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1、西安建筑科技大学硕士学位论文公路路线计算机辅助设计系统研究与开发专业:建筑与土木工程研究生:张明导师:童申家赵根田摘要 计算机辅助设计(C A D)技术作为 2 0世纪的重大技术成就之一，深刻地影响着 一 今工业和各个工程领域，并为各行各业带来巨大的经济效益和社会效益。在工程勘察设计行业，传统的手工方法正逐步地被现代化C A D技术所取代。它将计算机迅速、准确地处理信息和数据的特点与工程技术人员的创造思维能力和推理判断能力有机地结合起来，为工程勘察设计提供了理想的手段和工具。本文讨论公路路线计算机辅助设计系统的研究与开发问题，分析了公路路线设计的流程和步骤，着重讨论了在公路路线勘测设计过程中有
2、关路线平面、纵断面和横断面的设计理论和计算方法，介绍了在公路路线设计中一些具体问题的处理方法，如卵形曲线的计算方法、平曲 线超高过渡的计算方法、坐标变换与计算、线形透视图绘制等问 题，编制完成了实用的公路路线辅助设计程序。计算机算法的研究是程序设计的关键内 容，因此，本文的内容以 讨论各种几何要素计算的数学模型和计算机算法为主，对于计算机软件工程方面的问题，如系统结构、r 编 程 技 术 与 技 巧、数 据 结 构 与 数 据 传 输 等 问 题 未 作 更 深 入 的 探 讨 和 介 绍，程 序 设 计 的指导思想亦将能够实现预期的计算、绘图功能作为基本要求，从软件工程角度来看，尚不够完善和
3、成熟。本系统中路线平面设计模型仍采用我国传统的基于导线的平面设计方法，即直线型定线方法，或称为导线法，目 前国内大多数设计部门仍采用这种方法进行设计。导线法简单易行、易于掌握，便于为一般的公路路线设计人员所接受和使用。实用程序以目 前应用最广泛的P C机和Wi n d o w s 操作系统作为系统平台，编程语言采用V i s u a lB A S I C 6.0，设计图 表绘制在A u t o C A D R 1 4 中完成。程序开发过程中，共编写源程序代码 1.1万余行，并通过了系统调试、编译，本程序可完成各等级公路路线平面、纵断面、横断面的主要设计计算工作，绘制各类设计图表，以及土石方数量
4、计算等内容，经实际测试表明，系统具有较强的实用性。关键词:公路路线平面纵断面横断面计算机辅助设计一-些追塑兰 丝 些题生 鲤一竺 一 一一_ 一 _ _R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t o n H i g h w a y R o u t e C A D S y s t e mS p e c i a l t y:C i v i l E n g i n e e r i n g Na me:Z HANG Yu eI n s t r u c t o r:T O N G S h e n 一 i s Z H A O G e n-t i a nABS T
5、 R AC T T h e c o m p u t e r-a i d e d d e s i gn(C A D)s y s t e m i s r e g a r d e d a s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n ta c h i e v e m e n t o f t h e 2 0 t h c e n t u r y i n t h e m o d e rn t e c h n o l o g y,w h i c h a ff e c t s t o d a y s i n d u s t r ya n d a l l t h e e n
6、 g i n e e r i n g f i e l d s g r e a t l y,a n d b r i n g s e n o r m o u s s o c i a l a n d e c o n o m i c b e n e f i t s t oa l l t r a d e s.A m o n g t h e r e a l m o f e n g i n e e r in g i n v e s t i g a t i o n,t h e t r a d i t i o n a l m a n u a l m e t h o d s a r eb e i n g r e
