道路CAD系列軟件在道路勘測設計課程中的教學實踐

涂圣文 趙振華 鄧夢雪 王冰

[摘要]為在道路勘測設計課程教學中有效培養學生的實踐能力，課題組提出了進行道路CAD系列軟件講授的教學思路。道路CAD系列軟件的教學分為三個階段，分別為入門階段的道路CAD軟件的認識教學和道路主要設計流程教學，加強階段的道路幾何設計所有模塊的計算機輔助設計方法教學，提升階段的虛擬現實、BIM等新技術軟件教學。教學實踐表明，該教學安排能循序漸進、全面培養道橋專業學生的計算機應用能力，能顯著縮短道橋專業畢業生適應社會生產的時間，是道路勘測設計課程教學有效的改革方向。

[關鍵詞]道路勘測設計;道路CAD;虛擬現實;BIM

[中圖分類號]G642

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）03-0046-03

道路勘測設計是道橋專業一門重要的必修課程。道路設計可分為線形設計與結構設計兩部分，本課程主要講授線形設計部分，通過該課程的教學，使學生達到掌握路線設計理論與方法的目的，能獨立完成道路勘測與平面、縱斷面、橫斷面設計工作，初步具備從事道路路線勘察設計的能力。

與道橋專業其他專業課程相比，道路勘測設計課程對學生的實踐能力要求更高，即在掌握課程基本理論和基本方法的基礎上，要求學生還應具有一定解決實際道路設計問題的能力。為在道路勘測設計課程教學中有效培養學生的動手能力，不少教育工作者在該課程的教學中進行了實踐性教學的改革與探索，其主要方法集中在案例教學、課程設計、課程實習等方面。

筆者從2005年開始從事道路勘測設計的課程教學，在該課程多年的教學實踐中，注重結合道路CAD軟件的講解和實操訓練來培養學生在道路設計方面的實踐能力，現就該課程的教學實踐談一談自己的心得體會。

一、道路CAD技術發展概述

計算機技術于20世紀60年代開始應用于道路勘測設計網，起初主要輔助道路設計過程中的重復計算問題，如英國的HOPS程序系統和德國的EPOS程序系統的應用。從20世紀70年代開始，隨著計算機繪圖功能的開發，圖形軟件的逐漸完善，工程設計中大量圖紙的繪制逐步由計算機完成，道路CAD系統功能不斷完善，逐步走向實用階段。到20世紀80年代，道路CAD系統發展更加成熟，并逐步走向系統化、集成化、商品化，在人機交互、可視化技術等方面有了很大的發展，具有交互能力強、運行速度快、使用靈活方便等突出優點，如德國的CARD/1、英國的MOSS和美國Intergraph公司的Inroads等系統。20世紀90年代至今的二三十年以來，計算機硬件技術與軟件技術發生了質的飛躍，虛擬現實、BIM等新技術在土木行業中的深度應用使得道路CAD軟件發展進入了一個全新的時代，道路設計自動化程度愈加增強，設計成果的可視化展示手段愈加豐富，專業之間協同化工作效率得到提高，道路設計軟件系統功能也愈加強大。德國的CARD/1系統在三維地形處理、三維協同設計和三維可視化方面做得更加出色，日本Forum8公司推出了面向虛擬仿真的UC-win/Road系統，美國Bentley收購Intergraph后，逐漸推出了面向三維設計和BIM技術的Power InRoads系統（包括面向中國市場的Power Civil for China），Autodesk公司則基于AutoCAD平臺推出了道路BIM設計軟件Civil 3D。

我國道路CAD研究始于20世紀70年代后期，雖起步較晚，但經過三四十年的發展，我國道路設計單位大多在不同程度上已使用了CAD技術，把道路CAD技術作為做好工程設計的重要手段。目前我國設計單位使用廣泛的道路CAD系統主要有中交一公院的緯地道路輔助設計系統（HintCAD）、中交二公院的公路與互通立交集成CAD系統（JSL-Road）、東南大學的動態交互式道路及互通式立交系統（DICAD、EICAD）、西安海地公司的海地公路優化設計系統（Hard）、鴻業公司的鴻業市政道路設計軟件（HY-SZDL）以及天正公司的天正市政道路軟件（TDL）等。近年來，隨著BIM技術應用的逐漸成熟，道路CAD軟件公司也開始發布基于BIM技術的道路設計軟件，如鴻業公司推出的路立得（Roadleader）軟件系統。

