第6章计算机辅助设计及示例教学要点技能要点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。

引例 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-INROADS 系统等。

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<CAD ）是指利用计算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<如C 、FORTRAN 等）和支撑软件<如AutoCAD , MicroStation 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<DTM ）技术；3）进行平、纵、横线形的人机交互设计与修改设计；图6.1 CAD 系统硬件组成 图6.2 系统的组成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<A匝道）平面设计资料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。

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2×3.5m；硬路肩宽2×2.5m；土路肩宽2×0.75m。

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。