基于CAD二次開發(fā)的明挖隧道主體結(jié)構(gòu)樁基布置研究與應(yīng)用

作者簡(jiǎn)介：李家?。?991-），男，工程師。研究方向?yàn)镃AD二次開發(fā)與數(shù)字孿生開發(fā)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.027

摘? 要：隨著隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)向數(shù)智化、信息化發(fā)展，常規(guī)依托設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行圖形繪制無(wú)法解決設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)快速化、智能化繪圖需求。目前AutoCAD作為設(shè)計(jì)領(lǐng)域常規(guī)輔助軟件，其擁有豐富的API接口，人性化交互方式，依托于該平臺(tái)二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)用戶需求，成為提升設(shè)計(jì)用戶工作效率的首要選擇。該文采用C#語(yǔ)言，依托.NET框架和CAD平臺(tái)，引入容差等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化布置明挖隧道主體結(jié)構(gòu)樁基方案，有效解決常規(guī)設(shè)計(jì)中繪圖時(shí)間急迫、設(shè)計(jì)方案更新頻繁、繪圖繁瑣及樁基布置必須依靠手動(dòng)調(diào)整等帶來(lái)的設(shè)計(jì)效率低下、質(zhì)量起伏大等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：CAD；二次開發(fā)；明挖隧道設(shè)計(jì)；樁基布置；C#

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）12-0120-04

Abstract： With the development of the tunnel structure design industry towards digital intelligence and informatization， conventional drawing based on design experience cannot meet designers' needs for fast and intelligent drawing. At present， AutoCAD， as a common auxiliary software in the design field， has a rich API interface and a humanized interaction mode. Relying on the platform for secondary development to realize the needs of design users， Autocad has become the primary choice to improve the work efficiency of design users. This paper adopts C# language， relies on. NET framework and CAD platform， and introduces tolerance and other technologies to realize the automatic layout of pile foundation for the main structure of open-cut tunnel， which effectively solves the problems caused by urgent drawing time， frequent updating of design schemes， tedious drawing， and manual adjustment of pile foundation layout， such as low design efficiency and large quality fluctuations.

Keywords： CAD; secondary development; open-cut tunnel design; pile foundation layout; C#

在明挖隧道設(shè)計(jì)中，由于地基承載力過(guò)小或浮力過(guò)大等因素，需要在隧道下方布置承載樁或抗浮樁基，以抵抗隧道變形導(dǎo)致的隧道破損。在常規(guī)設(shè)計(jì)流程中，樁基方案晚于隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。而在實(shí)際施工時(shí)，樁基施工早于隧道開挖，其方案圖紙需提前交付給相關(guān)單位。因此，留給設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)研究樁基方案時(shí)間較短。

在地鐵或市內(nèi)道路隧道等明挖隧道中，線路方案調(diào)整、地質(zhì)鉆孔信息揭示更新、隧道明挖范圍大、樁基布置數(shù)量多和圖紙中附注細(xì)節(jié)繁雜等因素都制約著設(shè)計(jì)人員根據(jù)樁基計(jì)算結(jié)果，快速調(diào)整樁基布置方案，而在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，樁基方案調(diào)整往往依靠設(shè)計(jì)人員根據(jù)自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)整。因此，快速更新樁基方案是目前大多數(shù)隧道設(shè)計(jì)人員的急迫需求。

1? 需求分析

1.1? 用戶需求

根據(jù)設(shè)計(jì)用戶輸入的樁基直徑、數(shù)量及隧道輪廓線等數(shù)據(jù)結(jié)合樁基方案快速完成樁基方案布置，繪制樁基圖紙，并同步輸出樁基坐標(biāo)、標(biāo)號(hào)等信息。