7、p l a c e d b y t h e C A D t e c h n i q u e s g r a d u a l l y.T h e m o s t r e m a r k a b l e c h a r a c t e r o f t h ec o m p u t e r i s t h a t i t c a n p r o c e s s i n f o r m a t i o n a n d d a t a a c c u r a t e l y a n d q u i c k l y.T h e C A Dt e c h n i q u e c o m b i n e s
8、t h i s a d v a n t a g e o f t h e c o m p u te r w i t h m a n s c r e a t i v i t y a n d t h e c a p a c i t yo f r e a s o n i n g a n d j u d g i n g e ff e c t i v e l y.T h u s,i t c a n p r o v i d e e n g i n e e r i n g i n v e s t i g a t i o n d e s i g nw i t h i d e a l m e a n s a n
9、d m e t h o d s.A s a c o n s e q u e n c e,a v e r y m u c h w i d e r r a n g e o f a p p l i c a t i o n sb e c o m e s s u i t a b l e f o r c o m p u t e r-a i d e d d e s i gn a n d t h e r e s e e m s l i t t l e d o u b t t h a t t h ee n g i n e e r i n g w i l l b e a b l e t o t a k e i n
10、 c r e a s i n g a d v a n t a g e o f t h i s v a l u a b l e d e s i gn t o o l i n t h ef u t u r e.T h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o n h i g h w a y rou t e C A D s y s t e m,a n a l y z e s t h e p r o c e s s a n d t h e m e t h o d o f h i
11、 g h w a y a l i g n m e n t d e s i gn,e x p o u n d s d e s i gn t h e o r ya n d c a l c u l a t i n g m e t h o d o n p l a n e s e c t i o n,I o n 颐 t u d i n a l s e c t i o n a n d c r o s s s e c t i o n,a n di n t r o d u c e s t h e s o l u t i o n t o s o m e c o n c r e t e p r o b l e m
12、 o c c u r r i n g d u r i n g t h e h i g h w a y r o u t e d e s i gn,s u c h a s o v a l c u r v e s c a l c u l a t i n g m e t h o d,t h e h o r i z o n t a l c u r v e s s u p e r e l e v a t i o n t r a n s i t io n,c oo r d i n a t e s t r a n s f o r m a t i o n a n d c a l c u l a t i o n,
