隧道CAD參數(shù)化繪圖研究與實踐
研究我國隧道CAD技術(shù)的現(xiàn)狀,指出套標(biāo)準(zhǔn)圖法的不足.通過研究參數(shù)化繪圖方法,提出參數(shù)化繪圖可以作為隧道CAD系統(tǒng)開發(fā)的主導(dǎo)思路,并以端式洞門設(shè)計部分為例說明了隧道CAD參數(shù)化繪圖的實現(xiàn).事實表明,該方法有著適用性強,可靠性高,易維護及易擴充的特點.
1 我國隧道CAD 繪圖的現(xiàn)狀與評價
CAD 技術(shù)及其應(yīng)用水平已成為衡量一個國家工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。在九五期間, 鐵道部將隧道智能CAD 技術(shù)”列為重點科技攻關(guān)項目。據(jù)有關(guān)資料刊載, 鐵道部專業(yè)設(shè)計院、鐵道部第一、二、四勘測設(shè)計院、西南交通大學(xué)、蘭州鐵道學(xué)院、沈陽鐵路局吉林勘測設(shè)計院等單位分別針對鐵路及公路隧道進行了CAD 系統(tǒng)的研究與開發(fā), 并取得了可喜的成果。
這其中, 以由鐵道部專業(yè)設(shè)計院主持, 鐵道部第一、二、四勘測設(shè)計院參加的部級科研項目《一般隧道工程計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)》和西南交通大學(xué)地巖系與鐵道部第二勘測設(shè)計院聯(lián)合研制開發(fā)的《一般隧道CAD 系統(tǒng)》為代表, 形成了以套標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖為主的開發(fā)思路(以下簡稱為套標(biāo)準(zhǔn)圖法) 。套標(biāo)準(zhǔn)圖法將洞門、襯砌等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖輸入計算機形成標(biāo)準(zhǔn)圖庫, 人工設(shè)計時需要計算、推理的部分寫入程序, 用戶輸入必需的參數(shù), 然后運行程序?qū)?biāo)準(zhǔn)圖塊插入到設(shè)計圖中。《一般隧道工程計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)》基于CV 機, 使用CVMAC 語言編寫�！兑话闼淼繡AD 系統(tǒng)》以AutoCAD R1210 為平臺, 利用保護模式的模塊化程序設(shè)計語言— Watcom C 編寫, 由系統(tǒng)程序、標(biāo)準(zhǔn)圖庫、數(shù)據(jù)庫和規(guī)范條文說明文件組成。套標(biāo)準(zhǔn)圖法的開發(fā)思路主要參照了傳統(tǒng)的鐵路隧道的設(shè)計思想及設(shè)計習(xí)慣, 能實現(xiàn)一般隧道(一般隧道系指技術(shù)條件不復(fù)雜、不設(shè)置通風(fēng)和輔助坑道, 能直接套標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖的隧道) 的設(shè)計任務(wù)。
隨著國家路網(wǎng)建設(shè)的不斷展開, 套標(biāo)準(zhǔn)圖法已不能滿足現(xiàn)代隧道建設(shè)的需要, 顯示出其固有的內(nèi)在缺陷, 主要表現(xiàn)如下:
(1) 適用范圍窄 隧道斷面形狀多樣化, 洞門型式也不斷推陳出新, 出現(xiàn)了諸如連拱隧道, 大斷面隧道及削竹式、連拱式、擴大喇叭式等新型洞門型式, 套標(biāo)準(zhǔn)圖法不能繪制上述新增型式的設(shè)計圖。
(2) 設(shè)計精度低 標(biāo)準(zhǔn)圖庫給出的是各變量的示意, 而沒有給出設(shè)計圖的精確繪制。同時, 標(biāo)準(zhǔn)圖庫的建立也是一項相當(dāng)繁重的工作。套標(biāo)準(zhǔn)圖法通常是采用每張標(biāo)準(zhǔn)圖只考慮0 加寬和40 加寬, 對不同軌道類型及其它加寬值給予忽略(認(rèn)為人眼分辨率不敏感于其帶來的偏差) 的作法。這樣將導(dǎo)致繪圖精度較低, 尤其是據(jù)此計算的工程數(shù)量存在較大的誤差。
(3) 升級能力差 升級能力差的主要原因, 緣于圖庫的擴充工作是一種事倍功半的做法。可以想像, 要標(biāo)準(zhǔn)圖庫囊括所有可能的情況基本上是不可能的。
參數(shù)化繪圖方法適用性較強, 在其他領(lǐng)域應(yīng)用甚廣, 能很好地解決上述矛盾。但由于隧道斷面型式多樣, 圍巖情況復(fù)雜, 給人一種不具有參數(shù)化繪圖條件的感覺, 作者至今尚未發(fā)現(xiàn)公開發(fā)表的參數(shù)化繪圖方法系統(tǒng)地應(yīng)用于隧道CAD 系統(tǒng)開發(fā)的文獻。
