Сапр в дорожном строительстве
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГОРОДСКИХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Бондарев Б.А., Пономарев А.В., Чистяков Е.Г., Бондарев А.Б.
Systems computer aided design town car roads.
Очерёдность строительства устанавливается на основе планов развития дорожно- транспортной сети или на основе технико-экономических показателей перспективного строительства.
Анализ современных процессов автоматизации проектирования показывает, что с помощью автоматизации инженерных расчётов и чертёжных работ возможно существенное снижение сроков разработки проектов и повышения качества проектирования. Совокупность систем, направленных на автоматизацию расчётов и обеспечивающих получение результатов путём моделирования процессов называется системой автоматизированного проектирования (САПР). Проблема автоматизации проектирования практически во всех отраслях решается комплексно в следующих направлениях:
— Технологическом, включающем разработку структур банков хранения данных и систем управления базами данных;
— Концептуальном, включающем обобщение опыта проектирования и разработку общей концепции автоматизированного проектирования;
— Методологическом, определяющем процесс проектирования на основе современных средств вычислительной техники и актуальных программных продуктов;
— Теоретическом, включающем задачу создания объекта проектирования, анализ заложенных в проект инженерных решений и построение модели функционирования объекта
В системе автоматизированного проектирования автомобильной дороги (САПР ГАД) одно из важнейших мест должна занимать система имитационного моделирования процесса функционирования проектируемой дороги, позволяющая определять основные транспортно- эксплуатационные показатели по принимаемым проектным решениям.
Для достаточно эффективной оценки проектных решений, а также их оптимизации система моделирования процесса функционирования дороги в качестве входных параметров должна включать целый комплекс основных параметров, спроектированных в различных ТЛП. Выходными параметрами, определяющими качество проектного решения, принято считать стоимость строительства дороги, уровень безопасности движения, показатели текущих затрат и ежегодных экономических эффектов, экологические показатели.
Такой подход к подсистеме имитационного моделирования как составной части САПР требует существенных научных обобщений результатов ряда теоретических направлений, на которых основывается теория проектирования дорог, синтеза показателей эффективности дорожного движения и транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог, обоснование требований к подсистемам САПР ГАД.
Теория оценки качества проектируемых объектов и процессов определяет следующие процедуры оценки качества: формирование цели оценки, формирование системы критериев путём классификации свойств объекта и разработки методов определения критериев, выбор метода сверки показателей критериев, выбор базы оценки и метода определения базовых показателей.
Разработка методов определения показателей критериев ведётся на основе классификации транспортно-эксплуатационных свойств автомобильных дорог. Такая классификация выделяет:
— Первую группу показателей: интенсивность, объём движения, пропускную способность автомобильной дороги, скорость движения;
— Вторую группу показателей: прочность дорожной одежды и земляного полотна, шероховатость и ровность дорожного покрытия, коэффициент сцепления, износостойкость дорожного покрытия;
— Третью группу показателей: надёжность, срок службы дорожного полотна, относительную аварийность, безопасность;
— Четвёртую группу показателей: себестоимость перевозок и потери от дорожно- транспортных происшествий.
Система автоматизированного проектирования позволяет оценивать проект по всем четырём группам показателей транспортно-эксплуатационных качеств. На этом этапе транспортно-эксплуатационные качества определяются через комплекс основных показателей функционирования дороги, который будет служить основой для дополнения и развития на других этапах. Этот комплекс определяет показатели, которые являются выходными параметрами имитационной подсистемы САПР ГАД.
Эта подсистема имитирует процесс функционирования дороги путём моделирования движения автомобилей и автомобильных потоков. Входными параметрами служат основные параметры оцениваемых проектных решений, полученных в соответствующих технологических линиях проектирования:
— в ТЛП плана: геометрические параметры дороги, протяжённость и ширина;
— в ТЛП искусственных сооружений: типы, размеры и местоположение искусственных
сооружений;
— в ТЛП дорожной одежды: ровность и шероховатость покрытия;
-в ТЛП обустройства дороги: местоположение и типы ограждений, дорожных знаков, светофоров;
— в ТЛП перекрёстков: типы и местоположение перекрёстков.