13、a n d a l i g n m e n t s p e r s p e c t i v e d r a w i n g.C o n s i d e r in ga l l t h e s e r e s p e c t s,t h e p r a c t i c a l h i g h w a y ro u t e C A D s y s t e m h a v e b e e n c o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y.T h e r e s e a r c h o f c o m p u t e r a l g o r i t h m i s
14、th e e s s e n c e o f t h e p r o g r a m m i n g d e s i g n.T h e r e f o r e,t h e m a i n c o n c e rn o f t h i s p a p e r i s t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l a n d t h e c o m p u t e ra l g o r i t h m o f t h e v a r i o u s g e o m e t r y e l e m e n t s.A s f o r t h e p r o b l
15、 e m o f c o m p u t e r s o f t w a r ee n g i n e e r i n g,s u c h a s s y s t e m s t r u c t u r e,p r o gr a m m i n g s k i l l,d a t a s t r u c t u r e a n d d a t at r a n s m i s s i o n,n o t h i n g m u c h i s m e n t i o n e d i n t h i s t h e s i s.T h e g u i d i n g i d e o l o g
16、y o fp r o g r a m m i n g c a n r e a l i z e t h e e x p e c t e d c a l c u l a t i n g a n d d r a w in g f u n c t i o n.F r o m t h e a n g l e o fs o f t w a r e e n g i n e e r i n g,t h e r e i s s t i l l m u c h r o o m f o r i m p r o v e m e n t A t p r e s e n t,t h e p l a n e d e s i
17、 gn m o d e l w e a d o p t e d i s b a s e d o n t r a v e r s e m e t h o d,atr a d i t i o n a l w a y,w h i c h i s s t i l l i n p r a c t i c e i n t h e m a j o r i t y o f t h e d o m e s t i c d e s i g n d e p a r t m e n ts.一 一一 一 R 2 R f4 I 丝全 皿 主 兰 竺 丝 份 _ _T r a v e r s e m e t h o d i
18、 s s i m p l e a n d e a s y t o m a s t e r b y t h e h i g h w a y d e s i g n e r.T h e p r o g r a m u s e st h e m o s t e x t e n s i v e P C a n d w i n d o w s o p e r a t io n s y s t e m a s i t s s y s t e m p l a t f o r m,a n d t h ep r o g r a m m i n g l a n g u a g e i s b a s e d o
19、n V i s u a l B a s i c 6.0,t h e d r a w i n g a n d t a b l e o f t h e d e s i g n i sa c c o m p l i s h e d u n d e r t h e e n v i r o n m e n t o f t h e A u t o C A D R 1 4.T h e r e a r e a b o u t 1 1,0 0 0 r o w ss o u r c e p r o g r a m c o d e c o m p i l e d d u r i n g t h e c o u r
