淺談國外公路路線計算機(jī)輔助設(shè)計ＣＡＲＤ／１軟件

[摘要]計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)在工程設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，使工程設(shè)計的技術(shù)手段發(fā)生了根本性的變化。在公路設(shè)設(shè)中，計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)在公路勘察設(shè)計中得到了普遍的應(yīng)用，并且CAD技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，公路CAD軟件及其支撐平臺也基本成熟。同時引進(jìn)了國外優(yōu)秀的路線設(shè)計軟件。文章主要介紹德國的CARD／1軟件。

[關(guān)鍵詞]計算機(jī)輔助設(shè)計(cAD)；德國CAtLD／1

[作者簡介]黎小漢，廣西桂東公路管理局工程師，研究方向：公路與橋梁施工、管理和監(jiān)理。廣西梧州。543000

[中圖分類號]TP31

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1007-7723(2009)06-0040-0002

60年前，計算機(jī)在運算方面是罕見的機(jī)械，由一大堆復(fù)雜的齒輪、鈍輪和杠桿組成，笨重、麻煩。第二次世界大戰(zhàn)期間，機(jī)械計算機(jī)被真空管計算機(jī)所代替，但它同樣體積龐大。

1948年，美國貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，于是計算機(jī)的命運發(fā)生了轉(zhuǎn)折。今天，數(shù)千萬個晶體管可以被集裝于一塊只有指甲蓋大小的區(qū)域內(nèi)，人們的生活、工作方式發(fā)生著巨大變化。

公路路線計算機(jī)輔助設(shè)計(cAD)就是人類在公路路線設(shè)計“智能”的延伸及發(fā)展。公路CAD技術(shù)作為從事公路行業(yè)的必備知識，是設(shè)計人員從事公路勘察設(shè)計工作的一項基本工具。我國在自主研發(fā)CAD技術(shù)軟件的同時，也積極引進(jìn)國外同類技術(shù)及產(chǎn)品，如目前國際上使用最多且較為先進(jìn)的就是德國的CARD／1軟件。

一、德國CARD／1的特點

德國IBSlT有限公司出品的CARD／1軟件系統(tǒng)是一款道路(公路和鐵路)勘測設(shè)計一體化軟件系統(tǒng)。CARD／1軟件系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于測繪、道路、鐵路(磁懸浮列車)和管道的規(guī)劃、設(shè)計和施工。目前，CARD／1系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到8，0版本，除德文版外，還被譯成英文版、中文版、俄文版、波蘭文版和匈牙利文版。

(一)高度集成

CARD／l覆蓋測繪、道路、鐵路、管道設(shè)計及施工的全過程。CARD／1是不依賴于其他軟件(除操作系統(tǒng)外)就可完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、設(shè)計、繪圖全過程的軟件系統(tǒng)。使用該軟件，數(shù)據(jù)可在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部高效傳遞，避免了不同軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的煩瑣和出錯的可能性。

(二)全面開放

可接受不同來源的數(shù)據(jù)：已有的平、縱、橫斷面地面線及設(shè)計資料；全站儀數(shù)據(jù)；航測數(shù)據(jù)；C-PS數(shù)據(jù)；既有圖掃描數(shù)據(jù)；激光測量儀數(shù)據(jù)和其他軟件數(shù)據(jù)。軟件提供有國內(nèi)常用道路工程設(shè)計軟件數(shù)據(jù)接口，使設(shè)計單位各專業(yè)間的協(xié)同工作方便、快捷。因此，設(shè)計人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)、資料和圖片。繪圖控制文件和表格生成程序以源代碼方式提供給用戶，滿足用戶的個性化需求，并可進(jìn)行國際招標(biāo)文件的編制，有利于我國設(shè)計單位參與國際項目的招投標(biāo)和競爭。CARD／l為用戶提供常用的橫斷面設(shè)計源程序，可用于整體式、分離式和臺階式路基設(shè)計及截排水溝和擋墻的設(shè)計等。