Выходные параметры подсистемы, имитирующей процесс функционирования дороги, являются входными параметрами ТЛП технико-экономических обоснований проекта автомобильной дороги.
road-project.okis.ru
Автоматизированное проектирование автомобильных дорог (лекционный материал)
1 Внедрение новых информационных технологий в проектирование транспортных сооружений
1.1 Начальный этап развития информационных технологий в проектировании транспортных сооружений
1.2 Трудности, возникающие при внедрении новых информационных технологий в проектирование
1.3 САПР – ядро новых информационных технологий в проектировании транспортных сооружений
1.3.1 Система автоматизированного проектирования транспортных сооружений и её свойства
1.3.2 Средства обеспечения автоматизированного проектирования
1.3.3 Преимущества использования САПР по сравнению с традиционным проектированием
1.3.4 Использование математического моделирования
1.4 Современные программные средства, используемые в проектировании транспортных сооружений
2 Технологии проектно-изыскательских работ при использовании САПР
2.1 Причины, по которым требуются коренные изменения в технологии проектно-изыскательских работ
2.2 Отличительные особенности производства изыскательских работ для нужд автоматизированного проектирования
2.3 Понятие полосы варьирования и аналитический метод её построения
2.4 Замкнутая технология проектно-изыскательских работ
3 Инженерная цифровая модель местности
3.1 Понятие инженерной цифровой модели местности
3.2 Классификация цифровых моделей рельефа по характеру расположения точек
3.3 Моделирование поверхности
3.3.1 Триангуляционная модель рельефа
3.3.2 Статистическая модель рельефа
3.4 Цифровые модели рельефа, построенные на поперечниках к ломаному ходу
4 Современные технологии в проектировании плана трассы
4.1 Принцип полигонального трассирования и метод тангенсов
4.2 Принцип сплайна или упругой линейки
4.3 Интерполирование линии трассы кубическими сплайнами
4.4 Метод трассирования сглаживающими сплайнами
5 Современные методы проектирования продольного профиля
5.1 Принципы построения проектной линии продольного профиля
5.2 Оптимизационные и не оптимизационные методы
5.3 Анализ плавности проектной линии продольного профиля дороги, построенной с помощью квадратических парабол
5.4 Проектная линия, построенная с помощью кубических парабол (кубических сплайнов)
5.5 Преимущества проектной линии, построенной из кубических парабол
5.6 Проектирование продольного профиля в режиме оптимизации
6 Современные технологии в проектировании поперечных профилей земляного полотна и дорожных одежд
6.1 Назначение конструкции земляного полотна
6.2 Расчёт устойчивости откоса насыпи
6.3 Автоматизированное проектирование дорожных одежд
6.3.1 Оптимизационные методы в проектировании дорожных одежд
6.3.2 Конструктивные слои дорожных одежд
6.3.3 Критерии расчета нежёстких дорожных одежд
7.1 Виды расчётов искусственных сооружений
7.2 Гидромеханические расчёты мостовых переходов
7.3 Расчёты мостов по методу предельных состояний
7.4 Температурные расчёты мостов
Литература
Проектирование автомобильных дорог в САПР AutoCAD Civil 3D
Руководитель направления «Инфраструктура и ГИС» компании
«АйДиТи», авторизованный инструктор Autodesk.
Инженер-аэрофотогеодезист по образованию, специалист с 10-летним стажем работы в области инженерно-геодезических изысканий, руководитель проектов внедрения САПР и ГИС в ряде проектно-изыскательских организаций.
Время не стоит на месте. Там, где еще вчера были поля и пустыри, сегодня появляются новые жилые микрорайоны, торговые центры, школы и больницы, промышленные площадки. Широкомасштабное освоение прилегающих к городам территорий требует развития и транспортной сети. Поскольку в настоящее время доминирующим видом транспорта является автомобильный, грамотное и продуманное проектирование автомобильных дорог имеет колоссальное значение для качественного развития городского пространства с учетом текущих потребностей и дальнейших перспектив.
Проектирование таких сложных технических сооружений, как автомобильные дороги, всегда было непростым процессом, требующим всестороннего анализа самых разных факторов. В современном мире дороги должны иметь хорошие транспортноэксплуатационные характеристики, обеспечивать высокую безопасность движения, и при этом возводиться с минимально возможными строительными затратами и материалоемкостью. Сроки выполнения проектов сжатые, требования к качеству высокие. В этих условиях решающую роль играет выбор технологий и инструментов, используемых для проектирования.
