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《公路勘察设计一体化系统开发与应用研究》

项目名称：	《公路勘察设计一体化系统开发与应用研究》
摘要：	《公路勘察设计一体化系统开发与应用研究》课题是交通厅2007年下达的2007—19号“交通科技发展项目技术任务书”的科研项目。《公路勘察设计一体化系统》作为公路勘察、设计、绘图一体化的CAD软件，有其鲜明的特色和独到的技术。系统的核心指导思想是：把工作内容从勘察、设计、绘图全过程在系统内一气呵成，以提高工作效率和设计精度：将工程设计人员需要不断重复的工作，让计算机自动完成；工程设计人员则运用它所提供的各种非常灵活的辅助工具，来处理许多特殊情况下的工程设计，让设计者的聪明才智得以充分地发挥。设计时所需的资料直接从测绘模块建立的数据中提取，地形图不再只提供平面信息，它可为工程技术人员提取广泛的设计信息；道路的平、纵、横设计，互通立交、挡墙、防护、特殊路基处理、排水、路桥设计，土石方调运、图表绘制、工程数量计算等再系统内高效率完成，大大地减轻了工程技术人员的劳动强度，提高了工作效率，有更多的时间对路线进行多方案比选和方案优化设计。与传统的二维路线CAD软件相比，《公路勘察设计一体化系统开发与应用研究》在不增加工作量的情况下，将最终完成的项目可适时进行公路全景动态透视图的播放；以此来检验公路线形设计是否连续，路线与周围景观是否协调一致，这是传统的二维CAD软件所无法完成的。 1、研究开发所依据的技术标准和规范是交通部颁发的如下规范：（1）公路路线设计规范；（2）公路工程技术标准；（3）公路路基设计规范；（4）公路排水设计规范；（5）公路路线勘测规范；（6）公路桥涵地基与基础设计规范；（7）公路桥涵设计通用规范；（8）公路软土地基路堤设计与施工技术规范； 2、编程环境：（1） WINDOWS操作系统环境（2） CARD/1系统本身自带编程语言作为平、纵、横、排水、防护、挡墙、特殊路基处理等设计模块的二次开发语言；（3）互通设计模块和土石方调运模块采用C语言编程；（4）工程数量表格自动生成采用VB+EXCEL （5）桥梁CAD采用VB+AUTOCAD 课题开发的模块有： 1. 平面设计模块：通过轴线设计和计算分析，自动生成路线平面图、路线平面总体图、用地图。立交线位数据表。根据中央分隔带开口部的数据文件，在总体图中自动绘制中央分隔带开口部，绘制隧道段两侧的路基边缘线，以及相应轴线的构造物资料、标注水准点、截水沟等信息。 2. 纵断设计模块：在图形交互模式下，利用控制点进行相关设计轴线的综合设计，并能适时动态的显示各种设计要素，对不满足规范要求的设计值进行智能检验，在不满足设计要求时适时发出警告。对路线纵坡进行定坡设计和计算，自动生成路线纵断面图和纵坡竖曲线数据。 3. 横断面设计模块：根据公路设计新理念进行横断面开发，实现路线单线、多线和互通的路基横断面统一戴帽设计、多个横断面间的横断面线处理，以及路线在山岭重丘、平原微丘区及互通区等各种工况下的路基横断面设计处理，并自动生成横断面设计图。 4. 互通立交设计模块：按照规范和国内常规设计习惯，计算生成各特征点及相关文件；分别建立与平面绘图、纵面接坡、路基戴帽相适应的BRT文件；自动生成互通线位数据图、互通高程数据图、互通平面图、互通平面总体图。互通排水布置图。 5. 路基土石方调配模块；模块采用图形方式显示各断面土石方数量，采用自动与手工相结合，综合考虑了各种填挖因素。