1.2? 軟件平臺(tái)環(huán)境

目前，絕大多數(shù)隧道設(shè)計(jì)人員均使用CAD繪制圖形，且CAD二次開發(fā)技術(shù)成熟，其開發(fā)工具主要包括ObjectARX、VBA、Lisp和.NET等常規(guī)工具，綜合考慮用戶CAD版本無(wú)法統(tǒng)一因素，結(jié)合界面與內(nèi)容需實(shí)時(shí)交互等特性，本次采用C#語(yǔ)言，依托.NET框架完成CAD二次開發(fā)工作。

2? 數(shù)據(jù)流分析

本項(xiàng)目?jī)H實(shí)現(xiàn)圖形繪制功能，其數(shù)據(jù)來(lái)源于用戶輸入的樁徑、數(shù)量等基本參數(shù)和用戶選擇的隧道外輪廓邊線圖形信息。程序根據(jù)規(guī)范要求，生成多種樁基布置方案，供用戶選擇。用戶確認(rèn)選擇后，生成該方案圖紙，并完成樁基的坐標(biāo)及標(biāo)號(hào)繪制，完成數(shù)據(jù)輸出。項(xiàng)目數(shù)據(jù)流動(dòng)清晰，如圖1所示。

圖1? 數(shù)據(jù)流流程圖

3? 重難點(diǎn)分析

在隧道規(guī)范中，僅有樁基之間的最小樁間距要求，并參照行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，隧道范圍內(nèi)樁基布置均勻、對(duì)稱即可。上述行業(yè)需求為主觀描述，其無(wú)法轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的客觀程序數(shù)據(jù)要求。綜合規(guī)范要求的樁基最小間距和用戶選擇的隧道輪廓線，可以獲得樁基間距范圍，由于在CAD中布置樁基，其位置精度為0.001 m，樁基布置單位為m，若僅參考布置范圍和精度設(shè)置，布置方案數(shù)量較多，按上述思路進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致方案冗余和程序性能銳減。假設(shè)樁間距最小值為Dmin，最大值為Dmax，精度為p，按常規(guī)程序設(shè)計(jì)，2根樁布置存在方案數(shù)量為N，其計(jì)算公式如下

N=■。

參考常規(guī)樁基方案設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)，僅考慮2根樁布置時(shí)，其方案數(shù)量N>10 000，程序時(shí)間和內(nèi)存復(fù)雜度明顯超出常規(guī)程序方案。

針對(duì)上述需求特點(diǎn)，在本項(xiàng)目中引入設(shè)計(jì)容差f，2根樁按容差的整數(shù)倍數(shù)值布置，設(shè)計(jì)容差為用戶輸入數(shù)值，可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。2根樁在平面布置時(shí)，其方案數(shù)量

N=■。

根據(jù)用戶數(shù)據(jù)反饋，引用設(shè)計(jì)容差后，其樁基布置方案N為10～40，滿足用戶需求。

采用設(shè)計(jì)容差后優(yōu)勢(shì)如下：①容差值為動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)值，位置精度為方案布置固有屬性，其為方案部署精確性的客觀描述，同樣的位置精度在不同圖形比例圖紙中代表的工程距離差值較大，采用位置精度來(lái)確定方案數(shù)量存在方案遺漏的風(fēng)險(xiǎn)，而采用設(shè)計(jì)容差，用戶則可以根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整，降低方案遺漏風(fēng)險(xiǎn)；②因位置精度為0.001 m，其數(shù)值小，在同一個(gè)圖形比例圖紙中布置樁基時(shí)，導(dǎo)致方案數(shù)量較多，造成方案冗余和降低程序性能，設(shè)計(jì)容差一般為5 m，數(shù)值大，且可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，布置樁基時(shí)，可以有效去除冗余方案。

在滿足樁基布置均勻和對(duì)稱的要求下，樁基布置方案會(huì)出現(xiàn)不符合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)情況，如圖2—圖3所示。因此需刪除類似不符合要求方案。

