? 一,CAD技术简介
? 计算机辅助设计 （ Computer Aided Design,简称 CAD） 是
近年来工程技术领域中发展最迅速, 最引人注目的高技术之
一 。
? 它将计算机迅速, 准确地处理信息的特点与人类的创造思
维能力及推理判断能力巧妙地结合起来, 为现代设计提供了
理想的手段 。
? 1963年, 美国麻省理工学院 （ MIT） 首次建立 CAD的概念,
四十年来, 随着计算机技术和微电子学的发展, 价格低廉,
性能优良的 CAD软硬件系统得到广泛的应用 。
第十二章 道路路线计算机辅助设计
第一节 概 述
CAD系统的组成, 软件系统
? 硬件系统
? （ 1） CAD软件系统组成：
? 科学计算,包括通用的数学函数和计算程序, 以及在设计中占
有很大比例的常规设计, 优化设计等, 即 CAD的应用软件包 。
? 图形系统,包括几何构型；绘制工程设计图；绘制各种函数曲
线；绘制各种数据表格；在图形显示装置上进行图形变换 （ 即图
形进行平移, 旋转, 对称删除和修改 ） ；以及分析和模拟等 。
? 数据库,包括设计原始资料, 设计标准与规范数据, 中间结果,
最终成果等 。
?（ 2） CAD硬件系统组成：
? 硬件系统的基本配置是由计算机、显示器、打印机及绘图机
四大件组成。
? （ 一 ） 国外道路 CAD的发展概况
? 计算机最初用于道路设计主要是完成繁重的计算任务, 如路
线平面, 纵断面设计计算, 路面结构分析计算等 。
? 从 70年代开始, 随着研究的深入, 西方国家相继进行了纵断
面优化方面的研究与软件研制工作 。
? 在纵断面优化设计技术的基础上, 许多国家对一定宽度范围
内的道路平面线形和空间立体线形的优化技术进行了研究 。
? 随着计算机绘图技术的发展, 从 70年代未开始, 在道路工程
设计中引入了计算机辅助设计 （ CAD） 系统 。 由计算机自动完
成判别和设计计算, 直接提供设计图表 。
二, 国内外道路 CAD的现状与发展
? 目前, 许多国家建立了由航测设备, 计算机和专用软件包形
成的组合系统, 可以完成从数据采集, 建立数学地形模型
（ DTM）, 线形优化和道路平, 纵, 横设计的计算机辅助设计
的全过程, 从而大大提高了道路工程设计的速度和质量 。
（二）我国道路 CAD的应用概况
? 70年代中后期，有关公路科研单位、高等院校和公路测设部
门开始研制与开发道路设计计算与优化程序，并取得了初步成
果。
? 1986年，交通部公路规划设计、东南大学、西安公路交通大
学等开发完成高等级公路综合优化及计算机辅助设计系统 。
? 目前公路路线 CAD辅助设计系统开发已非常普及，应用十分
广泛。
第二节 数字地形模型简介
? 一, 数字地形模型及其道路设计中的应用
? 数字地形模型 （ DigitaI Terrain Model,简称 DTM） 是
按照某种数学模型表达地形特征的数值描述方式 。 它由许多
规则或无规则排列的地形点三维坐标 x,y,z组成 。
? 数字地形模型是路线优化设计的基础, 是道路自动化设计
不可缺少的工具 。 利用数字地形模型进行路线方案比选, 只
需输入少量的设计参数, 计算机按照编好的程序, 自动完成
设计和分析比较工作, 输出全部成果 。
二、数字地形模型的种类
? 1,离散型数字地形模型
? 离散型数字地形模型, 简称散点数模 。 是由随机分布的离散
地形数据构成, 是公路设计中常用的形式之一 。 可通过内插产
生路线设计所需要的纵, 横断面地面线资料 。
? 道路设计中常用二次多项式曲面作为拟合曲面, 计算公式为：
? Z=ax2+bxy+cy2+dx+ey+f
? 2,格网式数字地形模型
?格网式数字地形模型是将路中线左、右一定宽度内的地面划
分成大小相等的方格或长方格，按一定次序读取网格点的高程，
输入计算机而构成的数模。
? 它是用许多平面三角形逼近地形表面, 即将地表面看成是
由许多小三角形干面所组成的折面覆盖起来的, 读取并储
存三角形顶点的三维坐标, 即构成三角网数字地形模型 。
3．三角网式数字地形模型
4．鱼骨式数字地形模型
? 鱼骨式数字地形模型是在路线方案确定以后，沿路线方向
和垂直于路线方向上采集地形点而构成的数字地形模型。
随意鱼骨式数字地形模型
三, 数字地形模型的数据采集
? 数据采集是指选取构造数模的数据点及量取其坐标值的过程,
是建立数字地形模型的基础工作 。
? 1,由数字化仪从已有地形图上采集
? 由数字化仪沿等高线获取地形点坐标, 该条等高线的高程值
则由人工读取 。
? 2,由航测仪器从航空照片上获取
? 任何一种立体测图仪都可以从航空照片上进行数据采集 。