设计人员在可视化状态下轻松自如的进行土石方调配，整个调配过程用户不需作任何相关计算、统计，系统能够根据用户选择的调配原则及操作过程，来完成各断面方及整个调配过程的相关计算（如：本桩利用、土石自然方向压实方的转换、调配运距、数量累加与统计等），并立即得到全线土石方数量计算表（含纵向调配图）、每公里土石方数量表等。其创新点如下：（1）直接从勘察设计一体化系统里获取基础数据。（2）基本数据填写简单、方便，系统有检查错误功能；（3）有多轴线管理功能，多轴线数据转换自动、方便快捷；（4）可视化的调配环境，直观的柱状图，轻松自如的操作方式，调配过程简单、快捷；（5）灵活多样的参数设置；（6）无限次的撤销及重做；用户在可视化的调配环境中，结合工程实际情况，根据自己的工程经验，在考虑经济运距，可能采取的施工方式等多方面因素的条件下，对通道接线、互通、匝道、停车区、隧道洞渣、左线或主线（用于通道或匝道调配）的所有土石方进行调运，并自动生成路基土石方数量和路基每公里土石方数量。 6、防护设计模块：高速公路的高路堤。高路堑边坡的防护处理，一般是沿坡面铺设土工格栅、草皮；对于风化石质边坡和碎石土边坡，由于容易发生碎落和受到雨水冲刷，必须采用浆砌片石护面墙进行防护处理。当防护处理的段落很多时，计算工程数量也是一项非常耗时的工作。本模块利用CARD/1横断面模块实现路基左、右侧边坡的防护设计。防护工程数量输出、控制断面的输出以及生成路线总体图中所需加密的横断面线。 7、挡土墙设计模块：直接提取平、纵、横设计资料和成果数据，方便准确，解决了以往挡土墙绘图软件需要用户手工隧桩输入设计相关资料；能完成平、立、横断面的设计绘图、标注、以及墙体圬工体积数量，同时自动对路基横断面戴帽中挡土墙几何尺寸进行修正。模块采用数据库管理模式，用户可根据需要自行添加扩充。 8、排水设计模块：主要采用高速公路中央分隔带的路面排水和路基排水和路基排水的自动设计。根据系统其他模块的设计数据，自动生成路面排水平面图、路基排灌系统布置图，以及产生相关的设计图表。 9、工程数量表格自动生成模块，采用VB+EXCEL技术手段，根据其他模块产生的数据，自动生成路线工程中路基设计表、直线及曲线一览表、逐桩坐标表、纵坡及竖曲线表、用地边界坐标表、公路断面高程设计表、路床顶面高程设计表；防护工程中工程数量表；支挡工程中挡土墙工程数量表；排水工程中边沟及排水沟数量表、截水沟数量表、路面排水工程数量表；土石方工程中路基每公里土石方数量表，路基土石方计算表；零星工程中路肩处理数量表、整修边坡数量表、整修路拱数量表，等17种类型的EXCEL表格。 10、桥梁CAD：采用VB+Autocad技术手段，基于系统路线数据基础，实现了路线（含左、右线、分隔）平面图、桥型布置图、桥墩桩基钢筋布置图、系梁钢筋布置图、肋梁钢筋布置图、桥墩构造图、桥墩坐标表、预制梁长表、边梁外翼缘长度表、桥墩标高表等。与国内其他同类软件相比，它节省了大量设计前的基础数据输入工作。与国内其他同类软件相比，它节省了大量设计前的基础数据输入工作；特别是高速公路上许多桥梁都处在弯、坡、斜地段，其功效就更明显。对同类型结构（如特大桥的墩）只出一张结构示意图，其余的均以参数化表格输出，国内其他同类软件是每个结构均要出图，出图工作量大。可以产生各种复杂线形下的桥梁《墩台坐标表》以及《桥梁墩台标高表》，便于设计施工。设计完成后能自动批量生成完整的工程数量，不要再经过人工处理。所有的结构设计，均能以参数化形式存在，结构设计定型后可添加到参数模版库里，以便下次使用。