二、道路勘測設計課程對學生的計算機應用能力要求

在道橋專業課程體系中，主要的專業課由道路勘測設計、路基路面工程、橋梁工程、基礎工程等課程組成。其中道路勘測設計課程主要講授道路幾何線形勘測設計的基本理論和基本方法，包括道路的平面設計、縱斷面設計、橫斷面設計、選線和定線、平面交叉和立體交叉等內容。在我國公路勘察設計生產部門的組織架構中，一般都是按路線、路基路面、橋涵、隧道、交通工程及造價等專業來進行設計人員的分工組織。在這些專業中，路線專業是工作任務最重的專業之一。路線專業的設計人員不僅要完成道路的幾何線形設計，而且往往要扮演項目負責人或項目總體的角色，來統籌、協調其他專業設計人員的工作。道路勘測設計是培養路線設計人員基本理論和基本技能最主要的專業課程。

我國《公路工程基本建設項目設計文件編制辦法》規定，公路工程項目設計文件的第一篇“總體設計”、第二篇“路線”、第七篇“路線交叉”全部文件和第四篇“路基、路面”中部分文件均需要由路線專業人員來完成。道路工程項目往往時間緊任務重，傳統的手工繪圖方法已無法滿足項目的建設進度要求，20多年前國內道路設計單位開始廣泛使用道路CAD軟件來輔助道路工程勘測設計。

為適應新技術發展對道橋專業畢業生的能力要求，實現道路勘測設計課程對路線專業人員職業技能的培養目標，在道路勘測設計課程教學中，需要學生掌握的計算機應用技能主要包括以下幾個方面：

（1）電子地形數據的處理、建模與分析能力;

（2）道路平面、縱斷面及橫斷面的設計與出圖能力;

（3）道路交叉口平面設計、豎向設計及出圖能力;

（4）道路工程土石方計算與調配技能;

（5）道路交通標志、標線設計能力;

（6）道路三維建模、虛擬仿真與BIM建模能力。

三、道路CAD系列軟件教學設計

根據道路勘測設計課程對學生計算機應用能力的要求，以及國內外道路CAD系統的應用現狀，在多年教學實踐中，筆者結合道路勘測設計課程教學、課程設計，各類科技競賽，以及畢業設計環節，將道路CAD軟件教學分為三個階段來進行，以下分別予以詳述。

第一階段為入門階段，主要結合道路勘測設計課程的教學過程，讓學生初步認識道路CAD軟件，掌握運用道路CAD軟件進行路線平面、縱斷面、橫斷面設計的主要流程。一般在道路勘測設計課程開設之前，學生已修完工程制圖及計算機繪圖等課程，道路勘測設計課程教學中，在講授完教材基礎理論后，可逐漸向學生介紹道路CAD軟件系統。此階段道路CAD軟件的教學內容主要包括兩個方面：一方面是道路CAD軟件工作機制的講解，即向學生講解目前國內主要道路CAD軟件一般均是基于AutoCAD平臺二次開發的產物，是常規AutoCAD功能在道路專業的定制產品。同時，還需講解常用道路CAD軟件在數據文件、圖形文件的存儲及協作機制，讓學生了解道路CAD軟件實現工程設計和圖紙繪制的過程。另一方面的教學內容是結合適用于初學者學習的緯地道路輔助設計系統，向學生講解道路平面、縱斷面和橫斷面設計的操作方法。

