計(jì)算機(jī)在公路橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
2013-03-12 來源：中國鳴網(wǎng)
隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)在各行各業(yè)中，當(dāng)前的公路橋梁設(shè)計(jì)和施工工作也廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)為自身服務(wù)。在公路橋梁設(shè)計(jì)中，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)、涵洞、隧道等工程的工程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)屢見不鮮。公路橋梁的設(shè)計(jì)建設(shè)是當(dāng)前一項(xiàng)重要工作，采取有效的科學(xué)手段，運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)作為輔助，改善以往設(shè)計(jì)中存在的不足之處，依靠信息技術(shù)將基礎(chǔ)建設(shè)工作做得更好。筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，將公路橋梁中運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的幾個(gè)方面歸結(jié)如下。
一、公路橋梁設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
在公路工程設(shè)計(jì)中，仿真技術(shù)是設(shè)計(jì)工作的核心。工程設(shè)計(jì)工作者通過仿真技術(shù)對(duì)工程的結(jié)構(gòu)運(yùn)算以及施工技術(shù)按實(shí)際情況給出的依據(jù)做出認(rèn)真的核算再確定設(shè)計(jì)方案。虛擬技術(shù)簡稱VR（VirtualReality），這項(xiàng)技術(shù)將計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及傳感器技術(shù)等多種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)勢結(jié)合在一起，給設(shè)計(jì)者提供直接和真實(shí)的三維圖像，在公路橋梁設(shè)計(jì)工作中創(chuàng)建一個(gè)虛擬的施工環(huán)境，讓設(shè)計(jì)者在趨于真實(shí)的環(huán)境中完善設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)的完美，是一種可視的交互環(huán)境平臺(tái)。
1.1公路計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)輔助設(shè)計(jì)
（一）公路平面線形輔助設(shè)計(jì)
公路平面是公路在地平面上的投影，公路的平面設(shè)計(jì)就是確定公路的走向和平面組成要素，以及各要素的參數(shù)信息，最后定出公路逐樁坐標(biāo)。在平面設(shè)計(jì)中首先要根據(jù)地形等高線確定起點(diǎn)、終點(diǎn)和中間的路面控制點(diǎn)。這些點(diǎn)確定了將要設(shè)計(jì)出來的公路的大致走向和弧度。
在公路設(shè)計(jì)中如何在等高線上選定控制點(diǎn)，需要考慮很多因素，如：1.平面線形應(yīng)連續(xù)、與地形、地物相適應(yīng)，與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。2.要保持平面線形的均衡與連貫。3.避免產(chǎn)生連續(xù)急彎的線形。4.要滿足公路設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各級(jí)公路平面線形設(shè)計(jì)要求。
選定公路控制點(diǎn)后，要完成公路的組成計(jì)算，公路平面線形主要是由直線——緩和曲線——圓曲線——緩和曲線——直線這樣的方式組合而成。
?。ǘ┕房v斷面輔助設(shè)計(jì)
沿著道路中線豎直剖切然后展開即為路線縱斷面，它總是一條有起伏的空間線，公路縱斷面設(shè)計(jì)主要的任務(wù)是根據(jù)汽車的動(dòng)力特性、道路等級(jí)、當(dāng)?shù)刈匀粭l件以及工程經(jīng)濟(jì)等，研究起伏空間線幾何構(gòu)成的大小及長度，以便達(dá)到行車安全迅速、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)合理及乘客舒適的目的。這些要求必然需要公路要有好的縱斷面組成?？v斷面圖是道路縱斷面設(shè)計(jì)的主要成果，也是道路設(shè)計(jì)的重要技術(shù)文件之一。把道路的縱斷面圖與平面圖結(jié)合起來，就能準(zhǔn)確的定出道路的空間位置。在縱斷面圖上有兩條主要的線：一條是地面線，它是根據(jù)中線上各樁點(diǎn)的高程而繪制的一條不規(guī)則線，反映了沿著中線地面的起伏變化情況；另一條是設(shè)計(jì)線，它是經(jīng)過技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上以及美學(xué)上等多方面比較后定出的一條具有規(guī)則形狀的幾何線，反映了道路路線的起伏變化情況。
在系統(tǒng)中縱斷面設(shè)計(jì)線是由直線和豎曲線組成的，直線即均勻坡度線，有上坡和下坡之分，在直線的坡度轉(zhuǎn)折處為平順過渡的一段緩和曲線，這段曲線就是豎曲線，按坡度轉(zhuǎn)折的形式不同，豎曲線有凹有凸。
①縱斷面地面高程的獲取
根據(jù)平面設(shè)計(jì)方法的不同，縱斷面地面線數(shù)據(jù)的采集方法亦有所不同。如果采用實(shí)地定線，則縱斷面地面高程主要通過對(duì)公路中樁進(jìn)行水準(zhǔn)測量獲得;如果采用紙上定線，可通過人工根據(jù)紙上定線結(jié)果在大比例尺地形圖上讀取中樁高程。上述方法是縱斷面數(shù)據(jù)采集的傳統(tǒng)方法。