圖2? 不符合行業(yè)方案一? ? ?圖3? 不符合行業(yè)方案二

由于樁基在平面布置上約束條件過(guò)少，如果利用常規(guī)的漫水填充法、像素法等常規(guī)算法計(jì)算樁基位置會(huì)出現(xiàn)不符合行業(yè)要求的方案。結(jié)合明挖隧道樁基布置特點(diǎn)，本項(xiàng)目將隧道樁基分為橫、縱布置（沿隧道方向?yàn)闄M方向，垂直于隧道方向?yàn)榭v方向，如圖4所示），每一排的樁基布置中心線與隧道變形縫線或隧道邊墻線平行，在上述平行線布置樁基，剔除了不符合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的方案。

圖4? 沿隧道縱橫樁基布置方案

4? 功能設(shè)計(jì)步驟

程序主要使用C#語(yǔ)言，與用戶交互界面采用WPF中MVVM框架，依托于CAD平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，功能設(shè)計(jì)步驟主要分為用戶輸入基本參數(shù)，選擇隧道外輪廓線、程序處理等9個(gè)步驟，其流程圖如圖5所示。

步驟1：用戶在用戶界面輸入樁基數(shù)量、樁基直徑，設(shè)計(jì)容差等基本參數(shù)，如圖6所示。

用戶在輸入數(shù)據(jù)時(shí)，若項(xiàng)目文件夾中不存在數(shù)據(jù)配置文件，程序會(huì)采用默認(rèn)值，文本框數(shù)據(jù)默認(rèn)為0，勾選框數(shù)據(jù)默認(rèn)為false，下拉框數(shù)據(jù)默認(rèn)采用數(shù)據(jù)源中的第一個(gè)數(shù)據(jù)。反之程序?qū)⑴渲梦募?shù)據(jù)輸出到程序界面。用戶在確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)后，程序?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到項(xiàng)目配置文件中，通過(guò)此項(xiàng)工作內(nèi)容，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，減少用戶重復(fù)性工作。

在進(jìn)行下一步時(shí)，程序?qū)斎霐?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，考慮后續(xù)步驟中，存在文字輸出需求，因此若用戶選擇的文本樣式中字高或比例為0時(shí)，程序會(huì)提醒用戶暫時(shí)退出樁基布置功能如圖7所示，并設(shè)置相關(guān)字體樣式參數(shù)后，再進(jìn)行布樁區(qū)域選擇。

圖5? 功能設(shè)計(jì)流流程圖

圖6? 基本參數(shù)輸入界面

圖7? 提示用戶設(shè)置字體樣式

步驟2：用戶選擇拾取隧道外輪廓線。

本步驟利用CAD.net中Prompt Sele-ctionOptions接口，實(shí)現(xiàn)可以框選隧道外輪廓線，其代碼如下。

public static List SelectEntities（）

{

List entities = new List-（）;

using（Transaction trans = db.Transaction-Manager.StartTransaction（））

{

PromptSelectionOptions peo = new Prompt-SelectionOptions（）;

peo.MessageForAdding = "請(qǐng)選擇實(shí)體";

PromptSelectionResult psr=ed.GetSelection（peo）;

SelectionSet ss = psr.Value;

if （psr.Status ！= PromptStatus.OK）

{

return null;

}

else

{

foreach （var objectid in ss.GetObjectIds（））

{

var entity = objectid.GetObject（OpenMode.-ForRead） as Entity;

entities.Add（entity）;

}

}

trans.Commit（）;

}

return entities;

}

步驟3：程序根據(jù)隧道外輪廓線進(jìn)行軟件識(shí)別，確定隧道外墻邊線和變形縫線。

在明挖隧道設(shè)計(jì)中，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)定如下：①隧道側(cè)墻邊線與變形縫線始終垂直;②隧道外輪廓線為閉合線段；③隧道側(cè)墻邊線可能為曲線或直線，隧道變形縫必須為直線。為滿足上述行業(yè)要求，在本步驟中需根據(jù)輸入的外輪廓線進(jìn)行判斷并剔除不符合要求線段。