20、s e o f p r o g r a m d e v e l o p m e n t,a n d t h e s e s o u r c ec o d e s h a v e b e e n d e b u g g e d a n d t r a n s l a t e d b y s y s t e m.T h e p r o g r a m c a n a c c o m p l i s h t h e m a j o rd e s i g n c a l c u l a t i o n o f t h e P l a n e s e c t i o n,l o n g i t u d
21、i n a l s e c t i o n,c r o s s s e c t i o n o f v a r i o u s c l a s sh i g h w a y s;i t a l s o c a n d r a w v a r i o u s k i n d o f d e s i g n d r a w i n g a n d t a b l e,a s w e l l a s t h ec a l c u l a t i o n o f e a r t h a n d s t o n e v o l u m e.T h r o u g h t e s t,t h e s y
22、s t e m p r o v e s t o b e p r a c t i c a l.K e y w o r d s:H i g h w a y r o u t e,P l a n e s e c t i o n,L o n g i t u d i n a l s e c t i o n,C r o s s s e c t i o nC o m p u t e r-a i d e d d e s i g n丫 3 4 1.5 宁 0声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或
23、撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位己申 请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论 文 作 者 签 名:独明日期:2 0 0 4/0.2 平关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。(保密的论文在论文解密后应遵守此规定)论 文 作 者 签 名:1-明 导 师 签 名:切扔 日 期:脚
24、 丫 d,2注:请将此页附在论文首页一.一 皇鲤兰生 丝 岁 一 醚 堂 些 主 全 裹二_ _ _.一 1.概述1.1研究的目的意义 近年来，随着我国经济建设的飞速发展，公路建设也进入了快速发展的阶段。经济的发展，对公路建设无论从数量上还是从质量上都提出了更高的要求。公路建设的发展，对公路设计质量的要求也进一步提高。公路本身是一种三维带状的空间结构物，在设计过程中要进行路线几何设计和路基、路面、桥涵、隧道、排水及防护 t 程等工程实体的结构设计等两大部分的工作。路线几何设计主要研究作为空间结构物的道路的各个几何组成要素之间的相互关系，及其与道路使用者、车辆、环境之间的相互关系，设计过程中既要
25、分别考虑道路平面、纵断面、横断面的几何特性，又要综合考虑各几何组成的有机结合。路线几何设计质量的好坏，直接影响到汽车行驶能否安全、舒适、快捷，也影响到公路的造价、与周围环境的协调以及公路各个组成部分工程实体的设计，因此，路线线形设计在整个公路设计过程中占有非常重要的地位。路线设计中，需要进行大量的数值计算，并通过绘制大量的设计图表来反映设计成果。虽然对于常规的设计来讲，其计算工作的难度并不大，但由于工作量巨 大，使得设计人员被困于繁复的简单劳动中，而不能花更多的精力用于路线方案的比较与优化，导致路线设计的整体质量不高，而且设计周期较长。另一方面，随着对道路线形设计要求的不断提高和测设技术及手段