第二階段為加強階段，在學生具備一定道路CAD軟件使用技能的基礎上，引導學生全面掌握其他常用道路CAD軟件系統的使用，全面掌握道路幾何設計所有模塊的計算機輔助設計方法。在道路勘測設計課程教學之后的課程設計階段，以及道路方向學生畢業設計階段，給學生講解另幾款國內設計院廣泛使用的道路CAD軟件系統：EICAD軟件、鴻業市政道路設計軟件（HY-SZDL）、緯地工程土石方調配系統、鴻業交通設施設計軟件。與緯地軟件相比，EICAD軟件除了在公路設計部門使用外，也廣泛應用于城市道路設計中。同時，EI-ACD軟件還是國內互通式立交設計的主流軟件。但EI-CAD軟件學習要難一些，需要學生具備一定的軟件使用基礎。鴻業軟件則主要適用于城市道路設計，是國內城市道路設計市場占有率最高的軟件。緯地工程土石方調配系統和鴻業交通設施設計系統分別屬于緯地軟件的土石方調配模塊與鴻業軟件的交通工程設計模塊。在學生對緯地軟件基本功能掌握的基礎上，選擇上述軟件加強學習，全面掌握道路工程設計中數字地面模型建立、道路平縱橫設計、路基土石方計算調配、平交口設計、交通標志標線設計的基本技能和方法，能有效提高學生的計算機應用能力，使學生更加適應社會生產的全面性能力的要求。

第三階段為提升性教學，通過上述兩階段的學習，學生已經能運用道路CAD軟件完成道路設計中絕大部分工作，畢業后也能很快適應設計院的工作。但近幾年信息技術的飛速發展，使得道路工程計算機應用領域出現了不少新的技術產品，這些新技術已經或即將深入影響道路工程的設計過程，其中比較有代表性的是虛擬現實技術和BIM技術。在教學實踐中，主要結合各類科技競賽的機會，選擇興趣濃、基礎好、學有余力的學生，結合科技競賽選題，學習這些新技術在道路工程中的應用。虛擬現實技術應用方面，主要選擇日本Forum8公司的UC-win/Road系統進行教學，該軟件為道路規劃設計提供了最新手段。使用該軟件，設計人員無須任何三維動畫制作經驗，只需通過簡單的操作，就能建立道路及其環境的3D模型，并實時進行VR駕駛模擬。通過內嵌的各專業模塊，能在設計階段形象進行道路交通模擬、交通安全評價、機動車油耗及排放物分析、噪音模擬與評估等工作，便于直觀修改及優化道路設計方案。BIM技術應用方面，選擇Autodesk Civil 3D軟件和鴻業路立得（Roadleader）軟件進行教學。Autodesk Civil 3D軟件是Autodesk公司為基礎設施領域用戶打造的一款重要的BIM解決方案和設計工具平臺，它的出現對傳統的土木工程設計不啻為一場顛覆性的變革，即以圖紙為核心的設計，必將會被Autodesk Civil 3D這種以模型為核心的設計所取代。Autodesk Civil 3D軟件教學中，首先是把握該軟件與傳統道路CAD軟件的不同點進行講授，比如道路平面、縱斷面、橫斷面設計采用傳統軟件進行設計有何不同，新的道路裝配、部件概念，道路整體模型的建立方法與用途等內容。其次是要讓學生深入理解這類基于BIM思想的軟件在三維動態設計、專業協同工作方面的新亮點。不過，由于Autodesk Civil 3D軟件是Autodesk推出的國際化軟件，要按我國設計規范和制圖標準完成實際項目并不方便，因此學習該軟件主要是學BIM思想。近年來，我國鴻業軟件公司基于Autodesk Civil 3D平臺進行二次開發，推出了適合我國設計規范和出圖標準的路立得（Roadleader）軟件。在學生掌握Autodesk Civil 3D建模思想后，接著結合實際設計項目講授路立得軟件操作方法，能很快讓學生掌握這種基于BIM技術的計算機應用系統。

以上三個階段相關的教學目的、教學軟件系統及教學時機安排見表1所示。

四、結語

（1）道路勘測設計課程對道橋專業學生的實踐能力要求很高，在掌握課程基本理論和基本方法的基礎上，要求學生還應具有一定解決實際道路設計問題的能力。

（2）根據多年的教學實踐，提出了在道路勘測設計課程教學和其他環節中，分三階段進行道路CAD系列軟件講授的教學思路。

（3）歷屆畢業生就業反饋信息表明，該教學安排能循序漸進、全面培養道橋專業學生的計算機應用能力，能顯著縮短道橋專業畢業生適應社會生產的時間。

[責任編輯：鐘嵐]