2 參數(shù)化繪圖方法及其在隧道CAD 系統(tǒng)中應(yīng)用的研究
參數(shù)化繪圖主要適用于圖形結(jié)構(gòu)形式基本固定而結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)變化的圖形。參數(shù)化繪圖方法主要包括程序參數(shù)化繪圖、參數(shù)交互式繪圖及尺寸驅(qū)動式繪圖3 種, 現(xiàn)簡介如下:
(1) 程序參數(shù)化繪圖
程序參數(shù)化繪圖的實質(zhì),就是將圖形信息記錄在程序中。圖形的描述通�？煞譃�:圖形的拓?fù)潢P(guān)系、圖形的幾何參數(shù)以及這些幾何參數(shù)與圖形結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的聯(lián)系。通常用一組變量記錄圖形的幾何參數(shù),用一系列的賦值語句表達(dá)幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系,然后用一系列的調(diào)用語句來描述圖形的拓?fù)潢P(guān)系。
(2) 參數(shù)交互式繪圖
參數(shù)交互式繪圖的實質(zhì)是對圖元的操作。任何一個圖形, 都可以看作是由若干基本圖元構(gòu)成。首先將圖形結(jié)構(gòu)分解為參數(shù)化的基本圖元并建立圖素庫, 然后交互式地將圖素組合形成各種圖形結(jié)構(gòu), 同時允許對圖元進行修改。
(3) 尺寸驅(qū)動式繪圖
參數(shù)交互式輸入圖形, 必須嚴(yán)格依照構(gòu)成幾何形體的圖素的準(zhǔn)確值和它們之間的相對位置關(guān)系來繪制。如果無須對圖素準(zhǔn)確定位, 可以以草圖形式快速生成圖形, 然后通過運行程序產(chǎn)生準(zhǔn)確圖形, 這就是尺寸驅(qū)動式繪圖的基本思想。
通過對參數(shù)化繪圖的3 種方法的分析、比較, 可以得出:
(1) 尺寸驅(qū)動式繪圖雖然在繪圖過程中不必要非常精確, 從而可以使繪圖速度增加, 但是用戶依然不得不從頭到尾繪制每一個細(xì)節(jié), 對于隧道設(shè)計圖來說, 尺寸驅(qū)動式依然沒有使設(shè)計人員擺脫繁瑣復(fù)雜的繪圖, 尺寸驅(qū)動式幾乎不適合用作隧道CAD 系統(tǒng)開發(fā)的指導(dǎo)思想。
(2) 對于參數(shù)交互式繪圖, 公路隧道設(shè)計圖有別于電路設(shè)計圖(電路設(shè)計圖通常是由各種電子元件構(gòu)成的, 如三級管、電阻等), 隧道設(shè)計圖不是由某些較小的相對獨立的圖元構(gòu)成(圖元依然是基本的點與線), 而是聯(lián)系緊密的有機整體, 尤其是三視圖, 任一視圖的變化都要引起其它視圖的相應(yīng)改變。因此, 基于非實體建模技術(shù)的隧道CAD 系統(tǒng)的開發(fā)也不應(yīng)采用參數(shù)交互式繪圖。
(3) 隧道設(shè)計圖雖然復(fù)雜繁瑣, 給一種不適合采用程序參數(shù)化繪圖的感覺, 但是, 研究后發(fā)現(xiàn), 將隧道CAD 進行模塊化及必要的再細(xì)化處理后, 大部分模塊圖形結(jié)構(gòu)形式基本固定只是結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)變化, 是符合參數(shù)化繪圖要求的, 如建筑限界的繪制、洞門圖的繪制等; 其余部分模塊雖然不符合參數(shù)化繪圖的要求, 但是適合于編程, 如地質(zhì)縱斷面設(shè)計模塊中地面線的繪制、地質(zhì)填充等。程序參數(shù)化繪圖能夠應(yīng)用于隧道CAD 系統(tǒng)的開發(fā)。
面向?qū)ο蠓椒ㄎ×顺绦蛟O(shè)計語言和數(shù)據(jù)建模技術(shù)等有益的成果, 經(jīng)過近30 年的演變發(fā)展, 逐漸形成了自己的范型, 為人們提供了較強的問題求解能力。新一代程序開發(fā)工具Visual C + + , 不僅繼承了面向?qū)ο蠓椒ǖ奶匦? 同時具備可視化程序語言及程序產(chǎn)生器的概念。ObjectARX 是AutoCAD R14 以后推出的一種新的編程環(huán)境, 提供了以C + + 為基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)特性及程序接口, 能真正快速地訪問AutoCAD 圖形數(shù)據(jù)庫, 能明顯提高軟件開發(fā)和維護的效率。