26、的不断发 展，传统的、常规的设计理论和方法己 不能适应道路线形质量进一步提高的需求，一些新的设计理论和方法不断提出，设计计算的难度越来越大，计算精度要求也进一步提高，路线勘测设计的方法和手段也在逐步更新。近年来，以信息技术为代表的应用技术 群，如C A D(C o m p u t e r A i d e d D e s i g n),航测、遥感、G P S(G l o b a l P o s i t i o n i n g S y s t e m),D T M(D i g i t a l T e r r a i n M o d e l),G I S(G e o g r a p h i c I
27、n f o r m a t i o n S y s t e m)等技术逐 步应用于公路勘测、设计、施工、运营管理等领域，带来了革命性的变革。目前，C A D技术方兴未艾，它是促进科研成果的开发和转化、实现智能劳动自 动化、提高工程设计的技术水平、降低消耗、缩短科研和工程建设周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段;而公路设计过程中，需要进行繁杂的数值计算以及大量的施工图表的绘制等工作，与C A D技术的有机结合，是提高设计水平的有效途径。1 9 6 3 年，美国麻省理工学院(MI T)首次建立了C A D的概念，4 0 年来，随着计算机技术的发展，价格低廉、性能优良的C A D软硬件系统广泛应用于
28、航空、电子、机械及土木工程等各个领域。在道路工程方面，许多国家己建立了由航测设备、计算机和专用软件包形成的组合系统，可以完成数据采集、建立D T M、方案选择和全部设计文件的编制与设计图纸的绘制等全部工作，从而大大提高了 道路工程设计的 速度和质量，较著名的有美国L o u i s B e r e g e r公司的E S P A D D系统、英国的MO S S(现为MX R o a d)系统、德国C A R D h系统等。我国公路部门应用计算机起步较晚，始于2 0世纪7 0 年代中后期，近3 0 年来，国内有关高等院拉、西安建筑科技大学硕士学位论文设计和科研单位相继研制开发了很多道路 C A
29、D系统，较著名的有东南大学的I C A D系统、西安海德公司的H E A。系统等1 3.2 3.2 5)。总体来讲，目 前国内的道路C A D系统各具特色，各种系统的应用有较强的地域性，有些系统与使用单位的测设习惯、设备和技术条件不符，或不能完全适应复杂多变的测设环境，对于中小型的设计部门，由于技术、经济、实用性等方面的原因，C A I)技术的应用尚未达到普及的程度。本文的研究目 的，在于针对工程实际，对公路路线设计中有关问题的设计理论和实用算法进行一些基础应用方面的研究，同时从实用角度出发，开发具有自 主版权、功能相对齐全、实用的公路路线辅助设计程序。在程序开发过程中，借鉴了目前国内一些新的
30、关于设计理论和计算方法的研究成果，结合作者在多年公路勘测设计第一线工作实践中对公路路线设计理论与方法研究的结果和实践经验的总结与体会，应用计算机技术，解决路线设计中平面、纵断面、横断面设计计算、工程数量计算、设计图表绘制等具体问题。所开发的应用程序，可直接应用于公路工程设计，特别适合中小型设计单位采用常规设计方法进行公路路线设计，本程序可完成较复杂的 平面线形设计，提高计算精度，一定程度上提高线形设计质量、缩短设计周期，为设计单位提供一套实用的设计工具。同时，本程序也可用于大中专院 校有关课程的 教学过程，通过教学演示，直观地展示路线设计的步骤和方法、以及路线设计的主要成果。1.2研究的主要内
31、容 公路路线设计中，包括外业勘测过程中路线测量数据计算(平曲 线设计计算、逐桩坐标计算、纵断面高程计算等内容)，内业设计过程中平面线形、纵断面线形、横断面布置及各几何要素组合设计等内容，以及设计图 表的绘制和工程量计算等工作，除了路线设计本身的工作如纵坡设计、高程计算、超高及加宽设计等以外，还与路基、路面、桥涵、隧道、排水与防护等工程实体的设计密切相关。本文着重讨论在公路路线勘测设计过程中 有关路线平面、纵断面和横断面的设计理论和计算方法，介绍了在公路路线设计中一些具体问题的处理方法，主要是作者在公路勘测设计工作实践中的部分研究结果和实践经验的总结与体会，在设计中己 广泛应用的、成熟的或常规的
