道路CAD系列軟件在道路勘測設(shè)計課程中的教學(xué)實(shí)踐

涂圣文 趙振華 鄧夢雪 王冰

[摘要]為在道路勘測設(shè)計課程教學(xué)中有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，課題組提出了進(jìn)行道路CAD系列軟件講授的教學(xué)思路。道路CAD系列軟件的教學(xué)分為三個階段，分別為入門階段的道路CAD軟件的認(rèn)識教學(xué)和道路主要設(shè)計流程教學(xué)，加強(qiáng)階段的道路幾何設(shè)計所有模塊的計算機(jī)輔助設(shè)計方法教學(xué)，提升階段的虛擬現(xiàn)實(shí)、BIM等新技術(shù)軟件教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)安排能循序漸進(jìn)、全面培養(yǎng)道橋?qū)I(yè)學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力，能顯著縮短道橋?qū)I(yè)畢業(yè)生適應(yīng)社會生產(chǎn)的時間，是道路勘測設(shè)計課程教學(xué)有效的改革方向。

[關(guān)鍵詞]道路勘測設(shè)計;道路CAD;虛擬現(xiàn)實(shí);BIM

[中圖分類號]G642

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）03-0046-03

道路勘測設(shè)計是道橋?qū)I(yè)一門重要的必修課程。道路設(shè)計可分為線形設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分，本課程主要講授線形設(shè)計部分，通過該課程的教學(xué)，使學(xué)生達(dá)到掌握路線設(shè)計理論與方法的目的，能獨(dú)立完成道路勘測與平面、縱斷面、橫斷面設(shè)計工作，初步具備從事道路路線勘察設(shè)計的能力。

與道橋?qū)I(yè)其他專業(yè)課程相比，道路勘測設(shè)計課程對學(xué)生的實(shí)踐能力要求更高，即在掌握課程基本理論和基本方法的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生還應(yīng)具有一定解決實(shí)際道路設(shè)計問題的能力。為在道路勘測設(shè)計課程教學(xué)中有效培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，不少教育工作者在該課程的教學(xué)中進(jìn)行了實(shí)踐性教學(xué)的改革與探索，其主要方法集中在案例教學(xué)、課程設(shè)計、課程實(shí)習(xí)等方面。

筆者從2005年開始從事道路勘測設(shè)計的課程教學(xué)，在該課程多年的教學(xué)實(shí)踐中，注重結(jié)合道路CAD軟件的講解和實(shí)操訓(xùn)練來培養(yǎng)學(xué)生在道路設(shè)計方面的實(shí)踐能力，現(xiàn)就該課程的教學(xué)實(shí)踐談一談自己的心得體會。

一、道路CAD技術(shù)發(fā)展概述

計算機(jī)技術(shù)于20世紀(jì)60年代開始應(yīng)用于道路勘測設(shè)計網(wǎng)，起初主要輔助道路設(shè)計過程中的重復(fù)計算問題，如英國的HOPS程序系統(tǒng)和德國的EPOS程序系統(tǒng)的應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代開始，隨著計算機(jī)繪圖功能的開發(fā)，圖形軟件的逐漸完善，工程設(shè)計中大量圖紙的繪制逐步由計算機(jī)完成，道路CAD系統(tǒng)功能不斷完善，逐步走向?qū)嵱秒A段。到20世紀(jì)80年代，道路CAD系統(tǒng)發(fā)展更加成熟，并逐步走向系統(tǒng)化、集成化、商品化，在人機(jī)交互、可視化技術(shù)等方面有了很大的發(fā)展，具有交互能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、使用靈活方便等突出優(yōu)點(diǎn)，如德國的CARD/1、英國的MOSS和美國Intergraph公司的Inroads等系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代至今的二三十年以來，計算機(jī)硬件技術(shù)與軟件技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，虛擬現(xiàn)實(shí)、BIM等新技術(shù)在土木行業(yè)中的深度應(yīng)用使得道路CAD軟件發(fā)展進(jìn)入了一個全新的時代，道路設(shè)計自動化程度愈加增強(qiáng)，設(shè)計成果的可視化展示手段愈加豐富，專業(yè)之間協(xié)同化工作效率得到提高，道路設(shè)計軟件系統(tǒng)功能也愈加強(qiáng)大。德國的CARD/1系統(tǒng)在三維地形處理、三維協(xié)同設(shè)計和三維可視化方面做得更加出色，日本Forum8公司推出了面向虛擬仿真的UC-win/Road系統(tǒng)，美國Bentley收購Intergraph后，逐漸推出了面向三維設(shè)計和BIM技術(shù)的Power InRoads系統(tǒng)（包括面向中國市場的Power Civil for China），Autodesk公司則基于AutoCAD平臺推出了道路BIM設(shè)計軟件Civil 3D。

