道路CAD在工程的应用和意义

道路CAD在工程中的应用与意义

一、道路CAD系统简介

1、道路CAD发展综述

计算机在公路工程领域的应用起步于20世纪60年代初，但是当时还主要是用于完成一些繁重的计算任务，如路面结构力学分析、路基稳定性分析与计算、桥梁结构计算、路基土石方计算以及路线平纵面线形的计算等。

到了20世纪80年代，道路CAD系统的发展更加完善，并逐步向系统化、集成化方向发展。很多国家建立了由航测设备、计算机和专用软件包组成的成套系统，可以完成从数据采集、建立数字地面模型、优化设计到设计文件编制的全部工作，系统都有成功的图形环境支撑，商品化程度很高。

20世纪90年代至今，是CAD软件的商品化快速发展阶段。这段期间公路CAD软件发展的特点表现为：软件支撑平台向Windows系统过渡，软件界面及交互性能有所改善；部分软件自主开发了专业的图形支撑平台，系统具有较强的针对性和实用性；道路CAD软件的应用深度和广度都有较大提高，应用范围基本覆盖了道路初步设计和施工图设计的各个方面（不包括方案设计、方案评价选优等）。

简单来说，道路CAD系统即利用计算机辅助设计系统进行路线设计，在数字地形模型支持下，借助数学方法，由计算机初定平面位置；经过不断的人机交互作用，进行优化设计，根据计算机选择的最优方案和地形数字模型提供的地形资料完成整个路线平面、纵断面和横断面设计，以获得切合实际的最优方案。道路CAD领域的软件最初大致可分为两种类型：一是适用于结构工程的，如路基，路面，挡墙，桥涵等构造物的CAD设计软件，另一类是适用于路线工程设计的。前者偏重于力学数值计算，后者为带状建筑物，广泛绵延于地面之上，很多与地形、地物、地质水文等有关的自然地理数据是设计的原始依据。

2、国内外道路CAD技术发展状况

（1）国外道路CAD软件

德国CARD／1软件：勘测、设计和绘图的一体化；CARD/1的原意是计算机辅助道路设计（Computer Aided Road Design）。经过了十多年的发展，原先的CARD/1系统是一个从运用中发展起来的专门适用于道路测量和设计的软件包，现在的CARD/1系统已广泛应用于测绘、道路、铁路（磁悬浮列车）和管道的规划、设计和施工。

主要特点：

①高度集成

CARD/1覆盖测绘、道路、铁路、管道设计及施工的全过程。CARD/1是不依赖于其它任何软件（除操作系统外）就可完成基础数据采集、设计、绘图全过程的软件系统。避免了传统的使用五、六个不同公司的软件分别解决不同的问题，最后合起来完成一个项目的弊端。

②全面开放

可接受所有来源的数据：已有的平、纵、横断面地面线及设计资料；全站仪数据；航测

数据；GPS数据；既有图扫描数据；激光测量仪数据和其它软件数据。

③智能化与个性化

CARD/1系统基于数字地面模型，融合了许多模拟、回归分析、自动设计等智能化功能，可使工程师的方案更优、更合理。

④功能精细可靠

CARD/1整个系统有大小功能1000多项，能满足现今公路、市政道路和铁路设计各阶段的各种要求，其中包括高速铁路和磁悬浮设计。

⑤设计思想先进

CARD/1采用了当前国际上最流行的全站仪野外数据采集、建立地面模型进行道路设计的思想和方法, 它可使复杂条件下的多方案比选设计轻而易举，使设计的合理性和效率显著提高。CARD/1路线设计方面采用的是曲线法，兼容传统的积木法和交点法设计思想，它可以使工程师们合理、快速、灵活、轻松地达到设计目的。

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；

主要特点：

①适用领域广泛，计有：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，建筑景观设计等；

②适用于多个国家的多种设计标准；

③具有完善的三维图形显示功能，对几何形体的图形显示与表达具有充分的灵活性；

④地面数据采集手段齐全，用“串”表达的方法即完整又精确；

⑤运用人机交互进行线形设计，包括平面、纵面设计和几何要素选择；

⑥各种分析和计算具备多种方法。

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：该软件在道路规划和设计子系统中的主要功能是地面模型建立、平面布局设计、道路要素计算及剖面设计等几个主要模块。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；它具备公路、铁路、桥梁与结构设计的完整功能。适用于公路设计的子系统可以进行快速高效的设计工作，它包含有：线形几何设计、交互式的纵断面设计、道路用地平面设计、横断面设计和土石方计算、图纸绘制、路面设计、交叉口平面和立面设计、工程量计算及设计文件形成等各种主要模块。

