计算机在公路桥梁设计中的应用
2013-03-12 来源：中国鸣网
随着科学技术水平的提高，计算机技术的应用已经出现在各行各业中，当前的公路桥梁设计和施工工作也广泛应用计算机技术为自身服务。在公路桥梁设计中，利用计算机技术对桥梁的结构、涵洞、隧道等工程的工程图进行设计已经屡见不鲜。公路桥梁的设计建设是当前一项重要工作，采取有效的科学手段，运用先进的计算机技术作为辅助，改善以往设计中存在的不足之处，依靠信息技术将基础建设工作做得更好。笔者根据多年的工作经验，将公路桥梁中运用计算机技术的几个方面归结如下。
一、公路桥梁设计中的计算机仿真和虚拟现实技术
在公路工程设计中，仿真技术是设计工作的核心。工程设计工作者通过仿真技术对工程的结构运算以及施工技术按实际情况给出的依据做出认真的核算再确定设计方案。虚拟技术简称VR（VirtualReality），这项技术将计算机图形技术、计算机仿真技术以及传感器技术等多种先进的计算机技术优势结合在一起，给设计者提供直接和真实的三维图像，在公路桥梁设计工作中创建一个虚拟的施工环境，让设计者在趋于真实的环境中完善设计，确保设计的完美，是一种可视的交互环境平台。
1.1公路计算机虚拟现实辅助设计
（一）公路平面线形辅助设计
公路平面是公路在地平面上的投影，公路的平面设计就是确定公路的走向和平面组成要素，以及各要素的参数信息，最后定出公路逐桩坐标。在平面设计中首先要根据地形等高线确定起点、终点和中间的路面控制点。这些点确定了将要设计出来的公路的大致走向和弧度。
在公路设计中如何在等高线上选定控制点，需要考虑很多因素，如：1.平面线形应连续、与地形、地物相适应，与周围环境相协调。2.要保持平面线形的均衡与连贯。3.避免产生连续急弯的线形。4.要满足公路设计规范对各级公路平面线形设计要求。
选定公路控制点后，要完成公路的组成计算，公路平面线形主要是由直线——缓和曲线——圆曲线——缓和曲线——直线这样的方式组合而成。
（二）公路纵断面辅助设计
沿着道路中线竖直剖切然后展开即为路线纵断面，它总是一条有起伏的空间线，公路纵断面设计主要的任务是根据汽车的动力特性、道路等级、当地自然条件以及工程经济等，研究起伏空间线几何构成的大小及长度，以便达到行车安全迅速、运输经济合理及乘客舒适的目的。这些要求必然需要公路要有好的纵断面组成。纵断面图是道路纵断面设计的主要成果，也是道路设计的重要技术文件之一。把道路的纵断面图与平面图结合起来，就能准确的定出道路的空间位置。在纵断面图上有两条主要的线：一条是地面线，它是根据中线上各桩点的高程而绘制的一条不规则线，反映了沿着中线地面的起伏变化情况；另一条是设计线，它是经过技术上、经济上以及美学上等多方面比较后定出的一条具有规则形状的几何线，反映了道路路线的起伏变化情况。
在系统中纵断面设计线是由直线和竖曲线组成的，直线即均匀坡度线，有上坡和下坡之分，在直线的坡度转折处为平顺过渡的一段缓和曲线，这段曲线就是竖曲线，按坡度转折的形式不同，竖曲线有凹有凸。
①纵断面地面高程的获取
根据平面设计方法的不同，纵断面地面线数据的采集方法亦有所不同。如果采用实地定线，则纵断面地面高程主要通过对公路中桩进行水准测量获得;如果采用纸上定线，可通过人工根据纸上定线结果在大比例尺地形图上读取中桩高程。上述方法是纵断面数据采集的传统方法。
更先进的方法，可先建立DTM，由系统根据适当的算法进行高程内插，从而得到中线上各点的地面高程。由于本文未讨论DTM，同时系统不支持DTM，因而仍采用传统的方法。
②纵断面线形设计
平面线形确定后，如何让计算机自动产生最优的纵断面，一直是研究人员和工程技术人员感兴趣的问题，国内外有关部门也进行了大量的研究，并获得了初步成果，但仍需要人工给出初始方案。
目前，国内多数CAD系统仍采用人工方法设计纵断面，通常是由计算机将输入的纵断面地面高程资料处理后，在屏幕上显示或由绘图仪绘制纵断面地面线图，由工程师设计纵坡，设置竖曲线计算参数，并将有关设计参数输入计算机，由计算机程序完成纵坡计算、竖曲线计算以及设计高程、填挖高度计算等内容，输出设计图表。本文亦采用这种方法，考虑到在屏幕上显示纵断面地面线不如以图纸方式输出直观，因而在程序中设置了输出《外业纵断面图》的模块，供设计人员试坡使用。
当然，在纵断面设计过程中，设计人员要根据规范的要求，结合公路的等级、设计车速、沿线地形、地质、水文等自然条件，综合考虑筑路材料、工程造价、桥涵、防护、排水等构造物的布置以及平纵面配合等多种因素，来合理地确定路线的纵断面，要求设计者有较高的业务水平和丰富的设计经验，这部分工作主要由人工来完成。
1.2道路模型的建模
虚拟场景中，实体建模是主要的部分，也是最重要的场景内容。
而在虚拟场景中，三维实体包括静态和动态两种。道路模型在漫游系统中，道路是静态的场景，又是主要的交互对象，因此，对它的建模采用几何建模的方法。
关于道路实体模型的建立，首先是获得建模数据，道路的高程数据和几何形状以及曲线、拐角、弯度等数据来自平面图、剖面图等建筑图纸，此外还包括具体的尺寸和比例。在基础数据的基础上建模完成后，还要对模型进行相应的纹理映射，纹理数据的来源主要是实体的正向照片，也只有正向拍摄的照片才有纹理利用价值。