首先，根據(jù)CAD API接口提供的多段線PolyLine屬性IsClose判斷用戶所選線段是否為閉合曲線，剔除掉IsClose屬性為false的線段。進(jìn)一步，對(duì)多段線所有頂點(diǎn)進(jìn)行遍歷，并生成前后頂點(diǎn)連線向量，根據(jù)向量點(diǎn)積是否為0，判斷前后頂點(diǎn)連線是否垂直，如果所有頂點(diǎn)連線均前后不垂直或者判斷出的頂點(diǎn)連線數(shù)量不等于4，則提醒用戶重新選擇。將符合要求的多段線在頂點(diǎn)連線垂直位置打斷，進(jìn)一步，判斷打斷后的線段是否均是曲線，判斷線段是否為曲線的原則為對(duì)線段頂點(diǎn)進(jìn)行遍歷，并獲得前后頂點(diǎn)單位向量，若一段線段的所有前后頂點(diǎn)單位向量存在不相等值，則該線段為曲線，否則為直線。進(jìn)一步，將曲線添加進(jìn)隧道邊墻輪廓線組合，將直線添加進(jìn)隧道變形縫線組合。

在上述步驟中，若存在剔除不符合要求線段后，所剩線段數(shù)量為0的情況，則需要提醒用戶重新選擇多段線，直至全部符合要求。同時(shí)，還需要對(duì)邊墻線和變形縫線組合進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，若出現(xiàn)線段集合數(shù)量為0，或數(shù)量為奇數(shù)，或邊墻線數(shù)量與變形縫線數(shù)量不相等的情況，需提醒用戶重新選擇合適的邊墻線或變形縫線，直至程序能獲取符合要求的線段，其流程圖如圖8所示。

圖8? 程序處理用戶選擇多段線流程圖

步驟4：取外墻邊為橫向極限長(zhǎng)度，變形縫為縱向極限長(zhǎng)度，根據(jù)設(shè)計(jì)容差及規(guī)范要求最小凈距要求，確定橫、縱布置間距范圍值。

考慮隧道出現(xiàn)最不利情況，即隧道外輪廓為弧線，內(nèi)外側(cè)墻長(zhǎng)度不相等，且隧道出現(xiàn)擴(kuò)大段、變形縫長(zhǎng)度亦不相等的情況，為滿足布置樁基仍然均勻的要求，需分別取外墻和變形縫的極限長(zhǎng)度。

步驟5：根據(jù)設(shè)計(jì)樁基數(shù)量，獲得其公約數(shù)組合，每個(gè)組合中公約數(shù)即為縱橫方向上的樁數(shù)量。

步驟6：根據(jù)數(shù)量初步驗(yàn)算橫縱布置間距是否滿足位于步驟4中范圍內(nèi)，剔除掉不符合要求的方案。

步驟7：在隧道外輪廓線中根據(jù)橫縱布置間距布置樁基，并對(duì)步驟5中每個(gè)組合進(jìn)行循環(huán)遍歷。

步驟8：將方案輸出到界面UI表格中，同時(shí)綁定UI表格與CAD方案繪制功能，供用戶選擇。

步驟9：用戶選擇合適的方案，程序確認(rèn)方案，輸出每個(gè)樁基坐標(biāo)、標(biāo)號(hào)，并繪制樁基方案布置圖。

5? 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目作為明挖隧道研發(fā)系統(tǒng)的一部分，始終立足于解決設(shè)計(jì)用戶的實(shí)際需求，解決了用戶設(shè)計(jì)時(shí)間緊迫，快速更新方案及繪圖等需求，提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率，確保了設(shè)計(jì)質(zhì)量。讓設(shè)計(jì)人員有更多的時(shí)間及精力完成隧道方案研究。此外，該項(xiàng)研發(fā)工作有助于編程人員更好地理解設(shè)計(jì)人員需求，并針對(duì)需求研究滿足行業(yè)及程序性能解決方案，鍛煉了程序方案設(shè)計(jì)能力，對(duì)生產(chǎn)辦公的自動(dòng)化及智能化工作起到了很好的示范與推廣工作。

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