首次实现了路跟桥设计之间无缝链接，属国内首创。 11、特殊地基处理模块：主要用于新建公路特殊路基段地基处理的自动绘图和工程量估算。在CARD/1系统平台上横断面带帽完成后，用户通过在规定格式的数据文件内填写一些必要参数，可实现在任意起屹范围、任意纵轴向绘图比例、立面绘图比例、横轴向绘图比例下，多种特殊路基地基处理方案（级配碎石沙垫层、土工格栅、粉碳灰等，目前为7种，仍可扩充）的自动绘图功能，可大大缩短用户在不良地基设计中的绘图工作量，同时可生成工程数量成果数据文件，便于用户进行方案比选和工程量估算，以满足不同设计项目和阶段的使用要求。 12、任意斜交地面线批处理生成模块：本模块实现了在数模中快速切取与设计轴线相交叉（任意角度）的断面地面线生产功能；以提供给需要获取斜交断面地面线的各专业组（如通道、涵洞、桥梁、隧道等）使用、该系统操作简单、界面友好，数据结合合理，各专业模块数据共享程度高、本次开发要实现“功能模块集成化、操作界面简单化、数据结构合理化，专业协作紧密化”的目标、本课题研究具有如下特点： 1、一体化程度高：从勘察、设计、出图都在系统内完成，开发的功能模块基本涵盖了公路设计各专业的业务范围，提高设计质量和效率是十分显著的。 2、功能强大而齐全：系统为适应中国设计市场需要，重新编写了平、纵、横基本设计模块；还新增开发有：互通立交、防护、挡土墙、软基、路基和路面排水设计模块，土石方可视化调运模块，工程数量表格自动生产模块，任意斜交地面线批量生成模块，基于系统设计基础数据的桥梁CAD。首创了在CARD/1平台上开发的路与桥设计软件无缝链接和《路基每公里土石方数量表》用图视化表示土石方拉运情况，比以往使用数字标注更加简洁、直观、明了。 3、多项成果填补了国内空白：在CARD/1平台上开发出防护设计模块、挡墙设计模块、排水设计模块、软基设计模块、工程数量表格自动生产模块、任意斜交地面线批量生成模块，填补了该系统在国内的空白。 4、达到国际先进水平：本系统研发秉承了德国CARD/1平台的先进特性。平面曲线定线等设计方法更加灵活方便，更容易实现在特定地形下复杂公路平面线型设计的新设计理念和目标；精细而周全的横断面设计功能继续发扬光大。互通立交分析计算出图模块使用方便快捷（线形设计完即可自动生成特征点及其它图纸），方便、快捷的出图能力；将设计与成图分开，让设计人员专心设计，并提供批量出图功能产生成果，如互通立交分析计算出图模块、土石方模块，轴线设计、轴线绘图、纵断设计、纵断绘图等等。 5、独特的开放性：在开放性上继续沿袭德国CARD/1平台独一无二的可扩展性、系统由各模块以搭积木形式构成，模块之间通过数据流交换信息，用户可根据自身需要通过编程继续扩展其他功能。国内其他公路CAD系统都不具备用户二次开发功能。 1、野外测量全站仪、经纬仪、水准仪导线测量采用航测图，人员少，效率高，劳动强和水准测量；水准法或抬杠法断面度低，一次测量可获得控制点的三维坐测量。需要大量人力、物力和时间标，控制网等级高，可适应路、桥各类劳动强度大，精度低，效率差，无工程不同等级的设计。法进行全天候作业。 2、数字地面模型 DYM与CAD分离，需要在二者之间互 CAD系统中建立DTM，三维设计建立在相转换 DTM基础上。可以接受多种数据源、处理海量数据，考虑特征点不规则三角形整体构网。 3、平面设计从纸质地形纸上定线，人工量取在DTM上采用“曲线法”等多种方式进角点坐标、弯道半径等参数，计算行交互式平面布线、适时修改，并自动机辅助调线计算。