基于AutoCADtoCAD二次開發的水泥礦山道路設計軟件及應用

王榮，朱向國，霍燚，李運潮，樸志友

基于AutoCADtoCAD二次開發的水泥礦山道路設計軟件及應用

王榮，朱向國，霍燚，李運潮，樸志友

礦山道路開拓工程的設計是礦山工程設計最重要的工作之一。筆者根據水泥礦山工程設計的實際需求開發出水泥礦山道路設計軟件，道路設計的一系列流程方法——從地形等高線的三維矢量化至道路的平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖和工程量計算各個階段均能采用該軟件高效進行修改和優化設計，能迅速完成道路設計任務，并且符合規范的要求。

露天礦道路；AutoCAD二次開發；道路設計軟件

AutoCAD作為專業的計算機繪圖平臺，可以提供開放的開發接口，使用者可以根據自己的設計繪圖需求開發出專業的模塊來簡化工作。比如地測軟件南方CASS、建筑軟件天正等等。

遺憾的是國內尚未有一款基于AutoCAD二次開發的水泥礦山工程設計軟件，這給礦山設計人員提出了一個新的挑戰，那就是開發出一款專業軟件，提高設計效率。

1　軟件開發語言的選擇

設計出專業的礦山工程設計軟件，首先要選擇開發平臺。目前AutoCAD二次開發的主要工具有ObjectArx、VBA、Lisp、.NET，其中，Object-Arx功能強大，編程效率高，運行速度快，但編程者必須掌握VC++；Lisp語言雖然簡單容易上手，但是該語言的運行速度最慢，無法開發大型的軟件程序；VBA編制的軟件無法編譯加密，安全性太差，也不適合有眾多使用者的中大型軟件。本軟件選擇的開發語言是.NET語言，它集合了ObjectArx功能強大、運行速度快和VBA易用的特點，可以開發出安全有效、功能強大的AutoCAD程序。

2　軟件的系統結構設計

2.1軟件的系統結構

通常，在傳統的礦山道路項目中，地形、路線、縱斷面、橫斷面以及其他設計數據之間的正確傳遞需要花費大量的時間。設計的變更必然會導致繪圖和工程量統計等工作的重復，這些工作不僅需要耗費大量的時間，降低設計效率，也很難保證設計質量。我們開發的道路軟件使用面向對象的結構，提供了地形、路線、縱斷面、橫斷面、工程量等專業的設計對象。圖形中的各個對象之間保持著智能聯系，若修改道路上的樁號，則基于該路線的縱斷面和橫斷面以及工程量都會自動修改。

圖1　礦山道路設計軟件系統

根據軟件項目的目標和流程，將礦山軟件系統設計為四大系統：礦山的地形等高線系統、礦山道路的平面設計（道路定線）、礦山道路的縱斷面設計與礦山道路的橫斷面設計及工程量計算。整個軟件的系統如圖1所示。

圖2　礦山道路工程設計軟件工作流程圖

圖3　礦山工程設計軟件數據庫系統

2.2軟件的工作流程圖

礦山道路設計的工作流程如圖2所示。

2.3軟件的數據庫系統結構

在確定了軟件的系統結構和工作流程之后，就可以根據具體的需求設計開發出適合礦山道路工程的數據庫系統。一個強大完善的后臺數據庫支撐系統，是一個軟件的根基，圖形的輸入和繪制都是以數據庫為基準的。軟件的基本思想是程序向數據庫中輸入數據，通過數據庫中的數據繪制道路圖形。強大的Auto-CAD可以允許各dwg文件內部建立數據庫系統，從而保證了在此道路軟件下可以打開并操作含有該道路系統的所有文件。每個獨立的文件都隱含了各自的道路數據庫系統。為了保證軟件的安全性，該數據庫系統對于用戶和軟件操作者來說是不可見的。軟件的數據庫結構系統如圖3所示（虛線框中的系統為擬建立系統）。

圖4　新建礦山道路流程圖

3　軟件項目的基本原理

目前礦山道路設計主要有兩種方法。第一種方法是傳統的平縱橫設計方法，它將空間三維設計的問題轉化為平面、縱斷面和橫斷面三個二維問題，這三個部分雖然形式上是分離的，但其本質上作為一條道路的三維空間來看，三者相互聯系，彼此牽制。第二種方法稱為三維空間線性設計方法，它可以借助軟件一次性完成道路三維線型的設計，該方法涉及到了三維建模。