? 3,用电子经纬仪, 全站式速测仪等仪器由人工野外实测获
取 。
第三节 计算机辅助进行路线平纵横设计
? （ 1） 利用数字地形模型进行路线设计
? 自动在数字地形模型支持下, 借助数学方法, 由计算机初定
路线平面位置, 进行优化设计, 根据计算机选择的最优方案和
数模提供的地形资料, 完成整个路线设计工作 。
?（ 2） 人工设计路线, 输入设计数据, 计算机完成计算与成图
? 首先由设计人员确定路线平面位置, 将平面设计资料输入
计算机, 由计算机完成路线平面设计, 输入平面设计方案所对
应的纵, 横断面资料, 由计算机完成整个路线设计 （ 如内业计
算和有关图表的绘制等 ） 。
? 路线方案确定以后, 设计者根据实际地形条件在实地或纸
上确定路线平面线形, 将平面设计资料输入计算机进行处理 。
? 输入数据,交点坐标 （ 或交点桩号及转角 ） ；
? 平曲线半径；
? 平曲线类型；
? 缓和曲线长度 。
? 计算内容,路线里程；
? 平曲线要素；
? 曲线上各特征点的桩号；
? 逐桩坐标 。
一, 路线平面设计
一, 路线平面设计
二、路线纵断面设计
?1．纵断面地面高程的获取
?（ 1） 实地进行路中线水准测量
?（ 2） 纸上定线时在地形图上人工读取中桩高程
? （ 3） 利用建立的带状数模, 计算机进行数模内插, 得到道
路中线上任一点的高程值, 从而获得纵断面地面线 。
? 2,纵断面设计线的确定
? （ 1） 计算机自动产生道路的最优纵断面；
? （ 2） 设计者进行手工拉坡 。
三、道路横断面设计
? 设计步骤：
? （ 1）设计者根据路线所经地区的地形、地质、水文、气候等
条件，归纳可能出现的横断面形式和处理方式，确定各段的标
准设计横断面型式及构造物布置型式。
? （ 2）计算机自动套用标准横断面逐桩进行横断面设计，并可
根据需要显示在屏幕上。设计者可在屏幕上修改不合理的设计
断面。
? （ 3）计算机自动提取已存入修改后的数据，计算土石方工程
数量，并进行土石方调配。
? （ 4）输出横断面设计图和有关图表。
开 始
调平、纵面设计成果
横断面设计及面积计算
屏幕显示检查
满意否
土石方数量计算及调配
绘横断面图
编制设计表
修改横断面
保存修改数据
输入横断面地面线 输入地质资料 定义标准横断面形式
No
Yes
结 束
? 计算机辅助设计 （ Computer Aided Design,简称 CAD） 是
近年来工程技术领域中发展最迅速, 最引人注目的高技术之
一 。
? 它将计算机迅速, 准确地处理信息的特点与人类的创造思
维能力及推理判断能力巧妙地结合起来, 为现代设计提供了
理想的手段 。
? 1963年, 美国麻省理工学院 （ MIT） 首次建立 CAD的概念,
四十年来, 随着计算机技术和微电子学的发展, 价格低廉,
性能优良的 CAD软硬件系统得到广泛的应用 。
第十二章 道路路线计算机辅助设计
第一节 概 述
CAD系统的组成, 软件系统
? 硬件系统
? （ 1） CAD软件系统组成：
? 科学计算,包括通用的数学函数和计算程序, 以及在设计中占
有很大比例的常规设计, 优化设计等, 即 CAD的应用软件包 。
? 图形系统,包括几何构型；绘制工程设计图；绘制各种函数曲
线；绘制各种数据表格；在图形显示装置上进行图形变换 （ 即图
形进行平移, 旋转, 对称删除和修改 ） ；以及分析和模拟等 。
? 数据库,包括设计原始资料, 设计标准与规范数据, 中间结果,
最终成果等 。
?（ 2） CAD硬件系统组成：
? 硬件系统的基本配置是由计算机、显示器、打印机及绘图机
四大件组成。
? （ 一 ） 国外道路 CAD的发展概况
? 计算机最初用于道路设计主要是完成繁重的计算任务, 如路
线平面, 纵断面设计计算, 路面结构分析计算等 。
? 从 70年代开始, 随着研究的深入, 西方国家相继进行了纵断
面优化方面的研究与软件研制工作 。
? 在纵断面优化设计技术的基础上, 许多国家对一定宽度范围
内的道路平面线形和空间立体线形的优化技术进行了研究 。
? 随着计算机绘图技术的发展, 从 70年代未开始, 在道路工程
设计中引入了计算机辅助设计 （ CAD） 系统 。 由计算机自动完
成判别和设计计算, 直接提供设计图表 。
二, 国内外道路 CAD的现状与发展
? 目前, 许多国家建立了由航测设备, 计算机和专用软件包形
成的组合系统, 可以完成从数据采集, 建立数学地形模型
（ DTM）, 线形优化和道路平, 纵, 横设计的计算机辅助设计
的全过程, 从而大大提高了道路工程设计的速度和质量 。
（二）我国道路 CAD的应用概况
