纬地教程

道路三维动态可视化几何设计——纬地三维道路CAD系统教程纬地道路辅助设计系统(HintCADV4.0~5.0)纬地土石方可视化调配系统(TsfDpv1.x)纬地外业手薄中交第一公路勘察设计研究院郭腾峰王蒙2002.6修订道路三维动态可视化几何设计2序道路计算机辅助设计软件的引进、开发和推广使用，在国内已有20余年的历史，在我国公路和城市道路建设中获得了很大的经济和社会效益。纬地道路CAD系统软件是以我国交通部第一公路勘察设计研究院50余年测设实践经验为依托，追求新的设计方法，并吸取国内外同类软件精华的基础上，推陈出新，在更高的层面上由设计一线的工程师自主开发的。它适用于高等级公路设计与城市道路设计，包括互通式立体交叉的设计，也能满足一般等级道路的设计。经过国内多家设计单位的实践使用，效果显著。纬地道路CAD系统软件可以完善建立和运用三维数字地面模型（DTM），在计算机屏幕上实现道路几何设计的动态可视化，其主要特点在于将道路线元结构以“实时拖动技术”轻松确定最佳线形方案，便于实时修改，对互通式立体交叉的线形进行互动设计特别有效。该系统基于DTM与道路设计实体模型的接合，借助3DMAX可以实现动态全景透视图，备作道路设计的安全和景观评价。纬地道路CAD系统软件在DTM的建立和运用、平交口立面设计、土方可视化调配、参数化横断面设计等各方面都有所创新，是国内自主开发的优秀软件。纬地道路CAD系统软件开发完成以来，经V1.0～V4.6版本，不断吸取用户的反馈意见，改进完善，日臻稳定成熟。仍望该软件和教程的用户和读者本着爱护，提供宝贵意见，以便加强软件维护，清除缺点，继续前进。在本书付印之时，我乐于应约写上序言来祝贺本教程的出版。朱照宏2002年8月于同济大学前言传统的道路设计是以传统的测设方法为基础，以简单降维的平、纵、横设计和抽象的经验性组合设计为框架的数字计算与几何制图，其中包含着大量繁琐且重复性的人工计算、制图，计算机辅助设计（CAD）应用于道路设计，最初即是以此为出发点，主要以减少人工计算与制图和提高生产效率为目标。随着计算机图形处理功能的发展和动态可视化技术的日渐成熟，以及GPS、航测、遥感等现代测量技术的应用和普及，道路CAD已逐步发展成为集数据采集与处理、设计、分析、优化于一体的集成化系统，主要表现为基于三维数字地面模型（DTM，以下简称数模）的自动化数据采集过程、实时动态可视化的高效辅助设计过程、三维路线（或全景）透视图检验，以及快速规范的成果文件输出过程。运用现代测量技术采集原始数据并预处理，实际上是道路CAD概念的外延扩展。应该说，今天的道路CAD基本实现了手段先进和过程高效及外业测设内业化的预期。纬地道路辅助设计系统着眼于DTM的应用，在注重设计全过程动态可视化的基础上，强调以动态三维全景透视图仿真来进行道路三维实体设计和动态景观设计，系统地提出了“三维动态可视化”的道路CAD软件设计理念，即开放式多种数据格式接口的DTM应用，基于DTM的实时动态可视化道路平、纵、横设计与土石方调配、基于DTM与道路设计实体模型无缝接合的仿真三维道路实体与景观设计。这一理念在继承发扬国内外同类软件优点的基础上，突破了多数软件专注于减少人工工作量，提高成图效率，使图纸规范而美观等对设计成果而言仅仅是手段性、过程性，甚至是表面性的目标局限。在实现了手段先进与过程高效的同时，可以支持以高速移动的汽车为载体，以人、车、路、环境自然一体为理念的道路交通环境设计、道路建筑美学设计和道路人性化设计，从而大大地提升道路的设计水平，并丰富道路设计的内涵。基于上述理念，纬地软件致力于道路CAD软件中几何设计的三维化、动态化与可视化。