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）国内道路CAD软件

EICAD：“集成交互式道路与立交设计系统”，简称“EICAD”。是李方软件公司于2002年10月推向市场的第四代道路计算机辅助设计产品，是DICAD的升级换代产品。系统主要用于公路、城市道路的各阶段设计，EICAD有路线版、综合版两个版本，适应用户的不

同需求。综合版中包含了用于互通立交设计的命令，包括：积木法、基本模式法、扩展模式法和其他辅助设计命令等。EICAD应用独创的路线设计理论——“新的导线法”和立交匝道线形设计理论——“复合曲线模式法”，加上动态拖动和功能集成的特点，使得设计者能方便地设计出任何复杂的、完美的道路与互通式立体交叉平面线形，如单卵型、双卵型、复曲线、虚交及全曲线等平面线形。

BID-Road：BID-Road软件是中交第二公路勘察设计院研制开发的公路路线与互通立交辅助设计系统。支持动态可视化公路路线及互通式立体交叉的平面、纵断面、横断面的自动（或交互）设计，路基土石方的自动和交互调配，路线边沟的交互式排水设计以及交互式的挡墙纵向设计，并可自动生成路线及互通式立体交叉设计中主要的设计图表，建立路线和互通式立体交叉的三维立体模型；完成各种等级、各种路基形态的公路路线与互通式立体交叉的初步设计和施工图设计。

中交西安第一勘测设计研究院——纬地道路辅助设计系统HintCAD：HintCAD软件具有路线、互通式立体交叉、隧道、挡土墙、土石方调配、虚拟仿真等设计模块。

同济大学道路计算机辅助设计TJBD软件系统

东南大学道路CAD软件（立体交叉设计）

二、道路CAD系统的应用与展望

1、应用

通过使用DICAD软件进行过相关的设计，下面主要对其在平面线形设计方面的应用做一些阐述。

（1）数字地形模型采集、生成地面模型

地形数据采集是指选取构造数模的数据点及量取其坐标值的过程，是建立数字地形模型的基础工作。

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。

例如离散型三角点地面模型

（2）计算机辅助进行路线平纵横设计

在数字地形模型支持下，初定路线平面位置，进行数字地模的自动查询，获取平纵横设

计数据，由计算机完成整个路线设计工作。

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进行处理。输入交点坐标，平曲线半径，平曲线类型，缓和曲线长度等。使用Dicad时，平曲线和缓和曲线的设计可以根据地面线，相关的取值规范由软件自己来调整，设计人员优化确定。

纵断面设计：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。

横断面设计：（1）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。（2）计算机自动套用标准横断面逐桩进行横断面设计，并可根据需要显示在屏幕上。设计者可在屏幕上修改不合理的设计断面。（3）计算机自动提取已存入修改后的数据，计算土石方工程数量，并进行土石方调配。（4）输出横断面设计图和有关图表。

（3）路线漫游、生成动画

主要用于之后向业主，或者招标时的展示，更加生动形象。

2、展望

（1）现有道路CAD系统存在的问题

道路设计工作是一个从无到有的反复修正过程。设计人员根据所掌握的知识、经验、规范，通过分析、计算、判断，多次修改，最后形成一项满足预定功能要求的设计。计算机辅助设计(CAD)在提高设计质量、加快设计进度、节省人力物力上起到不可估量的作用。现有道路CAD系统把需要经验或知识决策的设计问题留给用户，因而设计质量的好坏在一定程度上依赖于用户的经验和知识水平，也就是说，CAD的支持层次较低。这是国内外道路CAD 系统普遍存在的问题。

其次，现有道路CAD系统的各单项功能或单方面功能均是开发单位针对不同的目的、各自的设计要求、不同的软硬件环境开发的，在系统的总体性、软件的通用性、系统接口技术等方面缺乏良好的总体设计，虽然各单项（单方面）功能较强，有较大的实用价值，但整个系统功能单一，缺乏标准化、规范化、系统化，集成化程度低。因此，现有的道路CAD 系统很难有效地支持设计的全过程。

（2）发展趋势

道路CAD技术是CAD技术在道路设计领域的具体应用，是伴随着CAD技术的发展而发展起来的。因此，道路CAD技术在软件、系统方面发展的总趋势也与当前国际上CAD 技术发展趋势一致，研究热点也集中在可视化、集成化、智能化和网络化方面。