? 70年代中后期，有关公路科研单位、高等院校和公路测设部
门开始研制与开发道路设计计算与优化程序，并取得了初步成
果。
? 1986年，交通部公路规划设计、东南大学、西安公路交通大
学等开发完成高等级公路综合优化及计算机辅助设计系统 。
? 目前公路路线 CAD辅助设计系统开发已非常普及，应用十分
广泛。
第二节 数字地形模型简介
? 一, 数字地形模型及其道路设计中的应用
? 数字地形模型 （ DigitaI Terrain Model,简称 DTM） 是
按照某种数学模型表达地形特征的数值描述方式 。 它由许多
规则或无规则排列的地形点三维坐标 x,y,z组成 。
? 数字地形模型是路线优化设计的基础, 是道路自动化设计
不可缺少的工具 。 利用数字地形模型进行路线方案比选, 只
需输入少量的设计参数, 计算机按照编好的程序, 自动完成
设计和分析比较工作, 输出全部成果 。
二、数字地形模型的种类
? 1,离散型数字地形模型
? 离散型数字地形模型, 简称散点数模 。 是由随机分布的离散
地形数据构成, 是公路设计中常用的形式之一 。 可通过内插产
生路线设计所需要的纵, 横断面地面线资料 。
? 道路设计中常用二次多项式曲面作为拟合曲面, 计算公式为：
? Z=ax2+bxy+cy2+dx+ey+f
? 2,格网式数字地形模型
?格网式数字地形模型是将路中线左、右一定宽度内的地面划
分成大小相等的方格或长方格，按一定次序读取网格点的高程，
输入计算机而构成的数模。
? 它是用许多平面三角形逼近地形表面, 即将地表面看成是
由许多小三角形干面所组成的折面覆盖起来的, 读取并储
存三角形顶点的三维坐标, 即构成三角网数字地形模型 。
3．三角网式数字地形模型
4．鱼骨式数字地形模型
? 鱼骨式数字地形模型是在路线方案确定以后，沿路线方向
和垂直于路线方向上采集地形点而构成的数字地形模型。
随意鱼骨式数字地形模型
三, 数字地形模型的数据采集
? 数据采集是指选取构造数模的数据点及量取其坐标值的过程,
是建立数字地形模型的基础工作 。
? 1,由数字化仪从已有地形图上采集
? 由数字化仪沿等高线获取地形点坐标, 该条等高线的高程值
则由人工读取 。
? 2,由航测仪器从航空照片上获取
? 任何一种立体测图仪都可以从航空照片上进行数据采集 。
? 3,用电子经纬仪, 全站式速测仪等仪器由人工野外实测获
取 。
第三节 计算机辅助进行路线平纵横设计
? （ 1） 利用数字地形模型进行路线设计
? 自动在数字地形模型支持下, 借助数学方法, 由计算机初定
路线平面位置, 进行优化设计, 根据计算机选择的最优方案和
数模提供的地形资料, 完成整个路线设计工作 。
?（ 2） 人工设计路线, 输入设计数据, 计算机完成计算与成图
? 首先由设计人员确定路线平面位置, 将平面设计资料输入
计算机, 由计算机完成路线平面设计, 输入平面设计方案所对
应的纵, 横断面资料, 由计算机完成整个路线设计 （ 如内业计
算和有关图表的绘制等 ） 。
? 路线方案确定以后, 设计者根据实际地形条件在实地或纸
上确定路线平面线形, 将平面设计资料输入计算机进行处理 。
? 输入数据,交点坐标 （ 或交点桩号及转角 ） ；
? 平曲线半径；
? 平曲线类型；
? 缓和曲线长度 。
? 计算内容,路线里程；
? 平曲线要素；
? 曲线上各特征点的桩号；
? 逐桩坐标 。
一, 路线平面设计
一, 路线平面设计
二、路线纵断面设计
?1．纵断面地面高程的获取
?（ 1） 实地进行路中线水准测量
?（ 2） 纸上定线时在地形图上人工读取中桩高程
? （ 3） 利用建立的带状数模, 计算机进行数模内插, 得到道
路中线上任一点的高程值, 从而获得纵断面地面线 。
? 2,纵断面设计线的确定
? （ 1） 计算机自动产生道路的最优纵断面；
? （ 2） 设计者进行手工拉坡 。
三、道路横断面设计
? 设计步骤：
? （ 1）设计者根据路线所经地区的地形、地质、水文、气候等
条件，归纳可能出现的横断面形式和处理方式，确定各段的标
准设计横断面型式及构造物布置型式。
? （ 2）计算机自动套用标准横断面逐桩进行横断面设计，并可
根据需要显示在屏幕上。设计者可在屏幕上修改不合理的设计
断面。
? （ 3）计算机自动提取已存入修改后的数据，计算土石方工程
数量，并进行土石方调配。
? （ 4）输出横断面设计图和有关图表。
开 始
调平、纵面设计成果
横断面设计及面积计算
屏幕显示检查
满意否
土石方数量计算及调配
绘横断面图
编制设计表
修改横断面
保存修改数据
输入横断面地面线 输入地质资料 定义标准横断面形式
No
Yes
结 束