平面设计文件出产生相关平面设计数据。可自动完成平图采用手工作业。面设计文件出图。 4、纵断面设计野外中线测量或图上读取纵面高 DTM自动生成设计线的地形剖面，计算程，纸上布置变坡点、坡度、竖曲机上交互设计、拉坡、修改等，根据设线半径等，人工组织数据。计图形自动形成设计数据。 5、横断面设计野外横断面测量或人工在地形图上 DTM自动生成横断面线，自动“戴帽”，读取断面线。逐桩“戴帽”，计算机土石方计算自动完成。横断面设计可图辅助土石方计算。形交互查阅、修改调整，调整后数据自动同步更新。 6、土石方调运采用手工组织相关数据，人工对土设计人员在可视化状态下轻松自如的石方进行调运，工效非常低，差错进行土石方调配，整个调配过程用户不率高。需作任何相关计算、统计，系统能够根据用户选择的调配原则完成各断面方及整个调配过程的相关计算，并立即得到全线土石方数量计算表（含纵向调配图）、每公里土石方数量表等。 7、平纵横配合利用二维设计图人工凭经验检视。自动建立三维路线设计模型，为平、纵横配合及优化设计提供直观评判标准。 8、挡墙、防护、手工绘制图纸和计算工程数量。自动完成所有设计并适时修改，自动完排水、特殊地基成出图和计算工程数量。设计 9、方案比选对不同的设计方案，反复在图纸上内建DTM，在设计走廊范围内布设任意读取平、纵、横地形数据，重复进行平面线均可自动生成纵、横断面线。设计 10、工程数量表设计完成后靠手工将数据往EXCEL 所有表格均能“一键式”自动完成，提格自动生成表格中填写，修改设计时工作量相高效率非常明显当大，而且特别容易出错。 11、互通立交设计步骤“内容1~10”相同按照规范和国内常规设计习惯，计算生成各特征点及相关文件；分别建立与平面绘图、纵面接坡、路基戴帽相适应的BRT文件；自动生成互通线位数据图互通高程数据图、互通平面图、互通平面总体图、互通排水布置图等、 12.桥梁设计手工组织和输入各种设计参数，采路桥配合，直接引用路线数据库、桥轴用数据文件交换路线设计数据。在线、墩台横断面等地面线由DTM自动生成。自动绘制桥型布置图、上、下部构造一般图等各项内容，可处理弯。坡、斜异性桥梁，自动控制高程，自动列表绘制常见结构钢筋构造图。 13、任意斜交地面根据设计需要，实地测量斜交断面实现了在数模中快速切取与设计轴线线批量生产地面线相交叉（任意角度）的断面地面线生成将成果提供给需要获取斜交断面地面线的各专业组（如通道。涵洞、桥梁隧道等）使用。从上表可以看出，《公路勘察设计一体化系统》的应用改变了传统的勘察设计方法和手段，极大的提高了设计质量和效率，减少了野外勘察费用，降低劳动强度；特别是在设计周期非常短的情况下，方案比选和方案优化设计垂手可得，技术经济效益非常显著。过去我们院公路专业人员使用传统的测设技术，为了在规定时间内完成设计任务，经常通宵达旦，夜以继日工作，但效率低下，质量也没保证，人均完成实际产值大约在10多万元。如在承担福建省第一条高速公路--泉厦高速公路，全程才81.898公里，总造价为27.86亿元。为确保设计任务的圆满完成，院领导举全院之力，将所有路桥专业的设计人员（约130人）都集中在鼓岭，实行全封闭的管理模式，每周上六天班，从早上开始于到晚上九点多才休息。即使这样，完成此项设计任务也花了110天，当年全院人均完成产值也仅10万元左右。《公路勘察设计一体化系统》经过近3年的推广工作，取得了显著地经济效益和社会效益，体现在以下几个方面： 1）缩短了测设周期. 