计算机辅助设计方案及示例.docx

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计算机辅助设计方案及示例

第6章计算机辅助设计及示例

知识要点

掌握程度

相关知识

基本概念

（1＞掌握计算机辅助设计的内涵；

（2＞掌握平面、纵断面和横断面设计模块；

（3＞掌握挡土墙、涵洞和土石方调配模块。

（1＞了解计算机辅助设计所需软件系

统；

（2＞了解计算机辅助设计所需硬件系统和专业软件。

平交和立交设

计示例

（1＞掌握平交设计方法及软件应用；

（2＞掌握立交设计方法及软件应用；

（3＞了解平交设计所需图表；

（4＞了解立交设计所需图表。

（1＞专业应用软件操作知识；

（2＞平交口设计方法及图表；

（3＞立交设计方法及图表。

■技能要点3

技能要点

掌握程度

应用方向

平交设计示例

（1＞掌握平交口设计方法；

（2＞掌握应用软件的使用

（1＞平交口或交通岛设计。

立交设计示例

（1＞掌握立交设计方法；

（2＞掌握Autocad及应用软件应用；

（3＞了解立交设计所需的图表。

（1＞立交设计；

（2＞Autocad及应用软件应用。

《y基本槪念

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。

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。

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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

BROADS系统等。

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个人资料整理_仅限学习使用_

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。

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6.1.2道路辅助设计系统的组成

计算机辅助设计

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<女口C、FORTRAN等）和支撑软件<如AutoCAD,Micro

Station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。

RTCrpUDGiT6.1.3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。

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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：

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<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。

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<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。

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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

3）进行平、纵、横线形的人机交互设计与修改设计；

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

表6.1主线中线坐标表

序号

里程

X坐标

Y坐标

1

K0+448.765

X=3338783.145285

Y=35540264.886281

2

K0+500

X=3338732.448071

Y=35540272.291857

3

K0+542.739

X=3338690.157712

Y=35540278.469404

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

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。

表6.2被交线中线坐标表

序号

里程

X坐标

Y坐标

1

K0+000

X=3338732.448071

Y=35540272.291857

2

K0+049.067

X=3338750.642548

Y=35540317.861334

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2X3.5m;硬路肩宽2X2.5m;土路肩宽2X0.75m。

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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。

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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。

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<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。

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可采用纬地平交口设计软件进行设计，方法如下：

1路拱的设置，选择路拱的形式和坡度；

2创建平交口模型，依次选择路脊线、边线和平交口范围；

3进行等高线设置和标注设置；

4输入特征点的高程，然后输出等高线，平交竖向设计完成。

<4）设计成果

根据以上的原始资料和设计方法，绘制出该三路交叉口的平面设计图和高程设计图,

6.4。

图6.4平交口等高线设计图

6.3.1喇叭型立交概述

个人资料整理_仅限学习使用

6.3立交设计示例

意图

图6.624.5M高速公路横断面

图6.8对向分隔双车道匝道横断面

图6.710M二级公路横断面

图6.98.5M单车道匝道横断面

3）设计要点

图6.5所示为喇叭型立交设计图，设计要点如下：

<1）首先设计A匝道，注意A匝道同主线Zi斜交的角度，如果地形有限，斜交角度可以小点，这时A

匝道小环道往往形成卵型或多心复曲线，斜交角度较大时，可采用单圆型曲线，但占地面积相对较大。

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<2）注意B匝道与A匝道小环道的偏移，同时注意A、B匝道在此位置分岔。

<3）注意加速车道和减速车道偏移值不同。

<4）注意纵断面设计过程中，分流鼻前的纵坡保持同主线一致，分流鼻后匝道变坡点同分流鼻保持一定距离，竖曲线不能超过分流鼻的位置。

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6.3.2立交平面线形设计

1.主线、被交线线形设计

主线、被交线的资料通常是正在设计中或已建成的公路，对于前者路线线形资料直接提取，对于后者路线线形资料相对缺乏，但借助于AutoCAD和纬地软件，可以恢复主线、被交线的线形资料，具体如下：

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1）旧路或已建成公路可以测量道路中线的坐标和标高资料，选择设计-平面拟合功能，可以获得相应的