Цифровая модель рельефа, созданная на основе двумерной топосъемки
На протяжении уже почти двух десятков лет большинство автомобильных дорог проектируется с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР), представляющих собой комплекс методических, информационных и программных средств, организационно взаимосвязанных с подразделениями проектноизыскательского предприятия. Автоматизированное проектирование позволяет разработать и выпустить проектносметную документацию, обладающую уровнем качества, недостижимым средствами традиционного проектирования. Сегодня на рынке САПР для проектирования автомобильных дорог предлагаются различные решения, различающиеся стоимостью, набором функциональных возможностей, эксплуатационными характеристиками, удобством и простотой внедрения и обучения, способностью обеспечивать интеграцию с другими средствами, создавать выходную документацию в соответствии с требуемыми нормами и правилами и т.д. В данной статье вашему вниманию предлагается обзор возможностей САПР от лидера рынка — компании Autodesk. Система автоматизированного проектирования объектов инфраструктуры AutoCAD Civil 3D представляет собой инновационное решение, впитавшее передовые и перспективные разработки, инструмент, на котором остановили свой выбор тысячи проектных организаций в нашей стране и во всем мире. Очевидным преимуществом решения является единая динамическая среда проектирования, построенная на основе широко известной и используемой платформы AutoCAD.
Система автоматизированного проектирования AutoCAD Civil 3D позволяет выполнять любые стадии проектов строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог всех категорий. Структурно процесс проектирования с помощью данной системы можно разбить на следующие основные этапы:
Начнем с первого этапа. Эффективное применение AutoCAD Civil 3D для подавляющего большинства инфраструктурных проектов немыслимо без подготовленной информации о местности в виде цифровой модели, включающей сведения о границах землепользования, геометрическом положении и характеристиках существующих объектов инфраструктуры — автомобильных и железных дорогах, инженерных коммуникациях, зданиях и сооружениях и т.п., а также о природных объектах — заболоченных участках, реках и других водоемах, лесных массивах и, конечно же, рельефе. Цифровая модель рельефа (ЦМР) является базой, на которой строится вся динамическая модель проекта дороги. ЦМР используется для создания продольных профилей линейных сооружений, является целевым объектом для определения проектных откосов и профилирования. По готовой поверхности существующего рельефа легко определить черные отметки в любой требуемой точке, быстро и точно подсчитать объемы земляных работ.
Трассы, построенные с помощью инструментов компоновки
Компетенция компании «АйДиТи» — комплексная интеграция систем автоматизации по всем направлениям проектноконструкторской деятельности. «АйДиТи» сотрудничает с государственными, муниципальными и коммерческими заказчиками, работающими в различных сферах: нефтегазовой отрасли и энергетике, объектах инфраструктуры и геоинформационных системах, архитектуре и строительстве, промышленном производстве и машиностроении, приборостроении и радиоэлектронике, электротехнике и автоматике, анимации и графике. Компания осуществляет:
систем автоматизированного проектирования и геоинформационных систем,
системного, офисного, антивирусного и иного прикладного программного обеспечения;
Компания «АйДиТи» отмечена партнерскими статусами ведущих мировых производителей программного обеспечения: золотой партнер Autodesk, Microsoft, Corel, партнер IBM, Symantec, Adobe, ABBYY, Kaspersky Lab, Embarcadero и многими другими. Полноценное региональное присутствие обеспечивает нашим заказчикам одинаково полный спектр продуктов и услуг по всей территории России. Центральный офис «АйДиТи» находится в Москве; региональные представительства — в СанктПетербурге, Екатеринбурге, Новосибирске и РостовенаДону; работают также представители в Казани, Томске, Тюмени, Сургуте и Пятигорске.
Многие инженерыпроектировщики, работающие в AutoCAD Civil 3D, уже сегодня получают в качестве исходных данных готовую ЦМР. Ее могут предоставить как изыскатели, также применяющие AutoCAD Civil 3D (в программном комплексе предусмотрен развитый модуль для обработки данных полевой съемки и подготовки топографической основы), так и геодезисты, использующие другие САПР (в виде объектов чертежа AutoCAD — 3Dграней). Но не везде и не всегда получение трехмерной геоподосновы представляется возможным. И тогда, перед тем как приступить непосредственно к своей работе, инженерыпроектировщики вынуждены тратить время и силы на подготовку исходных данных. В функциональных возможностях программного решения имеется набор средств и инструментов, позволяющих сформировать ЦМР по любым исходным данным. Объем работ по подготовке непосредственно зависит от характера этих самых исходных данных. В худшем случае можно представить отсканированный бумажный план, с которого придется долго и мучительно считывать горизонтали и высотные отметки, превращая их в векторную графику. В лучшем случае в качестве исходных могут быть получены чертежи в форматах DGN, DXF или DWG с 3Dобъектами — точками, дугами, отрезками, двумерными или трехмерными полилиниями. Создать по таким чертежам поверхность существующего рельефа в AutoCAD Civil 3D можно за считаные минуты. Тем не менее хочется отметить, что любые издержки, связанные с подготовкой исходных данных, с лихвой компенсируются дальнейшим упрощением выполняемых проектных работ.