因此道路CAD技术的发展趋势主要体现在以下几个方面：

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、遥感、摄影测量等技术的应用

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

智能化设计技术研究

三、DICAD软件使用感受

1、安装问题

起初安装软件时的确是花了一段时间的，尤其是安装网络版的时候。

DPX这款软件是基于CAD开发的，支持Windows xp/Windows 7及AutoCAD

R14/2000/2002/2004/2005/2006/2007/2008/2009/2010/2011/2012。我们大多数安装的都是07版，08版的，可能是我们的电脑性能不够好。而且xp系统可能比win7 32位的装的可能方便一点。一开始说最好安装在32位的系统上，但是我的64位系统后来不知不觉也安装成功了，用起来也比较流畅。但是后面在生成收费的三维模型时，收费站总是会整体偏移一些，相关问题有人也向老师提问过，但是按照模板来，却还是会有偏移，不知道会不会和系统有关系。

2、平面线形设计感受

画平面线形时的最大感受就是方便，尤其是在变线的处理方面。之前在上立交课的时候，老师也给我们展示了不使用软件，而直接采用CAD的命令来进行线位和边线的处理，比起软件来说还是慢很多的。

还有一个就是需要涉及的规范参数有在软件中有设计好，我们只需要根据经验来进行填写，选择即可，或者直接拖动，确定最佳的线位设计，这个也是加快了我们设计的速度，省去很多繁杂的步骤。但是我有一个小问题，中间有一些参数好像我并没有怎么过多的调整，比如A1/L1等，不知道会有多大的影响，可能我们的设计的路线比较简单，看不出会有什么差别。还有一点就是关于变化精度的选择，我没有试过能到达多精确，不知道具体有没有一个规定说要到一个什么程度。

做动态变速车道时有时会到一个死角，就是线位只有一种可能，稍微动一点就没有了。而且采用变速车道的画法时，只能成功一个，其他地方总是会突然崩溃，可能还是系统的问题吧，最后采用都是直圆时的车道，画出来的线形和边线也很理想。

所以总的来说，我觉得这个软件给我最大的感受就是快捷方便，能够省去很多重复繁琐的步骤。

3、纵断面拉坡设计

大三的时候上立交课，刘老师也说过纵断面自动拉坡是他的这个软件一个比较出色的地方，十分的方便快速，而且我们也能够自己进行调整。但是之前读取资料还是会有一些问题，经常有资料没有读全，格式不对，项目选择不对的错误，这需要我们自己细心琢磨。读取完纵横断面的资料后，拉坡就会很方便。

一般匝道拉纵坡的时候的起点是匝道与主线的分合流点。但是在喇叭处的拉坡起终点处理比较特殊，这是我们需要注意的一个地方。

其中我遇到的一个问题是，有一个匝道之前都没有问题，但是一到拉坡的步骤，拉出来的是直线。最后重新画了另外的匝道才把问题解决掉，但是印象中并没有改动太多地方，这也是当初在立交设计的时候一个困惑的地方。

4、横断面图生成

这一步骤没有什么太多问题，只要读取好地面的数据资料，选择合适的边坡类型，横坡等，一般这一步骤很快就可以完成，也是出现问题比较少的一个步骤，只是为了能够使横断面图边坡更好看一点，需要把线形移动到合适的位置，中间还是重复了很多遍，知道确定了最佳的一个位置。

5、三维建模

下面根据我在三维建模时候的一些问题及后来的处理解决方法，提一些三维建模的要点。

①处理河、塘边线，修改其标高值，一般来说为10米

②填写A匝道的构造物资料（STR）要准确，比如桥梁配跨数据，坐标，数量，间隔等。

③进行横断面成图，要勾选“立交端部处理、自动确定坡脚分离”

④桥台锥坡不足的时候，在T3D中选择填补生成三维面-挡墙。

⑤生成的地贴线有时候并没有把边线所有包围进去，需要自己进行手动的调整。

⑥匝道和主线分离的地方的边坡需要进行处理。

最后有两个小问题，一个是水面完成之后，在DWG文件中显示的并不是曲线，而是多边形，但是在仿真漫游里面确实正常的。二是漫游时发现有一个地方的地面特别高，基本看不到尽头，但是我的地面模型选择的是最平缓的广州地形，资料读取也没有问题，不知道这个现象是怎么出现的。

6、总结

我的总体感觉是，使用这个软件进行立交设计，对我们来说有很好的意义。

一是让我们对道路设计的规范更加熟悉，通过这种实际设计训练，来巩固我们的道路勘测设计所学的一些内容。

二是我们对CAD的操作也更加熟练。

三是虽然我们还是很浅的学习和使用了DICAD软件，但是对于我们今后的学习，尤其是需要去设计院工作，或者在路线方面需要继续深造的同学都是有很大的帮助的。

DICAD软件到现在来说是我接触的唯一一款道路和立交设计的软件，因为没有用过其他的软件，但我觉得它不仅是用于教学还是用于设计都很实用，方便，而且和我们所学的内容相辅相成。虽然说所有东西也都是不可能是完美的，但这也增加了我们对它的期望，希望今后还会有机会用到。