更先進(jìn)的方法，可先建立DTM，由系統(tǒng)根據(jù)適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行高程內(nèi)插，從而得到中線上各點(diǎn)的地面高程。由于本文未討論DTM，同時(shí)系統(tǒng)不支持DTM，因而仍采用傳統(tǒng)的方法。
②縱斷面線形設(shè)計(jì)
平面線形確定后，如何讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生最優(yōu)的縱斷面，一直是研究人員和工程技術(shù)人員感興趣的問題，國內(nèi)外有關(guān)部門也進(jìn)行了大量的研究，并獲得了初步成果，但仍需要人工給出初始方案。
目前，國內(nèi)多數(shù)CAD系統(tǒng)仍采用人工方法設(shè)計(jì)縱斷面，通常是由計(jì)算機(jī)將輸入的縱斷面地面高程資料處理后，在屏幕上顯示或由繪圖儀繪制縱斷面地面線圖，由工程師設(shè)計(jì)縱坡，設(shè)置豎曲線計(jì)算參數(shù)，并將有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)程序完成縱坡計(jì)算、豎曲線計(jì)算以及設(shè)計(jì)高程、填挖高度計(jì)算等內(nèi)容，輸出設(shè)計(jì)圖表。本文亦采用這種方法，考慮到在屏幕上顯示縱斷面地面線不如以圖紙方式輸出直觀，因而在程序中設(shè)置了輸出《外業(yè)縱斷面圖》的模塊，供設(shè)計(jì)人員試坡使用。
當(dāng)然，在縱斷面設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)規(guī)范的要求，結(jié)合公路的等級(jí)、設(shè)計(jì)車速、沿線地形、地質(zhì)、水文等自然條件，綜合考慮筑路材料、工程造價(jià)、橋涵、防護(hù)、排水等構(gòu)造物的布置以及平縱面配合等多種因素，來合理地確定路線的縱斷面，要求設(shè)計(jì)者有較高的業(yè)務(wù)水平和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這部分工作主要由人工來完成。
1.2道路模型的建模
虛擬場景中，實(shí)體建模是主要的部分，也是最重要的場景內(nèi)容。
而在虛擬場景中，三維實(shí)體包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。道路模型在漫游系統(tǒng)中，道路是靜態(tài)的場景，又是主要的交互對(duì)象，因此，對(duì)它的建模采用幾何建模的方法。
關(guān)于道路實(shí)體模型的建立，首先是獲得建模數(shù)據(jù)，道路的高程數(shù)據(jù)和幾何形狀以及曲線、拐角、彎度等數(shù)據(jù)來自平面圖、剖面圖等建筑圖紙，此外還包括具體的尺寸和比例。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建模完成后，還要對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的紋理映射，紋理數(shù)據(jù)的來源主要是實(shí)體的正向照片，也只有正向拍攝的照片才有紋理利用價(jià)值。
其次是模型的建立，根據(jù)CAD圖紙，在3Dmax中建立三維模型，注意尺寸比例的因素，盡量減少線性的大幅度變化，注意隱藏面的消隱，減少系統(tǒng)內(nèi)存的占用，提高運(yùn)行速度和效率。本系統(tǒng)中，模型導(dǎo)入OPenGL前是沒有紋理的，所需要做的工作就是將所拍的照片制成紋理圖片格式存儲(chǔ)起來，在openGL中，由函數(shù)makeImage（）產(chǎn)生調(diào)用，并且所有紋理映射的初始化工作都在程序myinit（）中進(jìn)行。由g1TexImage2d（）說明一個(gè)全分辨率的圖像，其參數(shù)指出了圖像的尺寸、圖像類型、圖像位置和圖像的其它特性，接著連續(xù)調(diào)用函數(shù)g1TexParameter*（）說明紋理怎樣纏繞物體和當(dāng)象素與紋理數(shù)組中的單個(gè)元素不能精確匹配時(shí)如何過濾顏色；再接著用函數(shù)g1TexEnv*（）設(shè)置畫圖方一式為GL_DECAL；最后，調(diào)用函數(shù)glEnable（）啟動(dòng)紋理映射。
二、計(jì)算機(jī)的優(yōu)化與建模技術(shù)
在公路橋梁建設(shè)工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工以及管理過程中，設(shè)計(jì)者們運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)中的優(yōu)化和建模技術(shù)全面綜合的考慮在經(jīng)濟(jì)、時(shí)間上的有效組合，以期實(shí)現(xiàn)效益最大化。建筑設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)包括基礎(chǔ)模型、設(shè)計(jì)模型以及施工模型。其中設(shè)計(jì)模型工作要將工藝參數(shù)和施工進(jìn)度綜合起來考慮，以此便于反映施工模型和設(shè)計(jì)模型之間存在的差異和交互作用。比如AutoCAD軟件系統(tǒng)的主要功能就是用來做輔助繪圖工作的，因此這個(gè)軟件系統(tǒng)具有強(qiáng)大的繪圖功能。目前，這款軟件隨著版本的不斷升級(jí)，它在原來的二維繪圖編輯功能上增添了較強(qiáng)的3D立體繪圖功能以及實(shí)體造型技術(shù)，讓設(shè)計(jì)工作者在更優(yōu)化的環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。
三、計(jì)算機(jī)提供的協(xié)同工作系統(tǒng)技術(shù)