但是目前來說，根據工程設計人員的設計習慣，開發出的道路設計軟件往往遵循傳統的平縱橫設計方法。在各種道路CAD軟件中，道路的平、縱、橫計算機輔助設計是最基本的部分。

3.1礦山道路軟件平面設計系統設計

平面線設計是道路設計的基礎，包含兩個方面：（1）道路的中心線設計；（2）道路里程樁號的位置設計。

道路中心線設計是平面設計的核心問題，目前各種道路CAD系統的中心線設計均采用導線法、曲線法和邊界約束模型三種方法。其中，導線法的應用最為廣泛，在礦山道路工程設計中普遍應用。

表1　道路平曲線要素表

導線法首先確定一系列由直線和圓弧段組成的連續多段線作為道路的中線，其中的每個圓弧段必須與首尾相連的直線段相切。道路中心導線設計的具體流程如圖4所示。

表2　樁號數據表格

根據選定的圓曲線導線程序會自動計算并生成道路的平曲線要素表（表1）。

相對于傳統的選定一系列轉點構成的折線導線后，輸入半徑繪制圓弧曲線段的方法，導線法更為簡捷迅速。通過直線和圓弧段連成的導線反過來計算各個轉點的具體位置，再插入通過轉點的折線和轉點標示字符。

道路里程樁號的自動計算輸入符合礦山道路設計的習慣，在自動生成的樁號不滿足設計需求的條件下，可以根據需要手動添加/刪除/修改樁號。每添加/刪除一個樁號，將會在道路數據庫的樁號表格中添加/刪除相應的樁號數據。具體的樁號數據如表2所示。

3.2礦山道路軟件縱斷面系統設計

道路的平面設計完成后，需要對中心線所對應的縱斷面進行設計，縱斷面設計工作流程圖如圖5所示。

圖5　縱斷面設計工作流程圖

目前我國規范規定縱斷面設計應依據中心線位置的剖面地面線進行拉坡度設計，從而完成有關設計縱坡以及各樁號設計高程的計算，即縱斷面設計地面線是進行縱斷面設計的基礎。采集縱斷面地表線在上一個程序中已經實現，并已經存在于樁號表格中，后續只需進行拉坡度設計。程序的拉坡度設計是在縱斷面的對話框的縱斷面設計表格中實現的，具體程序界面如圖6所示。

圖6　道路縱斷面設計修改程序界面

圖7　礦山道路縱斷面圖

圖8　礦山道路橫斷面設計流程圖

道路縱斷面的設計完成以后就要開始繪制縱斷面設計圖。圖7是一幅典型的礦山道路縱斷面圖，主要包含下列內容：

（1）道路地表線和地面設計線；

（2）各樁號的數據；

（3）樁號地表高、設計標高、填挖高度、坡度和坡長等；

（4）直線段和圓弧段的曲線要素等。

3.3礦山道路軟件橫斷面設計

礦山道路橫斷面設計工作較為繁瑣，包括所有的里程樁號橫斷面的“戴帽子”、添加道路的排水溝、填挖方放坡設計、超高加寬設計、計算土石方量等。利用計算機計算可以大大減輕設計者的負擔，提高設計工作效率。整個礦山道路橫斷面設計軟件的工作流程如圖8所示。

作平面中心線上各樁號點處的法線，這條法線就是該樁的橫斷面。以中心線為界向兩邊以一定的長度截取地表剖面線，通過內插的方式計算出該樁號點的中心高程。這一步驟在樁號添加時就已自動計算，且地表數據已保存在各樁號的地表線表格中，在添加橫斷面時取出數據即可。

輸入/修改道路的橫斷面參數如圖9所示。每條道路都對應不同的橫斷面參數，都有相應的標準橫斷面圖。這些橫斷面參數用來控制橫斷面“戴帽子”的情況，這些是某條道路所有樁號的“共性”，當然也有特殊的樁號處，比如圓曲線段樁號的“戴帽子”設計需要加入超高加寬數據（圖10），這屬于特殊樁號的“特性”，這些共性和特性都需要在道路的橫斷面圖中體現。

圖9　道路橫斷面參數的輸入修改

定義好橫斷面，就可以進行橫斷面的自動設計。軟件系統依次將每一個橫斷面用相應的標準橫斷面“共性”和超高加寬“特性”進行“戴帽子”設計計算，計算填挖方面積，整個設計應符合現行《廠礦道路設計規范》的要求。

