道路CAD系列软件在道路勘测设计课程中的教学实践

来源:用户上传      作者:

　　[摘要]为在道路勘测设计课程教学中有效培养学生的实践能力，课题组提出了进行道路CAD系列软件讲授的教学思路。道路CAD系列软件的教学分为三个阶段，分别为入门阶段的道路CAD软件的认识教学和道路主要设计流程教学，加强阶段的道路几何设计所有模块的计算机辅助设计方法教学，提升阶段的虚拟现实、BIM等新技术软件教学。教学实践表明，该教学安排能循序渐进、全面培养道桥专业学生的计算机应用能力，能显著缩短道桥专业毕业生适应社会生产的时间，是道路勘测设计课程教学有效的改革方向。
　　[关键词]道路勘测设计;道路CAD;虚拟现实;BIM
　　[中图分类号]G642
　　[文献标识码]A
　　[文章编号]2095-3437（2020）03-0046-03
　　道路勘测设计是道桥专业一门重要的必修课程。道路设计可分为线形设计与结构设计两部分，本课程主要讲授线形设计部分，通过该课程的教学，使学生达到掌握路线设计理论与方法的目的，能独立完成道路勘测与平面、纵断面、横断面设计工作，初步具备从事道路路线勘察设计的能力。
　　与道桥专业其他专业课程相比，道路勘测设计课程对学生的实践能力要求更高，即在掌握课程基本理论和基本方法的基础上，要求学生还应具有一定解决实际道路设计问题的能力。为在道路勘测设计课程教学中有效培养学生的动手能力，不少教育工作者在该课程的教学中进行了实践性教学的改革与探索，其主要方法集中在案例教学、课程设计、课程实习等方面。
　　笔者从2005年开始从事道路勘测设计的课程教学，在该课程多年的教学实践中，注重结合道路CAD软件的讲解和实操训练来培养学生在道路设计方面的实践能力，现就该课程的教学实践谈一谈自己的心得体会。
　　一、道路CAD技术发展概述
　　计算机技术于20世纪60年代开始应用于道路勘测设计网，起初主要辅助道路设计过程中的重复计算问题，如英国的HOPS程序系统和德国的EPOS程序系统的应用。从20世纪70年代开始，随着计算机绘图功能的开发，图形软件的逐渐完善，工程设计中大量图纸的绘制逐步由计算机完成，道路CAD系统功能不断完善，逐步走向实用阶段。到20世纪80年代，道路CAD系统发展更加成熟，并逐步走向系统化、集成化、商品化，在人机交互、可视化技术等方面有了很大的发展，具有交互能力强、运行速度快、使用灵活方便等突出优点，如德国的CARD/1、英国的MOSS和美国Intergraph公司的Inroads等系统。20世纪90年代至今的二三十年以来，计算机硬件技术与软件技术发生了质的飞跃，虚拟现实、BIM等新技术在土木行业中的深度应用使得道路CAD软件发展进入了一个全新的时代，道路设计自动化程度愈加增强，设计成果的可视化展示手段愈加丰富，专业之间协同化工作效率得到提高，道路设计软件系统功能也愈加强大。德国的CARD/1系统在三维地形处理、三维协同设计和三维可视化方面做得更加出色，日本Forum8公司推出了面向虚拟仿真的UC-win/Road系统，美国Bentley收购Intergraph后，逐渐推出了面向三维设计和BIM技术的Power InRoads系统（包括面向中国市场的Power Civil for China），Autodesk公司则基于AutoCAD平台推出了道路BIM设计软件Civil 3D。
　　我国道路CAD研究始于20世纪70年代后期，虽起步较晚，但经过三四十年的发展，我国道路设计单位大多在不同程度上已使用了CAD技术，把道路CAD技术作为做好工程设计的重要手段。目前我国设计单位使用广泛的道路CAD系统主要有中交一公院的纬地道路辅助设计系统（HintCAD）、中交二公院的公路与互通立交集成CAD系统（JSL-Road）、东南大学的动态交互式道路及互通式立交系统（DICAD、EICAD）、西安海地公司的海地公路优化设计系统（Hard）、鸿业公司的鸿业市政道路设计软件（HY-SZDL）以及天正公司的天正市政道路软件（TDL）等。近年来，随着BIM技术应用的逐渐成熟，道路CAD软件公司也开始发布基于BIM技术的道路设计软件，如鸿业公司推出的路立得（Roadleader）软件系统。