20世紀(jì)80年代中期，計(jì)算機(jī)所支持的協(xié)同工作技術(shù)提出之后，受到了人們諸多關(guān)注，在當(dāng)前的建設(shè)設(shè)計(jì)工作中，越來越受到重視，到目前為止，已經(jīng)發(fā)展成為該技術(shù)領(lǐng)域中最快的研究方向之一。CSCW（ComputerSupportedCooperativeWork）的具體含義是指人們無論在什么地方處于什么群體，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的幫助下，都可以在一個(gè)虛擬共享的環(huán)境中進(jìn)行交流和磋商，進(jìn)而高效快速的將一個(gè)共同任務(wù)完成。而人、計(jì)算機(jī)以及相關(guān)的環(huán)境在計(jì)算機(jī)技術(shù)的引導(dǎo)下，形成了一個(gè)可以進(jìn)行研究的系統(tǒng)。公路橋梁建設(shè)正是運(yùn)用這個(gè)系統(tǒng)將設(shè)計(jì)作為一個(gè)共同任務(wù)，讓相關(guān)的設(shè)計(jì)者一起研究，發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的最佳效益。
四、計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)
計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代后期，起用于發(fā)達(dá)國家的航空事業(yè)和軍事工業(yè)。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，它的應(yīng)用涵蓋了工程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造以及圖紙測畫，成為最有影響的高新應(yīng)用技術(shù)。在公路橋梁的設(shè)計(jì)工作中，為了縮短整體工程的工期，將CAD、CAE、CAM三者進(jìn)行比較之后，提出了并行工程的思想，簡稱CE。該工程的實(shí)施主要要求企業(yè)及相關(guān)人員建立可以共享的數(shù)據(jù)庫，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，衍生出PDM系統(tǒng)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代之后，設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的PDM系統(tǒng)又發(fā)展為PDMII系統(tǒng)。此外，TQ-16/TX計(jì)算機(jī)技術(shù)也從原來的TQ-16/TX系統(tǒng)軟件轉(zhuǎn)換為TQ-16/TX1新型系統(tǒng)軟件，并且在磁鼓以及磁帶上建立了程序庫，增大了存儲(chǔ)容量范圍，使得數(shù)據(jù)的輸入更快，運(yùn)算效率更高，在公路橋梁的設(shè)計(jì)中取得了良好的效果，深得廣大設(shè)計(jì)者的喜愛和贊賞。
五、計(jì)算機(jī)ERP技術(shù)
ERP技術(shù)是生產(chǎn)管理領(lǐng)域提出來的供應(yīng)鏈管理概念，這一技術(shù)的適用范圍很廣，包括人力資源管理，設(shè)備設(shè)施管理以及數(shù)據(jù)分析管理等。應(yīng)用計(jì)算機(jī)ERP技術(shù)，將其軟件本身強(qiáng)大的包容性和兼容性應(yīng)用到設(shè)計(jì)工作中，可以和建筑企業(yè)常用的建筑CAD軟件以及結(jié)構(gòu)受力分析軟件相結(jié)合，高度集成，并通過Internet/Intranet將建筑企業(yè)內(nèi)部的供應(yīng)鏈和外部的施工情況連接起來進(jìn)行管理，完成設(shè)計(jì)、物流、信息流、資金管理多方面的有效轉(zhuǎn)移和優(yōu)化，以便適應(yīng)在新的競爭環(huán)境中市場對(duì)建筑企業(yè)及相關(guān)工作提出的高質(zhì)量、低成本、高安全的要求。
六、計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序編程語言及其程序設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)
公路橋梁在施工路線以及完工測量的工作中，在沒有很專業(yè)的軟件進(jìn)行輔助的情況下，要想繪制出公路的施工設(shè)計(jì)圖是很困難的，而且工作量大，過程繁瑣，既費(fèi)神又容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。特別是在公路建設(shè)設(shè)計(jì)中，需要在短時(shí)間內(nèi)將測量到的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成縱斷面上的地面線，才能進(jìn)行線路審核。應(yīng)用Mi-crosoftExcel、AutoCAD提供的VBA功能，將MicrosoftExcel表格中所標(biāo)識(shí)出來的樁號(hào)以及地面高程等相關(guān)信息都讀取出來，再在AutoCAD文件里面用文字和線條等多種形式寫出來，就可以很快的繪制出公路的縱斷面的地面線圖。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)以后，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為各行業(yè)廣泛運(yùn)用的科學(xué)技術(shù)，也是發(fā)展的最快的一門學(xué)科。在公路工程建設(shè)中，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和使用成為工作者們完成工程設(shè)計(jì)、繪制圖紙必不可少的工具，計(jì)算機(jī)以其高精度、高速度為工程的進(jìn)展提供了很大的幫助，使得工程設(shè)計(jì)人員結(jié)束了多年以來依靠手工繪圖、描圖的繁雜設(shè)計(jì)手段，對(duì)工程的質(zhì)量起著重要的影響。