公路平面线形数据。

选择设计-纵断面优化/拟合功能，可以获得相应公路纵断面设计数据。

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2）正在设计的道路可以选择设计-主线平面设计功能，输入相应的路线交点，在对话框输入相应的半径

和缓和曲线参数值，即可恢复主线、被交线线位资料。

同时可以获得相应纵断面数据。

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3）已有数字设计图件，但无路线设计的交点数据，可选择设计-立交平面设计，结合AutoCAD修剪功

能，分段拾取主线、被交线的线位数据。

结合纵断面优化/拟合功能可获得纵断面数据。

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4）重新主、被交线平面设计，可选择设计-主线平面设计功能，设计相应的主线、被交线平面线形数据和纵断面设计数据。

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本例采用第3种方法获得某立交主线、被交线平面和纵断面设计数据。

在该互通式立交范围内，主线处于直线-平曲线段，平曲骊半径R=1000m，缓和曲线参数A=400m。

主

线在立交范围的起点里程为Z1K86+700.000，终点为Z1K87+891.530。

被交线为两平曲线加直线，两平曲线

半径分别为R1=140m、R2=80m。

立交在被交线的设计起点为Z2K0+500.000。

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2.变速车道和辅助车道

该立交单车道加速车道采用平行式，减速车道采用直接式。

变速车道的长度和出入口渐变率根据主线的计算行车速度得到的计算值与规范的规定值比较，取其大

者，具体数据如表6.4所示。

C、D匝道与A匝道相交的加减速车道因车速相差不大，未按表内数据设计。

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表6.4变速车道长度及分流鼻半径指标

变速车道类别

主线设计速度

（km/h〉

变速车道长度

（m>

渐变率

（1/m>

渐变段长度

（m>

主线硬路肩或其加宽后的宽度C（m>

分、汇流鼻

端半径**r

（m>

分流鼻处匝道左侧硬路肩

加宽C2（m>

A-Z1

加速

80

180

一（1/40>

70（160>

2.5

0.6（0.75>

B-Z1

减速

80

110

1/20

80

3.0

0.60

0.80

C-Z1

减速

80

110

1/20

80

3.0

0.60

0.80

C-A

加速

60

155

—（1/35>

60（140>

2.5

0.6（0.70>

D-A

减速

60

95

1/17.5

70

3.0

0.60

0.70

D-Z1

加速

80

180

一（1/40>

70（160>

2.5

0.6（0,75>

3.匝道线形设计

喇叭型立交中A匝道设计是关键，B、C、D匝道的设计有待A匝道设计的数据，因此通常喇叭型立交中A匝道最先设计。

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1）A匝道线形设计

通常对A匝道采用两种方法来进行设计，第一种是将A匝道作为整体设计，在分岔处将小环道曲线偏

移一定距离，然后接乙高速公路，分岔前A匝道采用对向分隔双车道，分岔后采用单车道匝道。

第二种是

将A匝道从分岔处分为两匝道来设计。

第一种方法相对直观，整体性好，本例采用前一种方法进行设计。

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A匝道的起点位于被交线，而A匝道往往跨越主线，因此尽量在跨线部分设计为直线或较简单的曲线，

进入分岔处，A匝道分为A、B匝道，设计中心将发生偏移值，同时A匝道与Z!

主线间为加速车道，因而

A匝道接线位置为主线最外侧的附加车道的中心线，本例具体数据如下：

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根据单向匝道、双向匝道与主线的标准横断面，小环道起终点应位于如下两偏置线上：

双向匝道设计线偏置值=1.0/2+0.5+3.50/2=2.75m

主线偏置值=2.0/2+0.5+2X3.75+0.5+3.50/2=11.25m

A匝道与主线Z1的加速车道长度按我国《公路路线设计规范》11.3.7条规定：

“变速车道为单车道时，

减速车道宜采用直接式，加速车道宜采用平行式。

变速车道为双车道时，加、减速车道均应采用直接式。

”因此A匝道分流鼻端后段匝道进入高速公路时按平行式加速车道设计，如表6.4所示。

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在纬地设计中，A匝道设计可以采用如下方法：

＜1）采用立交平面设计方法，确定A匝道在被交线上的桩号位置和方位角，然后开始设计其他线形；

＜2）采用AutoCAD画好A匝道的示意图，采用设计-主线平面设计＜图6.10）选择交点位置并设计好相应线形数据，保存后进入立交平面设计。

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本例采用第二种方法进行设计，进入设计-立交平面设计时，注意将控制-线元连续勾选，随后分别设计