　　二、道路勘测设计课程对学生的计算机应用能力要求
　　在道桥专业课程体系中，主要的专业课由道路勘测设计、路基路面工程、桥梁工程、基础工程等课程组成。其中道路勘测设计课程主要讲授道路几何线形勘测设计的基本理论和基本方法，包括道路的平面设计、纵断面设计、横断面设计、选线和定线、平面交叉和立体交叉等内容。在我国公路勘察设计生产部门的组织架构中，一般都是按路线、路基路面、桥涵、隧道、交通工程及造价等专业来进行设计人员的分工组织。在这些专业中，路线专业是工作任务最重的专业之一。路线专业的设计人员不仅要完成道路的几何线形设计，而且往往要扮演项目负责人或项目总体的角色，来统筹、协调其他专业设计人员的工作。道路勘测设计是培养路线设计人员基本理论和基本技能最主要的专业课程。
　　我国《公路工程基本建设项目设计文件编制办法》规定，公路工程项目设计文件的第一篇“总体设计”、第二篇“路线”、第七篇“路线交叉”全部文件和第四篇“路基、路面”中部分文件均需要由路线专业人员来完成。道路工程项目往往时间紧任务重，传统的手工绘图方法已无法满足项目的建设进度要求，20多年前国内道路设计单位开始广泛使用道路CAD软件来辅助道路工程勘测设计。
　　为适应新技术发展对道桥专业毕业生的能力要求，实现道路勘测设计课程对路线专业人员职业技能的培养目标，在道路勘测设计课程教学中，需要学生掌握的计算机应用技能主要包括以下几个方面：
　　（1）電子地形数据的处理、建模与分析能力;
　　（2）道路平面、纵断面及横断面的设计与出图能力;
　　（3）道路交叉口平面设计、竖向设计及出图能力; 　　（4）道路工程土石方计算与调配技能;
　　（5）道路交通标志、标线设计能力;
　　（6）道路三维建模、虚拟仿真与BIM建模能力。
　　三、道路CAD系列软件教学设计
　　根据道路勘测设计课程对学生计算机应用能力的要求，以及国内外道路CAD系统的应用现状，在多年教学实践中，笔者结合道路勘测设计课程教学、课程设计，各类科技竞赛，以及毕业设计环节，将道路CAD软件教学分为三个阶段来进行，以下分别予以详述。
　　第一阶段为入门阶段，主要结合道路勘测设计课程的教学过程，让学生初步认识道路CAD软件，掌握运用道路CAD软件进行路线平面、纵断面、横断面设计的主要流程。一般在道路勘测设计课程开设之前，学生已修完工程制图及计算机绘图等课程，道路勘测设计课程教学中，在讲授完教材基础理论后，可逐渐向学生介绍道路CAD软件系统。此阶段道路CAD软件的教学内容主要包括两个方面：一方面是道路CAD软件工作机制的讲解，即向学生讲解目前国内主要道路CAD软件一般均是基于AutoCAD平台二次开发的产物，是常规AutoCAD功能在道路专业的定制产品。同时，还需讲解常用道路CAD软件在数据文件、图形文件的存储及协作机制，让学生了解道路CAD软件实现工程设计和图纸绘制的过程。另一方面的教学内容是结合适用于初学者学习的纬地道路辅助设计系统，向学生讲解道路平面、纵断面和横断面设计的操作方法。