經(jīng)深入研究, 并考慮到開發(fā)、維護及完善的要求, 采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法, 使用Visual C + + 在AutoCAD 上用ObjectARX 技術(shù)進行二次開發(fā), 能夠較好地實現(xiàn)隧道CAD 參數(shù)化繪圖。
3 隧道CAD 參數(shù)化繪圖的實現(xiàn)
311 公路隧道CAD 系統(tǒng)的總體構(gòu)思
隧道CAD 系統(tǒng)以程序參數(shù)化繪圖為指導(dǎo)思想后, 有著較豐富的約束集, 成為了智能性較高的專家系統(tǒng)。筆者主研并開發(fā)的公路隧道CAD 系統(tǒng)(以下簡稱HWT CAD 軟件) 首先將程序分成幾大模塊, 每化處理, 然后采用面向?qū)ο蠓椒ㄟM行程序編制。一模塊完成一定的功能, 對有些模塊進行必要的再細(xì)給出了隧道CAD 系統(tǒng)劃分的7 大功能模塊。
HWT CAD 軟件, 考慮用戶的要求, 分為參數(shù)輸入程序和繪圖程序兩部分。參數(shù)輸入程序是標(biāo)準(zhǔn)的Windows 程序, 繪圖部分是基于ObjectARX 技術(shù)編制的ARX 文件。兩部分之間的數(shù)據(jù)傳送是通過數(shù)據(jù)文件及注冊表來實現(xiàn)的。
軟件在建立或打開工程文件后, 進行必要的參數(shù)輸入, 然后在繪圖環(huán)境下進行圖形的自動繪制。用戶一次可以完成所有的設(shè)計, 也可以只進行某一專項的設(shè)計(如地質(zhì)縱斷面設(shè)計、洞門設(shè)計等) 。篇幅所限, 本文以洞門設(shè)計部分為例闡述參數(shù)化繪圖方法的實現(xiàn)。
312 洞門設(shè)計參數(shù)化繪圖的實現(xiàn)
洞門設(shè)計主要是根據(jù)隧道建筑限界、洞口段襯砌參數(shù)及洞外地形參數(shù)來選擇必要的洞門類型并給出洞門設(shè)計的三視圖、工程數(shù)量表及圖表注釋等。
洞門型式主要根據(jù)洞外地形、受力特點及必要的美學(xué)考慮等來確定。目前國內(nèi)普遍采用的洞門型式主要有端墻式、柱式、翼墻式、臺階式、單側(cè)擋墻式、削竹式、連拱式及擴大喇叭式等。其特點及適用范圍參見隧道規(guī)范及相關(guān)資料。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)洞門參數(shù)化設(shè)計, 程序首先按照上述洞門型式進行必要的模塊再細(xì)化處理, 對每一種型式的洞門進行參數(shù)提取, 拓樸關(guān)系分析, 分析各洞門類型參數(shù)間的關(guān)系等, 然后進行必要的模塊編制。下面給出端式洞門設(shè)計參數(shù)化的實現(xiàn)(其它型式洞門類似) 。
端式洞門設(shè)計參數(shù)較多, 為有一個良好的用戶界面, 程序采用屬性表技術(shù), 將數(shù)據(jù)分類集結(jié)在洞門整體信息屬性頁、襯砌基本信息屬性頁、隧道端墻參數(shù)屬性頁、洞外路基參數(shù)屬性頁、縱橫向地面線參數(shù)屬性頁和工程信息屬性頁中, 大部分端式洞門參數(shù)作為屬性頁和屬性表的成員存在。通過屬性表完成存儲及屬性頁中成員數(shù)據(jù)的互訪, 同時, 各屬性頁本身的成員函數(shù)用來完成諸如差錯檢查、預(yù)演、設(shè)計及計算功能。
運行AutoCAD , 系統(tǒng)自動裝載繪圖程序(ARX 文件), 用戶在打開工程文件后, 點擊洞門設(shè)計菜單或工具條按鈕, 從對話框中選擇所要繪制的洞門類型(根據(jù)前面的輸入數(shù)據(jù)自動列出可繪制的進出口及洞門類型), 便自動完成洞門設(shè)計, 并以工程文件名略加修改為文件名的DWG 文件加以存儲。
4 結(jié)束語
采用參數(shù)化繪圖沒有基于套標(biāo)準(zhǔn)圖法的固有缺陷。將隧道CAD 進行必要的模塊細(xì)化, 對于圖形結(jié)構(gòu)形式基本固定只是結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)變化的采用程序參數(shù)化繪圖, 而對于其余部分進行必要的編程處理。采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計, 使用Visual C + + 語言及ObjectARX 技術(shù)對Auto2 CAD 進行二次開發(fā), 能夠很好地實現(xiàn)隧道CAD 參數(shù)化繪圖。事實表明, 該方法有著適用性強, 可靠性高, 易維護及易擴充的特點。
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