《公路勘察设计一体化系统》实施，充分发挥了勘察设计一体化技术的优势，减少勘察设计环节，加快测设进度，设计的效率较以往使用传统测设技术提高10倍以上，减少野外工作量90%，有效地缩短公路测设周期，促进公路早日修建、早日通车，适应公路建设的迫切需求。 2）节约测设成本。《公路勘察设计一体化系统》采用数字地面模型进行路线方案设计，直接从数字地面模型里获得地面数据，使测设方法得到变革，测设效率得以提高，工作量得到大幅度减少，有效地节约了测设成本。 3）降低工程造价。《公路勘察设计一体化系统》使公路设计由二维设计提升为空间三维优化设计，方案经比选和优化后，平面线形可缩短3%~5%。推广过程中，工程效益极为显著。 4）提高设计质量。《公路勘察设计一体化系统》从勘察、设计到出图，从外业到内业全方位地改善公路测设质量体系，运用高新技术提供了多种方式质量控制手段和质量管理机制，使设计成果质量得到飞跃。 5）提供设计水平。《公路勘察设计一体化系统》的应用，能够实现动态设计和可视化设计，充分体现设计人员思想，使许多传统技术无法实现的目标得以实现，凸显其巨大的技术优势。 6）降低劳动强度。《公路勘察设计一体化系统》采用先进的数字测量技术代替传统的野外劳动作业，用可视化的计算机辅助设计代替传统的手工作业，将测设人员从繁重而又艰苦的野外作业中解放出来。 7）促进了公路建设中的环境建设。《公路勘察设计一体化系统》能实时地对设计成果进行三维可视化的评估，对设计与环境的配合进行全面的考察，并将公路设计对环境的影响在设计阶段加以弥补，使自然资源得到保护，满足了公路建设中生态环境保护的迫切需要，为地区经济的持续发展奠定了基础。 8）全面提升行业的技术进步。《公路勘察设计一体化系统》成功推广应用，使我国公路勘察设计的总体技术水平有了一次大的飞跃，有效地提升了行业的技术竞争力，在我国加入WTO后，与国外公司的市场竞争中赢得了主动，也为我国公路勘察设计打入国际市场奠定了坚实的基础。 9）经济效益和社会效益显著。《公路勘察设计一体化系统》的推广应用，能够克服现有公路测设任务重，周期短的矛盾，显著提高勘察设计质量和效率，为实现多方案比选和优化设计提供了强有力的保证。采用勘察设计一体化技术进行建设项目的多方案优化设计，一般情况下可节省土石方工程量5~10%，降低工程造价2~3%，这就意味着在《公路勘察设计一体化系统》推广后的几年中，可为国家节省大量的工程建设资金。同时，设计方案优化后，可以缩短设计里程，避绕不良地质区域，节约运营成本。根据已有的工程试验，这一方面的工程效益更是巨大，往往一个设计部门一年节省的建设资金都相当可视，它为建设节约型的交通提供了有力保证！同时，也将极大地提升我国公路勘察设计行业的国际竞争力，迎接进入WTO后所面临的挑战。《公路勘察设计一体化系统》已在我院承接总共有15条高速公路设计项目（总公里数为1109.73公里，总造价为748.95亿元）中得以全面推广应用。 1、国家高速公路长春至深圳福建省永安至武平（闽粤界）高速公路（第1合同段）两阶段勘察设计工作（全长73.76公里，总造价53.6亿） 2、国家高速公路长春至深圳福建省永安至武平（闽粤界）高速公路（第2合同段）两阶段勘察设计工作（全长81.14公里，总造价48.4亿） 3.