Продольный профиль по оси автомобильной дороги
Выбор трассы автомобильной дороги предопределяет ее протяженность, размещение капитальных дорожных сооружений, стоимость выполнения строительных работ, характеристики движения автотранспорта. На стадии концептуального проектирования прорабатывается несколько вариантов прохождения трассы с конкурентными техникоэкономическими показателями, построенных с учетом природных факторов: особенностей рельефа, водных препятствий, участков, неблагоприятных для строительства, а также факторов, обусловленных человеческой деятельностью. С применением САПР AutoCAD Civil 3D стало гораздо легче правильно оценить условия, в реальные сроки принять верные решения по трассе прохождения будущей автомобильной дороги. Возможности динамической среды программного комплекса со взаимосвязанными элементами позволяют оперативно и качественно проработать множество вариантов. В качестве примера можно привести отечественную организацию, проектирующую тоннели и другие сложные транспортные объекты, в которой с переходом на САПР AutoCAD Civil 3D в те же сроки успевают дать всестороннюю оценку не двумтрем вариантам, как раньше, а четыремпяти.
Автоматически созданная трехмерная модель перекрестка
Динамическая модель автомобильной дороги
После обоснования принятия трассы автомобильной дороги выполняется комплекс изысканий. И уже по уточненным детализированным данным о местности по полосе топографической съемки с учетом выявленных геологических, гидрологических и метеорологических критериев формируется конечная осевая дороги. С помощью широкого спектра инструментов трассирования в среде AutoCAD Civil 3D возможно выполнить определение трассы как традиционным и наиболее распространенным методом полигонального или тангенциального трассирования, так и более прогрессивным методом «гибкой линейки», или клотоидного трассирования. Возможно преобразование в объекты Civil 3Dтрассы обычных примитивов AutoCAD: отрезков, дуг или полилиний с автоматическим вписыванием в вершины углов кривых заданного радиуса. Возможно создание трасс оптимального вписывания по данным топографической съемки и других объектов, что весьма полезно при выполнении проектов ремонта или реконструкции существующих дорог и городских улиц. Но набольший интерес в арсенале средств AutoCAD Civil 3D представляют инструменты компоновки, содержащие превосходный набор команд и элементов, позволяющих легко и быстро создать трассу с корректной геометрией, да еще и с автоматической проверкой на соответствие нормативным критериям проектирования. Элементы — линии, дуговые и переходные кривые и их разнообразные сочетания — имеют различные типы связей и методы определения. В инструментах компоновки имеются команды управления вершин углов точек пересечения, табличные редакторы как всей трассы, так и отдельных ее частей.
Оформление трасс управляется стилями объектов и наборами меток — динамических аннотаций, отображающих реальные характеристики объекта: пикетаж, геометрические точки, рубленые пикеты, проектные скорости и т.п. Кроме того, возможно создание меток по определенным пользовательским точкам, вершинам углов, элементам геометрии трассы.
Визуализация трехмерной модели спроектированного в AutoCAD Civil 3D-объекта
Плановое положение трассы необходимо определять и с учетом рельефа местности. В AutoCAD Civil 3D за секунды можно создать профиль поверхности существующего рельефа, который будет динамически обновляться с изменением трассы. Продольный профиль состоит из самого разреза рельефа — объекта «Профиль», сетки профиля — объекта «Вид профиля» и «Областей данных» — подпрофильной таблицы. Настройки внешнего вида задаются стилями этих объектов и соответствуют требованиям нормативных документов, регламентирующих оформление.
Проектный профиль автомобильной дороги создается с помощью инструментов компоновки профиля. Как и при определении планового положения трассы, проектирование осуществляется с учетом нормативных критериев. С помощью файлов, входящих в поставку программы, можно выполнять контроль проектных решений на соответствие СНиП 2.05.0285. При необходимости можно с легкостью формировать пользовательские файлы проверок, задействуя специальный редактор. Инструменты компоновки продольного профиля позволяют создавать прямолинейные и дуговые элементы с различными типами связей по параметрам (длина, радиус, точка прохождения и т.д.), преобразованию из объектов AutoCAD (отрезок, сплайн) или через табличный ввод данных. В инструментах содержатся средства управления точками вертикального пересечения, команды редактирования высотного положения участков профиля, увязки с другими трассами и др.
