基于.NET的隧道參數(shù)化設(shè)計研究

張兆杰，田志宇，林國進(jìn)

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司 成都市 610041)

由于隧道設(shè)計的復(fù)雜性等諸多原因，目前專業(yè) CAD 技術(shù)應(yīng)用，大多還停留在利用 AutoCAD 基本命令進(jìn)行交互式繪圖的初級階段，真正意義上的計算機輔助設(shè)計軟件的應(yīng)用并不多見，因此，公路隧道設(shè)計在 CAD 二次開發(fā)方面，從總體上說起步較晚，應(yīng)用深度不夠，技術(shù)手段和實踐經(jīng)驗遠(yuǎn)不如路線、橋梁等其它專業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)和成熟[1-3]。

近年來，隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道設(shè)計任務(wù)日益增多，若把 CAD 的應(yīng)用僅局限于繪圖工具這一技術(shù)層面，突出顯現(xiàn)了其作業(yè)方式與設(shè)計效率的矛盾。因而，提高隧道專業(yè)整體設(shè)計效率，研發(fā)公路隧道輔助設(shè)計系統(tǒng)的迫切性和重要性不言而喻。

1 二次開發(fā)工具比選

目前常用的AutoCAD二次開發(fā)工具主要有Lisp、VBA、ObjectARX和.NET API，其對比詳見表1。

綜上可知，Lisp和VBA功能單一，綜合處理能力差，程序運行速度慢，而且缺乏很好的保護(hù)機制，源程序保密性差，因此不適合作為AutoCAD二次開發(fā)工具。.NET API在擁有ObjectARX強大功能的同時，具有方便易用的特點，是較為理想的開發(fā)工具[4-5]。

2 TunnelMaster軟件簡介

2.1 軟件研發(fā)過程

自2013年開始，四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院隧道與地下工程分院開發(fā)了公路隧道結(jié)構(gòu)繪圖軟件(以下簡稱TunnelMaster)，并成功應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。近年來，隨著《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)等一批新的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的實施，同時結(jié)合近二十年來我國公路隧道建設(shè)的經(jīng)驗，四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院對TunnelMaster軟件進(jìn)行了持續(xù)升級。

表1 二次開發(fā)工具對比

2.2 軟件主要特點

TunnelMaster軟件，是在AutoCAD的基礎(chǔ)上，以 ObjectARX和.NET API作為二次開發(fā)工具，以.NET作為開發(fā)平臺，運用基于三層架構(gòu)和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法、基于ADO.NET的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)編制而成的適用于公路隧道設(shè)計的專業(yè) CAD軟件。本軟件在設(shè)計和實現(xiàn)方面具有以下特點：

(1)操作簡潔。本系統(tǒng)具有良好的人機交互式用戶圖形界面，用戶不需了解隧道圖紙繪制和工程量計算方法，輸入?yún)?shù)即可成圖。本軟件既可在操作系統(tǒng)中使用，也可在AutoCAD中操作。在AutoCAD中使用時，可通過菜單、工具欄、命令行等多種方式進(jìn)行操作。此外，本系統(tǒng)是基于Windows系統(tǒng)平臺編制的程序，它具有Windows系統(tǒng)平臺應(yīng)用程序所具有的特點。

(2)優(yōu)質(zhì)高效。輸入相關(guān)參數(shù)后，幾秒鐘內(nèi)即可生成成品圖紙。繪圖和工程量計算過程完全由軟件在后臺完成，避免了設(shè)計人員可能發(fā)生的低級失誤。本系統(tǒng)大大提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短了隧道設(shè)計周期，減輕了專業(yè)設(shè)計人員的勞動強度，加強了隧道設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化，從而將設(shè)計人員從繁瑣的簡單勞動中解放出來，將更多的精力投入設(shè)計方案的比選和優(yōu)化中。

(3)專業(yè)實用。本系統(tǒng)的研發(fā)人員均為從事公路隧道設(shè)計的一線人員，更為了解設(shè)計者的需求與操作習(xí)慣。近年來本系統(tǒng)成功應(yīng)用于數(shù)十個公路項目和數(shù)百座公路隧道，實踐證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