32、设计方法，相关文献己作了详细的阐述，并且为广大工程技术人员所熟知，本文不再赘述。在总结、引用相关算法的基础上，编制实用的公路路线辅助设计程序。对于计算机软件工程方面的问题，如系统结构、编程技术与技巧、数据结构与数据传输等问题未作更深入的探讨和介绍，程序设计的指导思想亦将能够实现预期的计算、绘图功能作为基本要求，因此，从软件工程角度来看，尚不够完善和成熟。在设计理论和实用算法方面，主要研究了以下几个问题:(I)、坐标变换与计算:在路线设计和程序编制过程中，存在大量的坐标变换和坐标计算的问题，如计算平曲线部分的逐桩坐标，首先要计算出曲线上各中桩在路线局部坐标系中西安建筑科技大学硕士学位论文的坐标，
33、然后通过坐标变换计算出在整体坐标系中的坐标;在横断面设计中，地面线与设计线数据的输入、填挖面积计算等也是通过建立相应的坐标系实现的;显示和绘制路线透视图时，要经过多次坐标变换，将物点反映在图像坐标系中;将设计成果绘制成设计图表或显示于屏幕时，也需要将实际坐标经过平移、旋转、比例缩放等坐标变换，转化到图形坐标系或屏幕坐标系中。关于坐标计算和坐标变换的问题，本文未列出专题进行讨论，只是在下文所述相关问 题中 作了 相应的介绍。坐标 变换的通用算法在文献2 3.2 s.2 7 1 中有较为详细的 介绍 C 2)、基本型曲线的设计计算方法:对称基本型曲线是路线平面设计中应用最多的线形组合方式，其计算方
34、法在相关文献中有详细介绍，并且为公路工程技术人员所熟悉。本文将非对称基本型曲线的设计计算方法列为专题讨论，一方面是由于它作为基本型曲线的通用形式，比对称基本型曲线的应用更加灵活，另一方面，其设计计算方法也是本文所采用的其他线形组合计算方法的理论依据和基本方法。C 3)、导线法布设卵形曲线的计算方法:导线法是我国目前应用较多的平面线形定线方法，虽然这种方法存在着难以充分合理运用圆曲线和缓和曲线、难以处理复杂多变的几何线形、难以 满足地形地物约束条 件等弱点 1 6 1，而最 终将被曲 线型定线方法所取 代，但由 于它简单易行，易于掌握，便于一般设计人员接受和使用，而且与常规测设方法相适应，因此，
35、在今后相当长的一段时间，仍将作为公路设计，特别是低等级公路设计的主要方法。卵形曲 线是避免同向断背曲线时常用的线形组合方式，但计算方法比较复杂，而且传统方法计算精度较低，限 制了其在路线设计中的 应用。本文详细分析了 采用导线法布线条件下双圆 卵形曲线的几何模型、实用算法和适用条件，并通过计算机实现了卵形曲线的高精度计算。在工程实际中，卵形曲线中间回旋线的测量定线和施工放样也是较难处理的问题，本文从完整回 旋线的计算方法出发，解决了卵形曲线中间回旋 线(不完整回旋线)的 逐桩坐标计算问题，为测量定线和施工放样提供方便。4)、其它平面线形组合的 实用计算方 法:简要介绍了 程序中 所采用的虚交曲
36、 线、凸 形曲线、S形曲线、C形曲线、回头曲线等线形组合方式的计算方法。(5)、平 曲线超高过渡的非线性计算方法:超高过渡计算是路线设计的重要内容，在实际设计中，由于各平曲线的设计参数不断变化，造成超高过渡段长度、渐变率等指标亦需要不断调整，本文 分析了超高过渡计算的通用算法，而且考虑最小渐变率的 要求，采用非 线性的过渡方法，由程序根据具体情况自动判别，采用不同的过渡段长度、渐变率等指标进行计算。C 6),程序中横断面设计、路线透视图采用的算法:简要介绍在实用程序编制过程中，进行横断面设计、显示和绘制路线透视图所采用计算方法和数学模型。1 3公路路线辅助设计程序的主要功能 已编制完成的公路路
37、线辅助设计程序，可完成绝大部分路线设计计算和设计图表绘制功西安建筑科技大学硕士学位论文一.-一.一，户 一.一.一.烤 一曰 一 岭一一能，程序设计分为两大部分:设计计算部分和图形处理部分。1.3.1设计计算 (1)、平面设计 平面线形设计:完成各种常见线形组合的计算功能，包括基本型曲 线、虚交曲线、复曲线、卵形曲线、S形曲线、C形曲线、凸形曲线、回头曲线的设计，线形要素计算及逐桩坐标计算。平曲线超高、加宽值设置:程序内置了现行路线设计规范建议或规定的超高、加宽值指标同，平面设计完成后，可自 动生成相应的数据文件，供后续计算调用，必要时，该数据文件可手工修改。(2)、纵断面设计 纵坡设计及竖曲
38、线参数设置由人工完成，将设计参数输入计算机后，由程序进行纵坡坡度、竖曲线要素、逐桩设计高程及填挖高度计算。由于标准横断面的路幅部分可事先定义，在程序设计时，为便于编程，将属于横断面设计内容的平曲线超高、加宽计算放入本部分，在计算纵断面的同时，计算超高和加宽:由程序根据超高坡度和超高过渡段长度自 动选择按线性或非线性方式进行超高过渡计算，并计算横断面各特征点设计高程。根据公路的等级按照规范要求采用直线比例过渡或抛物线形过渡方 法 计 算 第 一、二、三 类 加 宽 3.4 1 (3),横断面设计 根据边沟及排水沟设计、边坡设计以 及标准横断面，进行横断面计算(俗称“戴帽子”)，计算各横断面填挖面