我國道路CAD研究始于20世紀(jì)70年代后期，雖起步較晚，但經(jīng)過三四十年的發(fā)展，我國道路設(shè)計單位大多在不同程度上已使用了CAD技術(shù)，把道路CAD技術(shù)作為做好工程設(shè)計的重要手段。目前我國設(shè)計單位使用廣泛的道路CAD系統(tǒng)主要有中交一公院的緯地道路輔助設(shè)計系統(tǒng)（HintCAD）、中交二公院的公路與互通立交集成CAD系統(tǒng)（JSL-Road）、東南大學(xué)的動態(tài)交互式道路及互通式立交系統(tǒng)（DICAD、EICAD）、西安海地公司的海地公路優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)（Hard）、鴻業(yè)公司的鴻業(yè)市政道路設(shè)計軟件（HY-SZDL）以及天正公司的天正市政道路軟件（TDL）等。近年來，隨著BIM技術(shù)應(yīng)用的逐漸成熟，道路CAD軟件公司也開始發(fā)布基于BIM技術(shù)的道路設(shè)計軟件，如鴻業(yè)公司推出的路立得（Roadleader）軟件系統(tǒng)。

二、道路勘測設(shè)計課程對學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力要求

在道橋?qū)I(yè)課程體系中，主要的專業(yè)課由道路勘測設(shè)計、路基路面工程、橋梁工程、基礎(chǔ)工程等課程組成。其中道路勘測設(shè)計課程主要講授道路幾何線形勘測設(shè)計的基本理論和基本方法，包括道路的平面設(shè)計、縱斷面設(shè)計、橫斷面設(shè)計、選線和定線、平面交叉和立體交叉等內(nèi)容。在我國公路勘察設(shè)計生產(chǎn)部門的組織架構(gòu)中，一般都是按路線、路基路面、橋涵、隧道、交通工程及造價等專業(yè)來進(jìn)行設(shè)計人員的分工組織。在這些專業(yè)中，路線專業(yè)是工作任務(wù)最重的專業(yè)之一。路線專業(yè)的設(shè)計人員不僅要完成道路的幾何線形設(shè)計，而且往往要扮演項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或項(xiàng)目總體的角色，來統(tǒng)籌、協(xié)調(diào)其他專業(yè)設(shè)計人員的工作。道路勘測設(shè)計是培養(yǎng)路線設(shè)計人員基本理論和基本技能最主要的專業(yè)課程。

我國《公路工程基本建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計文件編制辦法》規(guī)定，公路工程項(xiàng)目設(shè)計文件的第一篇“總體設(shè)計”、第二篇“路線”、第七篇“路線交叉”全部文件和第四篇“路基、路面”中部分文件均需要由路線專業(yè)人員來完成。道路工程項(xiàng)目往往時間緊任務(wù)重，傳統(tǒng)的手工繪圖方法已無法滿足項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)度要求，20多年前國內(nèi)道路設(shè)計單位開始廣泛使用道路CAD軟件來輔助道路工程勘測設(shè)計。

為適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展對道橋?qū)I(yè)畢業(yè)生的能力要求，實(shí)現(xiàn)道路勘測設(shè)計課程對路線專業(yè)人員職業(yè)技能的培養(yǎng)目標(biāo)，在道路勘測設(shè)計課程教學(xué)中，需要學(xué)生掌握的計算機(jī)應(yīng)用技能主要包括以下幾個方面：

（1）電子地形數(shù)據(jù)的處理、建模與分析能力;

（2）道路平面、縱斷面及橫斷面的設(shè)計與出圖能力;

（3）道路交叉口平面設(shè)計、豎向設(shè)計及出圖能力;

（4）道路工程土石方計算與調(diào)配技能;