国家高速公路长春至深圳福建省永安至武平（闽粤界）高速公路（第3合同段）两阶段勘察设计工作（全长40.32公里，总造价20.6亿） 4、泉州至毕节、天津至汕尾国家重点干线公路福建省泉州至三明高速公路（第1合同段）两阶段勘察设计工作（全长68.1公里，总造价38.68亿） 5、泉州至毕节、天津至汕尾国家重点干线公路福建省泉州至三明高速公路（第4合同段）两阶段勘察设计工作（全长82.4公里，总造价46.5亿） 6、泉州至毕节、天津至汕尾国家重点干线公路福建省泉州至三明高速公路（第5合同段）两阶段勘察设计工作（全长77.2公里，总造价35.0亿） 7、福建省浦城（闽浙界）至南平高速公路（第1合同段）两阶段勘察设计工作（全长85.46公里，总造价25.6亿） 8、福建省浦城（闽浙界）至南平高速公路（第3合同段）两阶段勘察设计工作（全长68.1公里，总造价42.13亿） 9、福州机场高速公路二期工程（26.05Km，总造价50.2亿） 10、福州绕城高速公路西北段（45Km，总造价58.7亿） 11、福建省永安至宁化（闽赣界）高速公路第一合同段（71.2Km，总造价50.57亿） 12、福建省松溪至建瓯高速公路（104Km，总造价65.3亿） 13、福建省武夷山至邵武高速公路（90Km，总造价44.44亿） 14. 福建省宁德至武夷山高速公路第一（83.1Km，总造价72.8亿）、二合同段（60.9Km，总造价52.4 亿） 15、福清鱼溪至平潭至海峡大桥高速公路（53Km，总造价44.07亿）特别是永武高速公路设计项目地处福建省的中，西部地区，沿线山岭绵延，地形复杂多变，路线全长194.9公里。本项目于2006年5月中旬开始施工图设计，有82位工程技术人员使用《公路勘察设计一体化系统》参加设计工作，到7月底就完成整个项目的文件出版，只用了二个半月时间完成29636张工程设计图。本项目于2006年7月竣工，工程总造价约102亿人民币。《公路勘察设计一体化系统》的实施，也为我院带了巨大的经济效益。2005年产值2.49亿，2006年就上升2.65亿，2007年超过3亿。路桥专业人员人均产值都在80万元以上，是未采用《公路勘察设计一体化系统》之前的7~8倍。省内用户有福建省兴闽公路设计院 1、福建省道309线平和县车田至伯公凹公凹公路工程平和大溪车田至安厚段工程，其中二级路里程71.9Km工程造价3.546亿；三级路里程19.1Km，工程造价0.651亿。省外用户-----中国公路工程咨询集团有限公司应用项目有： 1、福建省福建省永安至武平（闽粤界）高速公路A4（里程15.744Km，工程造价11.295亿）、A5（设计里程17.865Km,工程造价13.581亿）合同段施工图设计； 2、广西钦州至崇左高速公路第一合同段初步设计（里程65Km,造价30亿）； 3.福建省宁德至武夷山高速公路S3合同段初步设计（里程78.567Km，工程造价54.513亿）。还有其他省外用户目前已开始试用的有： 1.辽宁省交通规划设计院 2.河南省交通规划勘察设计院有限责任公司 3、吉林省公路勘察设计院 4.甘肃省交通规划勘察设计院有限公司 5、黑龙江省公路勘察设计院 6、张家口市城乡建设规划设计院 7、湖南中大勘测设计研究所
关键词：	公路勘察设计一体化；开发与应用研究；系统开发与应用；一体化系统；量表；自动生成；路基；数据；高速公路；福建省
项目负责人：	郭建端
参与人员：	郭建端、彭培、杨尚海、张必胜、陈云、苏擎、林春水、江典川
组织单位：	福建省交通规划设计院
主持或承担单位：	福州市罗长高速公路有限公司、同济大学地下工程系、中铁十二局集团有限公司
项目类别：	地方交通科技项目
起止年限：	2005-8-8～2007-12-1
立项年份：	2005