(三)設(shè)計與繪圖分開

CARD／1的工作過程將設(shè)計與繪圖分開，設(shè)計時只顯示與設(shè)計相關(guān)的信息，設(shè)計完成后可通過控制文件產(chǎn)生所需的繪圖，設(shè)計過程將永久保留。設(shè)計調(diào)整后，通過繪圖控制文件可對繪圖進(jìn)行及時刷新，無需刪除原來的圖形。

(四)智能化與個性化

CARD／1系統(tǒng)基于數(shù)字地面模型，融合了許多模擬、回歸分析、自動設(shè)計等智能化功能，可使設(shè)計者的方案更優(yōu)、更合理。CARD／1為工程師提供了充分發(fā)揮自己智慧和才能的強(qiáng)有力工具，設(shè)計者可以按自己的想法設(shè)計和出圖。

(五)功能精細(xì)可靠

經(jīng)過多年的使用，CARD／1已得到了廣大用戶的普遍認(rèn)可。CARD／1整個系統(tǒng)有大小功能1000多項，能滿足公路、市政道路和鐵路設(shè)計各階段的各種要求，其中包括高速鐵路和磁懸浮列車軌道設(shè)計。

(六)設(shè)計思想先進(jìn)

CARD／1采用了實用的全站儀野外數(shù)據(jù)采集、建立地面模型進(jìn)行道路設(shè)計的思想和方法，它可使復(fù)雜條件下的多方案比選設(shè)計更加方便，使設(shè)計的合理性和效率顯著提高。

CARD／1路線設(shè)計方面采用的是曲線法，其兼容傳統(tǒng)的積木法和交點法設(shè)計思想，它可以使設(shè)計者合理、快速、靈活、方便地達(dá)到設(shè)計目的。

二、德國CARD／1軟件的主要功能

(一)測繪領(lǐng)域

完成測繪工作的三大模塊為測量模塊、地形圖處理模塊及數(shù)字地面模型處理模塊。三個模塊相互配合、集中處理測量數(shù)據(jù)，構(gòu)成了一個完整的數(shù)字地圖管理數(shù)據(jù)庫，能夠生成多種工程領(lǐng)域所需的地形圖。

1，測量模塊

以圖形交互方式進(jìn)行工程測量計算，負(fù)責(zé)傳輸處理野外勘測數(shù)據(jù)完成勘測中最基本的工作。它包含的主要處理程序有以下幾方面。

(1)放樣程序——根據(jù)已有的點位及測站坐標(biāo)計算放樣參數(shù)。

(2)定向及高程傳遞程序——用一個或幾個聯(lián)測點的角度、距離計算出被聯(lián)測點的三維坐標(biāo)。

(3)基本元素計算程序——根據(jù)弧上兩點計算弧的圓心、弧長等基本元素的垂直坐標(biāo)，計算各邊形或圓的面積，計算兩點之間的斜距和水平距離。

(4)后方交會程序——進(jìn)行后方交會計算。

(5)前方交會程序——進(jìn)行前方交會計算。

2，地形圖處理模塊

建立并管理CARD／1數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫，為CARD／1系統(tǒng)其他模塊的基礎(chǔ)。該模塊與測量模塊在內(nèi)部交換數(shù)據(jù)，建立點、線數(shù)據(jù)庫。地形圖中等高線來源于數(shù)字地面模型(三角網(wǎng))，等高線間距密度可任意選定，并可進(jìn)行光滑計算，等高線的標(biāo)注也較為方便。模塊還提供了既有地形圖處理功能，它可接收各種比例的光柵掃描圖，計算處理后自動跟蹤線條，矢量化成為CARD／1數(shù)字地圖。如果需要還可與數(shù)模交換數(shù)據(jù)，形成數(shù)字地面模型，計算出新的等高線。

3，數(shù)字地面模型模塊

建立、處理三角網(wǎng)數(shù)字地面模型，進(jìn)行工程量計算。該模塊為地形圖處理模塊提供等高線計算基礎(chǔ)，具有地面高程內(nèi)插計算功能，能為設(shè)計模塊提供路線的縱斷面與橫斷面地面線。