线位＜图6.11）＜本例采用圆-缓-圆的卵型线组合，也可以采用二心或三心复曲线组合或单圆型组合），分别

操作前，首先看接线的对象，该处接线的对象是一段圆弧，而终点接线方式主要有七种，即：

不接线、圆+缓+圆＜卵

缓+圆＜S

型）、圆+缓+

直、直+缓+圆、圆+直、圆+圆。

本例选择圆

+缓+圆＜卵型）＜图6.12），先用AutoCAD偏移工具将接线对象

偏移11.25m，将拖动的勾勾选在直线段，然后拾取偏移有圆弧＜注意，如是直线的话，注意拾取的方向同车

道行驶的方向一致）。

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实施拖动操作，随鼠标的移动，A匝道的线形在不断变化，当线形合适时松开鼠标，然后测试，输入A

值，本例输入A=80，最后点接结束接线＜图），保存即可＜图6.13）。

A匝道基本设计完毕，但A匝道与B

匝道分岔的位置尚未最后确定，待B匝道设计完后再确定。

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2）B匝道线形设计

B匝道的设计相对简单。

起点为减速车道，偏移位置为主线外侧车道的中心线位置，终点接A匝道分岔

处，其偏置值如下：

WwghWvVhPE

根据单向匝道、双向匝道与主线的标准横断面，B匝道起终点应位于如下两偏置线上：

双向匝道设计线偏置值=1.0/2+0.5+3.50/2=2.75m

主线偏置值=2.0/2+0.5+3.75+3.75/2=7.125m

B匝道减速车道长度如表6.4所示。

在纬地设计中，选择设计-立交平面设计，采用文件控制_2＜注意起点方式有四种，即：

两点直线、点加

方位角、文件控制_1＜两点直线加文件控制）和文件控制_2＜点加方位角加文件控制））。

输入分流角度，从

《公路路线设计规范》11.3.7-3表获知，主线设计速度80km/h，相应的减速单车道渐变率1/20，换算为

0.05。

随后随意取Z1主线的桩号＜注意在拖动接线的过程中确定具体位置），文件选择相应主线设计文件＜

本例为Z1.pm），分别设计第一段和二段线形＜因本例Z1主线位置为直线，因此第一段线形为直线段，第二

段线形为缓和曲线＜如果主线为圆曲线的话，则第一段应为圆曲线，圆曲线半径取决于主线的圆曲线半径加

减偏置值））＜图6.14）。

但设计的线形必须满足减速车道的长度要求，从《公路路线设计规范》11.3.7-3表

知，单车道减速车道渐变段长度80m,变速车道长度110m，通过搜索端部的命令，可行该减速车道长度满

足规范要求否，如不满足，可修改第一、二段的长度直至满足为止。

考虑到线形情况，本例B匝道圆曲线半

径取200m＜图6.15）。

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准备接线，在接线前将A匝道接线部位的圆曲线用AutoCAD偏移工具偏移2.50m＜图），因接线的对象

是圆弧，本例B匝道终点接线方式选择圆+缓+缓+圆＜S型），拖动对象不用选择，即为拖动整条线形。

点实时拖动操作，至适合的位置松开鼠标即可，测试，输入A=100，点结束接线，保存即可＜图6.16）。

至此B

匝道设计完成。

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但是A、B匝道不是在同一位置分岔，这样有必要重新调整A匝道分岔处的位置。

重新加载A匝道线

位，以B匝道的终点为基础，将A匝道的85m圆弧部分多余的部分剪去，然后点工具-查询单元，获得圆弧

剪切后的实际长度＜图6.17），将实际长度复制粘贴到相应位置，计算显示，发现圆弧后偏置段发生移动，删除第二缓和曲线后的线位，重新接线，勾选第二缓和曲线，选择圆+缓+圆＜卵型）接线方式，拖动接线，

测试，输入A=80，点结束接线，这样A匝道线形重新调整完全毕，可以看到A、B匝道在分流鼻处偏移的