（5）道路交通標(biāo)志、標(biāo)線設(shè)計能力;

（6）道路三維建模、虛擬仿真與BIM建模能力。

三、道路CAD系列軟件教學(xué)設(shè)計

根據(jù)道路勘測設(shè)計課程對學(xué)生計算機(jī)應(yīng)用能力的要求，以及國內(nèi)外道路CAD系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，在多年教學(xué)實(shí)踐中，筆者結(jié)合道路勘測設(shè)計課程教學(xué)、課程設(shè)計，各類科技競賽，以及畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，將道路CAD軟件教學(xué)分為三個階段來進(jìn)行，以下分別予以詳述。

第一階段為入門階段，主要結(jié)合道路勘測設(shè)計課程的教學(xué)過程，讓學(xué)生初步認(rèn)識道路CAD軟件，掌握運(yùn)用道路CAD軟件進(jìn)行路線平面、縱斷面、橫斷面設(shè)計的主要流程。一般在道路勘測設(shè)計課程開設(shè)之前，學(xué)生已修完工程制圖及計算機(jī)繪圖等課程，道路勘測設(shè)計課程教學(xué)中，在講授完教材基礎(chǔ)理論后，可逐漸向?qū)W生介紹道路CAD軟件系統(tǒng)。此階段道路CAD軟件的教學(xué)內(nèi)容主要包括兩個方面：一方面是道路CAD軟件工作機(jī)制的講解，即向?qū)W生講解目前國內(nèi)主要道路CAD軟件一般均是基于AutoCAD平臺二次開發(fā)的產(chǎn)物，是常規(guī)AutoCAD功能在道路專業(yè)的定制產(chǎn)品。同時，還需講解常用道路CAD軟件在數(shù)據(jù)文件、圖形文件的存儲及協(xié)作機(jī)制，讓學(xué)生了解道路CAD軟件實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計和圖紙繪制的過程。另一方面的教學(xué)內(nèi)容是結(jié)合適用于初學(xué)者學(xué)習(xí)的緯地道路輔助設(shè)計系統(tǒng)，向?qū)W生講解道路平面、縱斷面和橫斷面設(shè)計的操作方法。

第二階段為加強(qiáng)階段，在學(xué)生具備一定道路CAD軟件使用技能的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生全面掌握其他常用道路CAD軟件系統(tǒng)的使用，全面掌握道路幾何設(shè)計所有模塊的計算機(jī)輔助設(shè)計方法。在道路勘測設(shè)計課程教學(xué)之后的課程設(shè)計階段，以及道路方向?qū)W生畢業(yè)設(shè)計階段，給學(xué)生講解另幾款國內(nèi)設(shè)計院廣泛使用的道路CAD軟件系統(tǒng)：EICAD軟件、鴻業(yè)市政道路設(shè)計軟件（HY-SZDL）、緯地工程土石方調(diào)配系統(tǒng)、鴻業(yè)交通設(shè)施設(shè)計軟件。與緯地軟件相比，EICAD軟件除了在公路設(shè)計部門使用外，也廣泛應(yīng)用于城市道路設(shè)計中。同時，EI-ACD軟件還是國內(nèi)互通式立交設(shè)計的主流軟件。但EI-CAD軟件學(xué)習(xí)要難一些，需要學(xué)生具備一定的軟件使用基礎(chǔ)。鴻業(yè)軟件則主要適用于城市道路設(shè)計，是國內(nèi)城市道路設(shè)計市場占有率最高的軟件。緯地工程土石方調(diào)配系統(tǒng)和鴻業(yè)交通設(shè)施設(shè)計系統(tǒng)分別屬于緯地軟件的土石方調(diào)配模塊與鴻業(yè)軟件的交通工程設(shè)計模塊。在學(xué)生對緯地軟件基本功能掌握的基礎(chǔ)上，選擇上述軟件加強(qiáng)學(xué)習(xí)，全面掌握道路工程設(shè)計中數(shù)字地面模型建立、道路平縱橫設(shè)計、路基土石方計算調(diào)配、平交口設(shè)計、交通標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計的基本技能和方法，能有效提高學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力，使學(xué)生更加適應(yīng)社會生產(chǎn)的全面性能力的要求。