39、积、土石方数量、占地宽度和面积。本程序可在屏幕上显示逐桩横断面设计图形，供检查原始数据、设计结果以及调整有关设计参数使用。(4),测量断链处理 在测设过程中，由于工作失误或路线局部改线等多种原因，会造成测量断链的出现。断链的出现，会给路线平、纵、横设计带来很多麻烦，应尽量避免。但在实际工作中有时又是不可避免的，本系统提供断链自动处理功能，以简化设计过程。(5)、线形组合检验 路线各几何要素的组合是否合理，将对驾驶员的心理和视觉感受带来很大的影响，因而直接影响到交通安全，因此，在公路线形设计过程中，不仅要考虑自 然条件、汽车行驶力学的要求，还要把驾驶人员在心理和视觉上的反应作为重要因素来考虑，所
40、以在线形设计过程中要对线形组合情况进行检验，并及时进行调整、优化，以免在公路建成后留下安全隐患视觉检验和评价的主要手段就是通过透视图来分析线形组合效果。本程序可完成线形透视图的显示和绘制功能。虽然对于设计车速较低的低等级公路，规范并不要求必须进行透视图检-一一 一 一 一-一 些 皇 1丝 型 斐 奎 生 皇 翌 立 垄 竺一一 一一一一 _ _验 1 但 充 分 利 用 本 功 能 可 以 在 很 大 程 度 上 避 免 设 计 过 程 中 平、纵 面 线 形 的 不良 组 合，从 而 进一步提高线形设计质量。1.3.2图形处理 工 程 设 计的 最 终 结 果 是 设 计图 表，路 线 设
41、 计的 图 表 种 类 繁 多，而 且 数 量 较 大，本 程 序 主要完成以下图表的绘制工作:(1)、设计图 纸:路 线 平面图 、路 线纵 断 面图 、路 基横断 面图 、路线 透视图 、公路用地图。2)、计算 表格:直 线、曲 线 及转 角 表、纵 坡 及竖曲 线表 、总 里 程 及断 链桩 号 表、逐 桩 坐 标 表、路 基 设 计 表 、断 面 高 程 表 (一 级以 上 公 路 使 用)、土 石 方 数 量计 算 表、占地宽度及面积表。详细内容请参阅附录:公路路线辅助设计程序使用说明。一一 一 丝鳗塑堡芝鲤生 兰 丝 宝 _ _ _ _ _ 2.程序流程与算法 实用程序以目 前应用
42、最广泛的P C机和Wi n d o w s 9 8/2 0 0 0 操作系统作为系统平台，编程语言采用V i s u a l B A S I C 6.0，设计图表绘制在A u t o C A D R 1 4 中完成。程序开发过程中，共编写源程序代码 1.】万余行，通过系统调试、编译，经实际测试表明，系统具有较强的实用性2.1程序整体工作流程 在公路路线辅助设计程序的编制过程中，为了与用户的设计习惯相吻合，应用的步骤基本与常规的勘测设计过程相一致，程序整体工作流程如图2.1 所示。开始输入程序所需的各种数据，建立相应的数据文件平面设计与计算纵断面计算横断面计算调整设计参数 优化设计线形透视图一
43、一 一 平纵面线形组合检验Ye s是否需要调整平、纵面线形组合方式，或修改 有关设计参数 告 N o输出路线设计成果(图表)结束 图2.1程序整体工作流程 需要说明的是，利用程序进行路线设计的关键是正确地建立数据文件，本程序提供独立的输入数据文件的模块，可完成大部分原始数据文件的建立工作。在平、纵、横各部分计算过程中，要输出部分设计成果、图表，以便进行设计检查，同时将产生一些中间计算结果，亦以数据文件的方式存储，供其它设计模块调用。数据文件的具体格式以及各计算模块与数-一一 一.里塑塑 鲤垫董 玺夔里塑一一一 _一据文件的关系请参阅附录:公路路线辅助设计程序使用说明。各计算模块的内部工作流程在
44、下文中示出。2.2平面设计 在公路设计中，一般程序是先确定路线平面，然后分别进行纵断面和横断面设计，本系统亦遵循这种方法。而平面设计的过程，从路线方案选择、定线到具体的平面线形要素设计都要充分地考虑纵、横断面的布置和桥涵、排水、防护等构造物的设置情况以及与周围环境的相互协调。对于传统的设计方法，就路线设计而言，在某种意义上，平面线形的布设决定了路线纵断面和横断面的设置，因而平面设计的质量将直接影响到后续纵断面和横断面设计的质量，并最终影响到整个空间线形的设计质量，所以其作用和地位就显得非常重要。在本文中，平面线形设计也是重点研究的内容，因为篇幅较多，具体的计算方法在后续章节中进行讨论。2.2.