第一，采用Delaunay三角化法的三角网数模和多接口、开放式的纬地3D引擎（三维数模核心驱动模块），不仅其接口已包括目前专业测绘单位采用的DWG（或DXF）、DGN或其他多种三维地形数据格式，而且其“纬地３D引擎”采用灵活、严密和具有扩展性的三角网数据结构，并以专门开发的内存优化利用模块，自行使用、释放和管理内存，大大提高了数模处理速度，实破了国内外同类软件对数据量的限制，实现了海量数据处理；而与一般软件利用地形散点构网不同的是，该引擎引进构网时的“约束线”概念，着重考虑处理各种地形特征线信息（如断裂线、山脊线等），使三角网更为细致、准确，真正表达地形变化。如同没有DTM支持的软件不是真正意义上的道路CAD系统一样，没有考虑地形特征线信息的三角构网也不是真正意义上的DTM。同时，“纬地３D引擎”还对平面位置相同点、高程粗差点、废点、断裂线相交、网格边界等数模“瓶颈”问题专门做了处理，确保了引擎工作的快速、高效、稳定；另外系统还充分兼顾目前国内各设计单位的不同情况，全面兼容各种数据采集方式的接入要求；因而纬地三维数模处理功能在速度、精度、容量、稳定性、灵活性等多方面均较同类软件具有较大突破和整体优势。第二，路线平面设计采用独创的三线元捆绑式结构和可组合交点曲线计算模型，而立交线位布设在采用单元法的同时，辅以匝道起终点智能化自动接线计算；基于线型的可移动的“刚体”特性（即线型在移动过程中保持相对稳定的“刚体”形状）和事先指定的条件变化（即以“刚体”的局部一定的自由度为基本条件），以“实时拖动技术”实现道路几何的可视化、动态化，使得用户在瞬息万变的动态线形变化中轻松确定最佳线形方案。在立交的连接部设计中，系统可自动搜索确定连接部位置及宽度变化，批量标注路面高程数据，所以纬地系统是完全融路线与立交设计于一体的。道路三维动态可视化几何设计4第三，基于各项设计的初步设计成果，绘制指定视点的路线线型透视图，可用于简单的路线线型组合设计检验；以全三维真实道路模型（3DROAD）与DTM的无缝结合为基础，可从任意视点和角度浏览道路的全景透视效果，以便局部的道路三维评价和静态景观设计；在全景透视图基础上经3DMAX等动画制作软件渲染，以系统指定的动画路径模拟驾驶员实际驾车状态下的道路全景三维动画，即动态全景透视图，亦可进一步结合实景数字拍照和数字摄像制作更为逼真的多媒体电视片，从而进行高速移动中的道路与景观设计评价。第四，基于传统的平交口立面设计理论和方法，创建FACE板块模型，可在宏观控制各设计参数的条件下，对普通三路、四路及五路，加铺转角式平面交叉口和环形交叉口自动布置FACE板块实现批量处理，也可单独编辑FACE板块以适应环形及设置路缘带、安全岛等特殊平交口的设计。第五，电脑游戏风格的土石方可视化调配系统，以图形化显示各断面土石方数量为界面，用户可在游戏般的鼠标拖放操作中轻松完成土石方纵横向调配，系统则根据用户指定的各种调配计算原则和基本调配方向，自动完成土方分析、精密计算、运量统计和图表输出，用户更可根据工程实际，随意调整经济运距、施工机械组合、松方系统等参数。第六，系统在国内最早结合现行标准和规范建立起路线与立交设计标准数据库，进而开发出方便实用的“设计向导”功能，用户在简单回答软件的一些提问和选择后，系统自动为该项目取用超高、加宽以及填挖方边坡、排水沟等设计控制参数。这一功能不仅从根本上解放了设计人员，而且可以自动根据规范检查一些设计指标。与设计向导功能相比较，系统中其它许多，如：长短链自动处理、桩位坐标表计算、放样计算、估算土方及实时填挖检查等只是纬地软件人性化设计的一些细节体现而已。第七，横断面设计一直是道路几何设计中最为复杂和繁琐的部分之一，也是以往CAD软件发展较为滞后和薄弱的环节。纬地系统采用参数化定制的方法自动判断填挖方情况完成横断面设计、断面计算与绘图，不仅支持常规模式的横断面设计，而且完全适用于高等级公路沟底纵坡设计模式下的横断面“戴帽子”设计。在每一断面的自动设计中，系统均可根据用户指定考虑路槽、左右侧以及顶面超填、清除表土、支挡防护及挖台阶等诸多土方影响因素。特别是系统提供的“横断面修改”功能可在用户对部分断面进行非常规的修改编辑制之后，自动重新搜索计算断面面积并有条件的联动修改土方数据文件（表格）。