在具體的設計中左右側分別設計。如圖11所示，如果將橫斷面分為三個區域，分隔點在兩邊的路肩處，在橫斷設計中帶來麻煩的是橫斷面兩邊的I部分，這部分涉及到邊坡、邊溝、安全平臺等因素。而中間的II部分對不同的橫斷面設計來說是一樣的（除了圓曲線段的超高加寬特性）。因此礦山道路橫斷面設計的關鍵在于如何處理不同形式的填挖方邊坡和邊溝、安全平臺等問題。盡管在橫斷面的設計中會有各種各樣的斷面形式，但總的來說，橫斷面的設計可以歸納為三種基本形式：（1）填方斷面形式；（2）挖方斷面形式；（3）半填半挖斷面形式（圖11）。

圖10　道路超高加寬輸入修改

圖11　道路橫斷面分區設計

假定路基兩邊緣點為A、B，其標高為HA、HB，其相應的地面線的標高為ZA和ZB，則可以建立如下的辨別形式：

（HA-ZA）×（HB-ZB）＞0且HA＞ZA則為填方斷面；

（HA-ZA）×（HB-ZB）＞0且HA＜ZA或HB＜ZB則為挖方斷面；

（HA-ZA）×（HB-ZB）＜0則為半填半挖斷面。

橫斷面設計工作量大，其邊坡處理設計關系到路基的結構穩定、排水通暢、土石方量以及建構筑物工程數量的大小和經濟效益。

當橫斷面的設計全部完成以后，就要進行土石方工程量的計算，它是工程概預算及相關工作的基礎，準確計算路基土方是非常重要的工作，相對前面的復雜性和工作量來說，這項工作的技術難度不大。目前，我國規范規定在工程計算中采用平均斷面法，具體計算步驟如下：

假設某條道路共有n個橫斷面參加土方計算，任意取其中的兩個橫斷面i和i+1，樁號分別為Si和Si+1、挖方面積分別為ATi，AWi，ATi+1，AWi+1，則該段的填方工程量AT為：

（1）當abs（ATi-ATi+1）/max（ATi，ATi+1）＜40%時；AT=（ATi+ATi+1）/2

（2）當abs（ATi-ATi+1）/max（ATi，ATi+1）≥40%時；AT=（ATi+ATi+1+

挖方工程量AW為：

（1）abs（AWi-AWi+1）/max（AWi，AWi+1）＜40%時；AW=（AWi+AWi+1）/2

（2）當abs（AWi-AWi+1）/max（AWi，AWi+1）≥40%時；AW=（AWi+AWi+1+

每段的填挖方量之和即為道路工程的填挖工程方量。填挖方工程量計算的表格如圖12所示。

圖12　道路填挖方工程量計算

最后繪制工程量計算表格，則道路設計全部完成。

表3　運礦道路主要技術指標表

4　工程應用

本軟件在太鋼盂縣石灰項目采礦破碎工程中成功應用，該項目的所有運礦道路及聯絡道路均采用該軟件設計。該項目運礦道路采用露天礦五類車寬類別，三級道路標準設計，設計為雙車道；道路超高加寬采用繞線路中心旋轉法，即外側超高、內側加寬的超高加寬方法，最小轉彎半徑15m。該項目道路的主要技術指標如表3所示。

圖13為該項目從破碎車間卸料平臺至采礦工作面運礦道路某路段的平面布置圖，具有典型的露天礦道路的特點。該項目系統經過軟件設定的流程，從二維圖紙的三維矢量化至道路的平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖和工程量計算各個階段均能高效進行修改和優化設計，能迅速完成設計任務，符合《廠礦道路設計規范》的要求。

圖13　運礦道路的某路段的平面布置圖

5　結語

本道路軟件僅適用于水泥原料礦山的道路方案及施工圖設計，本軟件旨在提高露天礦山道路的設計效率和精準度，雖然在種類眾多的道路設計軟件中僅為滄海一粟，但是本軟件的針對性較強，符合本專業的施工圖需求，能大大提高設計效率，為后續的方案優化及工程量降低打下基礎。

The Cement Mine Road's Design Software and its Applications Based on Secondary Development of AutoCAD

TP319

A

1001-6171（2016）04-0041-06

通訊地址：天津水泥工業設計研究院有限公司，天津300400；2015-12-04；編輯：孫娟

［1］周艷，張華英.道路CAD及其實用程序、工程實例［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［2］王玉琨，任衛紅.CAD二次開發技術及其工程應用［M］.北京：清華大學出版社，2008.