　　第二阶段为加强阶段，在学生具备一定道路CAD软件使用技能的基础上，引导学生全面掌握其他常用道路CAD软件系统的使用，全面掌握道路几何设计所有模块的计算机辅助设计方法。在道路勘测设计课程教学之后的课程设计阶段，以及道路方向学生毕业设计阶段，给学生讲解另几款国内设计院广泛使用的道路CAD软件系统：EICAD软件、鸿业市政道路设计软件（HY-SZDL）、纬地工程土石方调配系统、鸿业交通设施设计软件。与纬地软件相比，EICAD软件除了在公路设计部门使用外，也广泛应用于城市道路设计中。同时，EI-ACD软件还是国内互通式立交设计的主流软件。但EI-CAD软件学习要难一些，需要学生具备一定的软件使用基础。鸿业软件则主要适用于城市道路设计，是国内城市道路设计市场占有率最高的软件。纬地工程土石方调配系统和鸿业交通设施设计系统分别属于纬地软件的土石方调配模块与鸿业软件的交通工程设计模块。在学生对纬地软件基本功能掌握的基础上，选择上述软件加强学习，全面掌握道路工程设计中数字地面模型建立、道路平纵横设计、路基土石方计算调配、平交口设计、交通标志标线设计的基本技能和方法，能有效提高学生的计算机应用能力，使学生更加适应社会生产的全面性能力的要求。
　　第三阶段为提升性教学，通过上述两阶段的学习，学生已经能运用道路CAD软件完成道路设计中绝大部分工作，毕业后也能很快适应设计院的工作。但近几年信息技术的飞速发展，使得道路工程计算机应用领域出现了不少新的技术产品，这些新技术已经或即将深入影响道路工程的设计过程，其中比较有代表性的是虚拟现实技术和BIM技术。在教学实践中，主要结合各类科技竞赛的机会，选择兴趣浓、基础好、学有余力的学生，结合科技竞赛选题，学习这些新技术在道路工程中的应用。虚拟现实技术应用方面，主要选择日本Forum8公司的UC-win/Road系统进行教学，该软件为道路规划设计提供了最新手段。使用该软件，设计人员无须任何三维动画制作经验，只需通过简单的操作，就能建立道路及其环境的3D模型，并实时进行VR驾驶模拟。通过内嵌的各专业模块，能在设计阶段形象进行道路交通模拟、交通安全评价、机动车油耗及排放物分析、噪音模拟与评估等工作，便于直观修改及优化道路设计方案。BIM技术应用方面，选择Autodesk Civil 3D软件和鸿业路立得（Roadleader）软件进行教学。Autodesk Civil 3D软件是Autodesk公司为基础设施领域用户打造的一款重要的BIM解决方案和设计工具平台，它的出现对传统的土木工程设计不啻为一场颠覆性的变革，即以图纸为核心的设计，必将会被Autodesk Civil 3D这种以模型为核心的设计所取代。Autodesk Civil 3D软件教学中，首先是把握该软件与传统道路CAD软件的不同点进行讲授，比如道路平面、纵断面、横断面设计采用传统软件进行设计有何不同，新的道路装配、部件概念，道路整体模型的建立方法与用途等内容。其次是要让学生深入理解这类基于BIM思想的软件在三维动态设计、专业协同工作方面的新亮点。不过，由于Autodesk Civil 3D软件是Autodesk推出的国际化软件，要按我国设计规范和制图标准完成实际项目并不方便，因此学习该软件主要是学BIM思想。近年来，我国鸿业软件公司基于Autodesk Civil 3D平台进行二次开发，推出了适合我国设计规范和出图标准的路立得（Roadleader）软件。在学生掌握Autodesk Civil 3D建模思想后，接着结合实际设计项目讲授路立得软件操作方法，能很快让学生掌握这种基于BIM技术的计算机应用系统。
　　以上三个阶段相关的教学目的、教学软件系统及教学时机安排见表1所示。
　　四、结语
　　（1）道路勘测设计课程对道桥专业学生的实践能力要求很高，在掌握课程基本理论和基本方法的基础上，要求学生还应具有一定解决实际道路设计问题的能力。
　　（2）根据多年的教学实践，提出了在道路勘测设计课程教学和其他环节中，分三阶段进行道路CAD系列软件讲授的教学思路。
　　（3）歷届毕业生就业反馈信息表明，该教学安排能循序渐进、全面培养道桥专业学生的计算机应用能力，能显著缩短道桥专业毕业生适应社会生产的时间。
　　[责任编辑：钟岚]
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15123135.htm