纬地三维道路CAD系统由中交第一公路勘察设计研究院纬地项目开发组自主研发，系统秉承一公院五十余年公路测设实践的雄厚技术积淀和浑然大器的技术风范，追求全新的道路设计方法和人性化的软件设计理念，同时融入了设计一线工程师求真务实的工程风格，不仅三维、动态、可视化地实现了道路设计从外业测量到土石方计算的“直通”，更为道路人文化移动景观的设计提供了技术平台。作为纯正的国产三维道路软件，纬地软件是在学习、吸取国内外同类软件精华的基础上，以充分适应我国道路设计的标准、规范、图表惯例，和我国道路工程师的一般工作方规为前提条件，完全由设计一线工程师自主开发的，因而软件在每一个细节无不流露出经典的设计院氛围和浓厚的工程师气质。正是基于三维动态可视化的设计理念和对路线与互通立交设计、DTM应用、平交口设计以及土石方可视化调配等的集成，纬地软件不仅支持利用数字地形图直接定线并自动采集纵、横断面数据进而进行道路移动景观设计的高端需求的高等级公路与城市道路设计，更完全满足现场实测定线的低等级道路设计需要。所以，纬地软件自推出在短短的两年时间内，就很快被国内20多家省部级勘察设计单位所认可，并成为其路线与互通立交设计的专用软件；同时他们在被广泛使用的基础上，为软件的改进与完善提出了许多宝贵的意见，使得纬地软件日臻稳定成熟，在此深表谢意。本书仅仅是纬地系统的入门手册，显然难以涵盖其全部的卓越性能，但以此为基础，读者（用户）可在长期的熟练应用过程中，逐渐感受到系统更为丰富的技术内涵和充分发挥的自由空间。本书同时也可作为道路三维动态可视化设计的向导，协助道路工程师进入全新的道路动态景观设计领域。目前纬地软件的主版本是v4.0版，但我们并未就此满足，近期基于数据库核心的纬地挡土墙综合设计系统即将推出，它不仅利用数据库解决了设计中快速绘图并计算圬工数量的需求，更为重要的是，它直接利用路线的平、纵、横基础数据，真正意义上实现了挡土墙的动态布设、计算与出图。由于编者知识和能力有限，本书中难免有错误和不妥之处，请用户和读者指正。编者2002年6月20日道路三维动态可视化几何设计6第一部分纬地道路辅助设计系统教程（HintCADV4.0～5.0）第一部分纬地道路辅助设计系统教程（HintCADV4.0～5.0）3第一章系统主要功能及常规应用步骤1.1系统主要功能1.1.1路线辅助设计（1）平面动态可视化设计与绘图系统沿用传统的导线法（交点法）经典理论，可进行任意组合形式的公路平面线形设计计算和多种模式的反算。用户可在计算机屏幕上交互进行定线及修改设计，在动态拖动修改交点位置、曲线半径、切线长度缓和曲线参数的同时，可以实时监控其交点间距、转角、半径、外距以及曲线间直线段长度等技术参数。在平面设计完成的同时，系统自动完成全线桩号的连续计算和平面绘图。系统支持基于数字化地形图（图像）上的上述功能，同时也可方便地将低等级公路外业期间已经完成的平面线形导入本系统。（2）断面交互式动态拉坡与绘图系统在自动绘制拉坡图的基础上，支持动态交互式完成拉坡与竖曲线设计。用户可实时修改变坡点的位置、标高、竖曲线半径、切线长、外距等参数；对大、中型桥梁等主要纵坡，受控处系统可自动提示控制情况。对于公路改建项目，系统可根据用户需要自行回归纵坡（点）数据。系统支持以“桩号区间”和“批量自动绘图”两种方式绘制任意纵、横比例和精度的纵断面设计图及纵面缩图，自动标注沿线桥、涵等构造物，绘图栏目也可根据用户需要自由取舍定制。以上功能不仅适用于公路主线，同样适用于互通式立交匝道的纵断面设计与绘图。（3）超高、加宽过渡处理及路基设计计算系统支持处理各种加宽、超高方式及其过渡变化，进而完成路基设计与计算、方便、准确地输出路基设计表，可以自动完成该表中平、竖曲线要素栏目的标注。系统在随盘安装的“纬地路线与立交标准设计数据库”的基础上，通过“设计向导”功能自动为项目取用超高和加宽参数，并建立控制数据文件。另外，系统最新版中路基的断面型式（包括城市道路的多板块断面）可由用户随意指定。（