算好了以后，还有很重要的工作要做，这就是平面其他内容的设计，比如设计分隔带、导流岛等，这些内容的设计不仅仅是要把平面图绘制出来，而且必须反映在模型之中，也就是说只要在平面图上设置了类似于分隔带等对象以后，可以通过桩号这样的关键字进行搜索得到有关的信息。 可以预先将要设计的对象定义成一系列参数模型，并且确定该参数模型的一（二）个插入点，在平面有关内容的设计应用中，根据需要选择相应的对象，根据法向模型确定以中心线为基础的插入位置。 表示插入位置的参数可以定义成为两种形式，一种用两个插入点定义，另一种是用一个插入点定义。,27,接着，可以利用法线模型绘制道路边线。利用法向模型可以计算距中心线任

15、意距离点的坐标，这是绘制道路各条边线的基础，依次计算出中心线上各桩号点所对应的各边线上点的平面坐标，将这些坐标点连接起来就可以绘制出道路边线，在后面将要提出的道路平面图的绘制就是利用法向模型进行处理的。 在实际应用中，除了依据中心线给定偏距、利用法向模型绘制边线外，还应该考虑反向操作，也就是用户首先用自己熟悉的绘图命令绘出图形，然后为其指定所依据的中心线，反算其中的有关法向参数，这一功能很有实用意义。,28,5 道路平面图及平曲线一览表的绘制,典型的道路平面图，包含以下内容 （1）地形，这是由原始地形图提供的； （2）路线线位图，这是设计的主要内容，包括中心线、道路各边线、桩号、填挖示坡线（没

16、有设计横断面此项就没有）等； （3）平曲线一览表，包含同页的平曲线有关数据资料； （4）指北针。,29,30,1.2 路线外业中桩组曲线测设计算实用程序,1.2.1 单交点平曲线计算敷设 如图1-2-1，只设一个JD点的平曲线称单交点的平曲线。平曲线由前缓和曲线LS1、中间圆曲线LY、后缓和曲LS2组成。当LSl=LS2，既前后缓和曲线等长时，称对称基本型平曲线，否则称为非对称基本型平曲线：当LY=0，既整个平曲线由前后两段缓和曲线首尾相连时，还可构成所谓S形曲线或C形曲线。 单交点对称基本型是最常见的平曲线形式，我们先介绍这种平曲线的计算敷设.然后扩展到非对称基本型平曲线的计算敷设，其余曲线类型则可视为基本型的变化形式。,31,32,（1）对称基本型平曲线 1）曲线要素计算及主点桩号计算 对于对称基本型，在图1-2-1中所示的各种几何元素，圆曲线半径R，前后缓和曲线长LS1，LS2(LS1=LS2=LS)由选线组选定，路线偏角PJ由测角测定，交点桩号JD有前一平曲线递推而得，均可视为已知；而曲线要素包括切线长