Проектирование автомобильных дорог в САПР AutoCAD Civil 3D

Сергей Круглов

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:

1. подготовка цифровой модели местности (ЦММ);
2. определение трассы дороги в плане и профиле;
3. трехмерное моделирование автомобильной дороги;
4. расчет объемов работ и создание выходной документации.

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

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).

САПР и графика 8`2011