第三階段為提升性教學(xué)，通過上述兩階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)能運(yùn)用道路CAD軟件完成道路設(shè)計中絕大部分工作，畢業(yè)后也能很快適應(yīng)設(shè)計院的工作。但近幾年信息技術(shù)的飛速發(fā)展，使得道路工程計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了不少新的技術(shù)產(chǎn)品，這些新技術(shù)已經(jīng)或即將深入影響道路工程的設(shè)計過程，其中比較有代表性的是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和BIM技術(shù)。在教學(xué)實(shí)踐中，主要結(jié)合各類科技競賽的機(jī)會，選擇興趣濃、基礎(chǔ)好、學(xué)有余力的學(xué)生，結(jié)合科技競賽選題，學(xué)習(xí)這些新技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用方面，主要選擇日本Forum8公司的UC-win/Road系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，該軟件為道路規(guī)劃設(shè)計提供了最新手段。使用該軟件，設(shè)計人員無須任何三維動畫制作經(jīng)驗(yàn)，只需通過簡單的操作，就能建立道路及其環(huán)境的3D模型，并實(shí)時進(jìn)行VR駕駛模擬。通過內(nèi)嵌的各專業(yè)模塊，能在設(shè)計階段形象進(jìn)行道路交通模擬、交通安全評價、機(jī)動車油耗及排放物分析、噪音模擬與評估等工作，便于直觀修改及優(yōu)化道路設(shè)計方案。BIM技術(shù)應(yīng)用方面，選擇Autodesk Civil 3D軟件和鴻業(yè)路立得（Roadleader）軟件進(jìn)行教學(xué)。Autodesk Civil 3D軟件是Autodesk公司為基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域用戶打造的一款重要的BIM解決方案和設(shè)計工具平臺，它的出現(xiàn)對傳統(tǒng)的土木工程設(shè)計不啻為一場顛覆性的變革，即以圖紙為核心的設(shè)計，必將會被Autodesk Civil 3D這種以模型為核心的設(shè)計所取代。Autodesk Civil 3D軟件教學(xué)中，首先是把握該軟件與傳統(tǒng)道路CAD軟件的不同點(diǎn)進(jìn)行講授，比如道路平面、縱斷面、橫斷面設(shè)計采用傳統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計有何不同，新的道路裝配、部件概念，道路整體模型的建立方法與用途等內(nèi)容。其次是要讓學(xué)生深入理解這類基于BIM思想的軟件在三維動態(tài)設(shè)計、專業(yè)協(xié)同工作方面的新亮點(diǎn)。不過，由于Autodesk Civil 3D軟件是Autodesk推出的國際化軟件，要按我國設(shè)計規(guī)范和制圖標(biāo)準(zhǔn)完成實(shí)際項(xiàng)目并不方便，因此學(xué)習(xí)該軟件主要是學(xué)BIM思想。近年來，我國鴻業(yè)軟件公司基于Autodesk Civil 3D平臺進(jìn)行二次開發(fā)，推出了適合我國設(shè)計規(guī)范和出圖標(biāo)準(zhǔn)的路立得（Roadleader）軟件。在學(xué)生掌握Autodesk Civil 3D建模思想后，接著結(jié)合實(shí)際設(shè)計項(xiàng)目講授路立得軟件操作方法，能很快讓學(xué)生掌握這種基于BIM技術(shù)的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

以上三個階段相關(guān)的教學(xué)目的、教學(xué)軟件系統(tǒng)及教學(xué)時機(jī)安排見表1所示。

四、結(jié)語

（1）道路勘測設(shè)計課程對道橋?qū)I(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力要求很高，在掌握課程基本理論和基本方法的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生還應(yīng)具有一定解決實(shí)際道路設(shè)計問題的能力。

（2）根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)踐，提出了在道路勘測設(shè)計課程教學(xué)和其他環(huán)節(jié)中，分三階段進(jìn)行道路CAD系列軟件講授的教學(xué)思路。

（3）歷屆畢業(yè)生就業(yè)反饋信息表明，該教學(xué)安排能循序漸進(jìn)、全面培養(yǎng)道橋?qū)I(yè)學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力，能顯著縮短道橋?qū)I(yè)畢業(yè)生適應(yīng)社會生產(chǎn)的時間。

[責(zé)任編輯：鐘嵐]