45、1平面设计系统的任务 根据测设阶段和数据采集方式的不同，平面设计可分为实地定线和纸上定线两种方法。采用实地定线时，路线导线和各种线形要素直线、圆曲线、缓和曲线已通过外业测量敷设于实地，各设计参数均已 确定，因此，平面设计系统的任务只需将有关数据输入计算机，验算各线形要素和控制点位置。采用纸上定线时，平面设计系统的任务是:路线导线计算，人机交互设计线形要素，推算控制点桩号。不论采用何种方法，定线都是前提工作，也是最关键和最复杂的工作，需要由工程师根据规划意图，结合实际地形、地物、地质、水文等自然条件和其它社会经济条件综合协调，最后确定路线位置。定线所涉及的因素多且复杂，需要由工程师来做出决策，即
46、由人工完成。目 前平面线形智能化设计和优化以及采用三维空间线形设计的方法尚 处于研究开发和完善阶段，因 此，目 前公路平面计算机辅助设计的 任务主要还是利用计算机快 速计算来 取代人工繁 重的 计算与绘图 工 作(23.2 习，本文中 程序设计也是以此为出发点的。2.2.2平面设计流程 平面设计的流程与工作方法有直接的关系，因此其流程也可分为实地定线和纸上定线两种情况，两者主要区别在于数据收集的方式不同，反映在程序系统中则为输入数据的不同，而后续的 计算内容基本上是相同的 2 5 1，平面设计的工作流程见图2.2.一一一一一一一 一 噢鑫 携 鲤竺彝铡生赳塑主开始纸上定线实地定线 输入路线导线
47、资料(距离、偏角，或坐标)输入交点资料及平曲线设计参数平曲线设计、计算推算各控制点桩号验算平曲线要素修改设计参数断链处理(如有)局部重新定线，或纸上移线检验平面线形No是否满足要求No 十Y e s设定各平曲线超高、加宽值计算或输入交点坐标计算逐桩坐标(必要时)输出平面设计成果结束图2.2平面设计流程西安建筑科技大学硕士学位论文2.3纵断面设计2 3.1纵断面地面高程的获取 根据平面设计方法的不同，纵断面地面线数据的采集方法亦有所不同。如果采用实地定线，则纵断面地面高程主要通过对公路中桩进行水准测量获得;如果采用纸上定线，可通过人工根据纸上定线结果在大比例尺地形图上读取中桩高程。上述方法是纵断
48、面数据采集的传统方法。更先进的方法，可先建立D T M，由系统根据适当的算法进行高程内插，从而得到中线上各点的地面高程。由于本文未讨论D T M，同时系统不支持D T M，因而仍采用传统的方法。2.3.2纵断面线形设计 平面线形确定后，如何让计算机自 动产生最优的纵断面，一直是研究人员和工程技术人员感兴趣的问题，国内外有关部门也进行了大量的研究，并获得了初步成果，但仍需要人工给 出 初 始 方 案(i2(目 前，国内多数C A D系统仍采用人工方法设计纵断面，通常是由 计算机将输入的纵断面地面高程资料处理后，在屏幕上显示或由绘图仪绘制纵断面地面线图，由工程师设计纵坡设置竖曲 线计算参数，并将有
49、关设计参数输入计算机，由 计算机程序完成纵坡计算、竖曲线计算以及设计高程、填挖高度计算等内容，输出设计图表。本文亦采用这种方法，考虑到在屏幕上显示纵断面地面线不如以图纸方式输出直观，因而在程序中设置了输出 外业纵断面图的模块，供设计人员试坡使用。当然，在纵断面设计过程中，设计人员要根据规范的要求，结合公路的等级、设计车速、沿线地形、地质、水文等自 然条件，综合考虑筑路材料、工程造价、桥涵、防护、排水等构造物的布置以及平纵面配合等多种因素，来合理地确定路线的纵断面，要求设计者有较高的业务水平和丰富的设计经验，这部分工作主要由人工来完成，本文不作过多的讨论。2.3.3 纵断面设计流程 本程序中纵断
50、面设计流程见图2.3 0西安建筑科技大学硕士学位论文开始输入纵断面地面线资料读取平面设计计算结果数据输出纵断面地面线图人工设计纵坡、设置竖曲线，并将设计信息输入计算机修改设计参数计算纵坡坡度及竖曲线要素断链处理(如有)按技术规范检查纵面指标N0是否满足要求 奋Y e s输出纵坡及竖曲线设计成果定义路幅布置形式计算逐桩设计高程、填挖高度、超高、加宽输出纵断面设计图表结束图2.3纵断面设计流程西安建筑科技大学硕士学位论文2.4横断面设计 路线设计中，横断面设计工作非常繁琐，难度不大，但都是重复性的工作，如横断面面积计算、土石方数量计算、绘制横断面图等。利用计算机辅助设计，既可提高设计速度，_又可提