CARD／1數(shù)字地面模型的處理是開放的，它能夠接收設(shè)計數(shù)據(jù)，形成含有設(shè)計道路的數(shù)字地面模型。

(二)道路設(shè)計領(lǐng)域

在該領(lǐng)域中，軟件以三維數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進(jìn)行道路的三維設(shè)計。模塊與基本測繪模塊的有機(jī)結(jié)合，使得設(shè)計者能夠利用CARD／1系統(tǒng)在數(shù)字化地圖上進(jìn)行道路設(shè)計。

CARD／l系統(tǒng)將道路設(shè)計所需的各種平面線形、縱斷面坡度組合、橫斷面形式、超高方式等設(shè)計要素歸納為符合設(shè)計習(xí)慣和思維的“設(shè)計目標(biāo)”概念，進(jìn)行目標(biāo)化設(shè)計，而不是單純的繪制線、點等幾何圖素。設(shè)計完成后，CARD／1系統(tǒng)能夠自動繪出所需任意比例的平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖。再一次修改設(shè)計或增加路線方案時，不需手工修改繪圖，CARD／1系統(tǒng)能方便地重新自動生成新的設(shè)計圖紙。

(三)鐵路設(shè)計領(lǐng)域

鐵路設(shè)計模塊除包括道路設(shè)計模塊的全部功能外，還針對鐵路設(shè)計的具體情況，增加了更多適合鐵路設(shè)計的功能，主要是鐵路線形設(shè)計模塊和道岔設(shè)計模塊。

1_鐵路線形設(shè)計模塊

緩和曲線段的線形不但有常規(guī)的回旋線、三次拋物線、擺線和圓曲線，還增設(shè)了適合于高速鐵路動力學(xué)特性的多種高次曲線線形，如雙扭曲線、四次曲線、正弦曲線等。

2，道岔設(shè)計模塊

可方便、自動地在道岔數(shù)據(jù)庫中選用各種類型道岔，也可建立本國化的道岔數(shù)據(jù)庫，以適應(yīng)各自國家的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。該模塊結(jié)合數(shù)字化地面模型模塊及地形圖處理模塊可進(jìn)行復(fù)雜的站場設(shè)計。此外，靈活的線形計算功能配合強(qiáng)大的橫斷面開發(fā)功能，可很好地進(jìn)行鐵路復(fù)線設(shè)計及既有線改造工程。

(四)給排水管網(wǎng)設(shè)計領(lǐng)域

CARD／l系統(tǒng)可同時進(jìn)行20余種不同類型的污水、雨水計算，并有能力處理多達(dá)30000余個管線給水網(wǎng)絡(luò)的水力平差計算，容許每個網(wǎng)絡(luò)中具有1 000多個專門用水單位。軟件可進(jìn)行管網(wǎng)平面圖設(shè)計，自動或交互式布置管線、檢查井、雨水口等，并由程序自動鏈接，需要時可提取各種比例尺的節(jié)點大樣圖。

CARD／l系統(tǒng)的道路、鐵路、管網(wǎng)設(shè)計功能，針對不同專業(yè)性質(zhì)，充分歸納了各領(lǐng)域主要工程設(shè)計思路，與基本測繪功能結(jié)合，形成了一套實用、方便、設(shè)計靈活的勘測設(shè)計一體化軟件系統(tǒng)。

三、結(jié)語

目前，我國在公路路線CAD軟件的研發(fā)和使用方面已經(jīng)取得了很大的成果，并得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，如中交第一公路勘察設(shè)計研究院立德公司的緯地(HimCAD)軟件、東南大學(xué)李方軟件公司的EICAD軟件、中交第二公路勘察設(shè)計院的BID-RoM軟件等，但與引進(jìn)的德國的CARD／1軟件相比，在設(shè)計理念、設(shè)計技術(shù)、設(shè)計功能等方面仍有較大的差距。我國同行如何做好引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，未來的路還任重而道遠(yuǎn)。