Третий этап — трехмерное моделирование автомобильной дороги — начинается с определения типовых поперечных профилей (конструкций). Конструкции собираются из элементов, присоединяемых к базовой линии (линии трассы). В поставку программного комплекса включена обширная библиотека элементов конструкций, представляющих собой элементы земляного полотна (выход на рельеф, звенья по смещениям, уклонам и т.п.) и дорожной одежды (многослойные полосы движения, обочины, тротуары и т.д.). Имеются элементы для искусственных сооружений, подпорных стенок, водоотвода. Элементы конструкций имеют входные параметры (ширина, толщина, поперечный уклон…) и целевые параметры (возможность определения планового и высотного положения из характеристик других объектов — трасс, профилей, характерных линий и объектов AutoCAD). Многие элементы обладают интеллектуальным поведением. Например, стандартный выход на рельеф можно настроить таким образом, чтобы в зависимости от возвышения проектного профиля над черным устанавливалась разная крутизна откоса, на крутых участках насыпи вставлялось ограждение, а в выемке задавался кювет с определенными параметрами. Если в библиотеке нет нужных элементов, из примитивов чертежа можно создать свои пользовательские. Элементы конструкций содержат в себе наборы кодов. При моделировании дороги создается объект «Коридор». Конструкции с определенным шагом расставляются вдоль трассы в плане и продольного профиля по высоте. Точки конструкций с одноименными кодами объединяются и формируют линии (края проезжих частей, замощенных и незамощенных обочин, бровки и подошвы откосов и т.п.). Коды звеньев элементов конструкций задействуются для определения поверхностей по модели дороги — вертикальной планировки (верх дорожной одежды), земляного полотна и др. Коридоры могут состоять из нескольких базовых линий (совокупностей трасс и профилей) для моделирования сложных транспортных объектов — магистралей с разделенными полосами, развязок. Отдельно стоит упомянуть уникальный модуль создания перекрестков. В считаные секунды с помощью удобного мастера в AutoCAD Civil 3D автоматически формируются трехмерные модели пересечений в одном уровне.
Динамическая среда программного комплекса позволяет инженерампроектировщикам работать с единой моделью автомобильной дороги. При внесении изменений в любую составляющую проекта — трассу, продольный профиль, конструкцию — будут обновляться и общая модель коридора, и все построенные на основе коридора или взаимосвязанные с ним объекты. Для многих проектных организаций именно эта особенность AutoCAD Civil 3D стала ключевой при принятии решения о переходе на использование данной САПР. Ведь не бывает проектов, не требующих исправлений и корректировок. Изменения неизбежны, а их учет в других программных средствах требует от инженеров массы времени и сил — порой проект приходится переделывать чуть ли не заново.
Динамическая среда AutoCAD Civil 3D позволяет автоматически обновлять не только модель проекта, но и выходные чертежи и результаты расчетов. Расчет объемов земляных работ осуществляется по осям сечений и поверхностям черной земли и коридора. Кодам форм элементов конструкций могут быть заданы материалы дорожной одежды, облицовки и других элементов дороги (асфальтобетон, песок, гравий и т.д.). Затем инструментами подсчета объемов определены их объемы для строительства инфраструктурного проекта. По осям сечений также оформляются необходимые для выпуска проекта поперечные профили в требуемом внешнем виде, разбитые на листы для вывода на печать. Механизм автоматизированного формирования выходных чертежей позволяет осуществить нарезку листов плана и продольного профиля трассы по шаблонам. В шаблонах листов имеются компоновки форматов, масштаба печати, рамочного оформления.
Возможности программного комплекса AutoCAD Civil 3D огромны, а формат журнальной статьи, к сожалению, ограничен. За пределами публикации осталось многое: удобная работа с виражами, автоматическое создание уширений, тоннели и многоуровневые развязки, специальные инструменты для проектов реконструкции и ремонта и т.д. Более подробно узнать о функциях САПР, реальном опыте применения, организации коллективной работы и внедрения AutoCAD Civil 3D можно на регулярных мероприятиях, проводимых в учебном центре компании
«АйДиТи», — семинарах и тестдрайвах, в том числе и с помощью дистанционных средств вещания (вебинаров).