其次是模型的建立，根据CAD图纸，在3Dmax中建立三维模型，注意尺寸比例的因素，尽量减少线性的大幅度变化，注意隐藏面的消隐，减少系统内存的占用，提高运行速度和效率。本系统中，模型导入OPenGL前是没有纹理的，所需要做的工作就是将所拍的照片制成纹理图片格式存储起来，在openGL中，由函数makeImage（）产生调用，并且所有纹理映射的初始化工作都在程序myinit（）中进行。由g1TexImage2d（）说明一个全分辨率的图像，其参数指出了图像的尺寸、图像类型、图像位置和图像的其它特性，接着连续调用函数g1TexParameter*（）说明纹理怎样缠绕物体和当象素与纹理数组中的单个元素不能精确匹配时如何过滤颜色；再接着用函数g1TexEnv*（）设置画图方一式为GL_DECAL；最后，调用函数glEnable（）启动纹理映射。
二、计算机的优化与建模技术
在公路桥梁建设工程的规划、设计、施工以及管理过程中，设计者们运用计算机技术中的优化和建模技术全面综合的考虑在经济、时间上的有效组合，以期实现效益最大化。建筑设计的系统模型设计包括基础模型、设计模型以及施工模型。其中设计模型工作要将工艺参数和施工进度综合起来考虑，以此便于反映施工模型和设计模型之间存在的差异和交互作用。比如AutoCAD软件系统的主要功能就是用来做辅助绘图工作的，因此这个软件系统具有强大的绘图功能。目前，这款软件随着版本的不断升级，它在原来的二维绘图编辑功能上增添了较强的3D立体绘图功能以及实体造型技术，让设计工作者在更优化的环境中进行相关设计。
三、计算机提供的协同工作系统技术
20世纪80年代中期，计算机所支持的协同工作技术提出之后，受到了人们诸多关注，在当前的建设设计工作中，越来越受到重视，到目前为止，已经发展成为该技术领域中最快的研究方向之一。CSCW（ComputerSupportedCooperativeWork）的具体含义是指人们无论在什么地方处于什么群体，在计算机技术的帮助下，都可以在一个虚拟共享的环境中进行交流和磋商，进而高效快速的将一个共同任务完成。而人、计算机以及相关的环境在计算机技术的引导下，形成了一个可以进行研究的系统。公路桥梁建设正是运用这个系统将设计作为一个共同任务，让相关的设计者一起研究，发挥整个系统的最佳效益。
四、计算机CAD技术
计算机CAD技术产生于20世纪50年代后期，起用于发达国家的航空事业和军事工业。在计算机技术中，它的应用涵盖了工程设计、机械制造以及图纸测画，成为最有影响的高新应用技术。在公路桥梁的设计工作中，为了缩短整体工程的工期，将CAD、CAE、CAM三者进行比较之后，提出了并行工程的思想，简称CE。该工程的实施主要要求企业及相关人员建立可以共享的数据库，在计算机网络技术的支持下，衍生出PDM系统。进入20世纪80年代之后，设计领域中的PDM系统又发展为PDMII系统。此外，TQ-16/TX计算机技术也从原来的TQ-16/TX系统软件转换为TQ-16/TX1新型系统软件，并且在磁鼓以及磁带上建立了程序库，增大了存储容量范围，使得数据的输入更快，运算效率更高，在公路桥梁的设计中取得了良好的效果，深得广大设计者的喜爱和赞赏。
五、计算机ERP技术
ERP技术是生产管理领域提出来的供应链管理概念，这一技术的适用范围很广，包括人力资源管理，设备设施管理以及数据分析管理等。应用计算机ERP技术，将其软件本身强大的包容性和兼容性应用到设计工作中，可以和建筑企业常用的建筑CAD软件以及结构受力分析软件相结合，高度集成，并通过Internet/Intranet将建筑企业内部的供应链和外部的施工情况连接起来进行管理，完成设计、物流、信息流、资金管理多方面的有效转移和优化，以便适应在新的竞争环境中市场对建筑企业及相关工作提出的高质量、低成本、高安全的要求。
六、计算机应用程序编程语言及其程序设计开发技术
公路桥梁在施工路线以及完工测量的工作中，在没有很专业的软件进行辅助的情况下，要想绘制出公路的施工设计图是很困难的，而且工作量大，过程繁琐，既费神又容易出现错误。特别是在公路建设设计中，需要在短时间内将测量到的相关数据转换成纵断面上的地面线，才能进行线路审核。应用Mi-crosoftExcel、AutoCAD提供的VBA功能，将MicrosoftExcel表格中所标识出来的桩号以及地面高程等相关信息都读取出来，再在AutoCAD文件里面用文字和线条等多种形式写出来，就可以很快的绘制出公路的纵断面的地面线图。
随着科学技术的发展，进入21世纪以后，计算机应用技术已经成为各行业广泛运用的科学技术，也是发展的最快的一门学科。在公路工程建设中，计算机的出现和使用成为工作者们完成工程设计、绘制图纸必不可少的工具，计算机以其高精度、高速度为工程的进展提供了很大的帮助，使得工程设计人员结束了多年以来依靠手工绘图、描图的繁杂设计手段，对工程的质量起着重要的影响。