2.3 軟件主要功能

(1)建筑限界設(shè)計模塊。

支持公路隧道主洞、公路隧道緊急停車帶、分設(shè)非機動車道和人行道的公路隧道、車行橫通道、人行橫通道、斜井、平導(dǎo)等建筑限界型式。

(2)內(nèi)輪廓設(shè)計模塊。

內(nèi)輪廓設(shè)計支持單心圓、三心圓、五心圓和有無仰拱、直曲邊墻等各種組合型式。

(3)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊。

支持分離式隧道和小凈距隧道的明洞和洞身襯砌斷面設(shè)計、襯砌配筋設(shè)計、鋼架設(shè)計、超前支護(hù)設(shè)計和臨時支護(hù)設(shè)計。

(4)路面設(shè)計。

支持路面橫斷面設(shè)計、水泥混凝土面層板塊劃分及接縫鋼筋設(shè)計。

(5)內(nèi)裝設(shè)計模塊。

3 軟件操作說明

3.1 建筑限界和內(nèi)輪廓設(shè)計模塊

以設(shè)計速度80km/h四車道高速公路分離式隧道主洞有仰拱段為例，操作步驟如下：

(1)設(shè)置主洞軸線關(guān)系參數(shù)，如圖1所示。

(2)設(shè)置電纜槽參數(shù)，如圖2所示。

(3)設(shè)置建筑限界參數(shù)，如圖3所示。

(4)設(shè)置內(nèi)輪廓參數(shù)，如圖4所示。

(5)點擊“繪圖”按鈕即可成圖。

圖1 設(shè)置主洞軸線參數(shù)

圖2 設(shè)置電纜槽參數(shù)

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊

操作步驟如下：

(1)設(shè)置襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖5所示。

(2)設(shè)置鋼架細(xì)部參數(shù)，如圖6所示。

(3)點擊“繪圖”按鈕即可自動成圖。

圖3 設(shè)置建筑限界軸線參數(shù)

圖4 設(shè)置內(nèi)空參數(shù)

圖5 設(shè)置襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6 設(shè)置鋼架細(xì)部參數(shù)

4 工程應(yīng)用實例

4.1 四川省交通行業(yè)通用圖編制

2014年，為貫徹科學(xué)發(fā)展觀，提高四川省隧道設(shè)計質(zhì)量和水平，保障四川省公路隧道施工及結(jié)構(gòu)安全，實現(xiàn)隧道設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，同時鑒于交通運輸部沒有編制公路隧道任何相關(guān)的通用圖，四川省交通運輸廳委托四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院編制結(jié)構(gòu)通用圖。該通用圖編制過程中，建筑限界和內(nèi)輪廓設(shè)計及襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了TunnelMaster軟件。

4.2 緊急停車帶建筑限界和內(nèi)輪廓修訂

2014年，某院按照當(dāng)時的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范完成了攀枝花至大理(四川境)高速公路的初步設(shè)計送審稿。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70-2004)，緊急停車帶的寬度，包含右側(cè)向?qū)挾葢?yīng)取3.5m。但是2015年1月1日開始實施的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)規(guī)定：緊急停車帶寬度應(yīng)為3.0m，且與右側(cè)側(cè)向?qū)挾戎蛻?yīng)大于或等于3.5m。對于設(shè)計速度80km/h的高速公路四車道分離式隧道，緊急停車帶建筑限界的寬度應(yīng)由13.00m調(diào)整至13.25m。為此，設(shè)計單位采用TunnelMaster軟件對緊急停車帶建筑限界和內(nèi)輪廓、襯砌結(jié)構(gòu)圖等進(jìn)行了修訂。

4.3 某公路隧道后期服務(wù)

2014年8月，某隧道K24+672～K24+682段原設(shè)計圍巖級別為Ⅳ級。開挖后掌子面實際揭示圍巖巖性為變質(zhì)砂巖和鈣質(zhì)板巖互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，部分構(gòu)造面夾泥質(zhì)薄膜，巖塊間結(jié)合差，巖體產(chǎn)狀變化頻繁，圍巖完整性極差。地下水發(fā)育，呈淋雨狀滲出。綜合開挖段落圍巖巖性、構(gòu)造和地下水情況，該段落圍巖級別由Ⅳ級調(diào)整為Ⅴ級。

現(xiàn)場設(shè)計代表針對實際圍巖揭示情況，本著施工安全、節(jié)約投資的原則，對超前支護(hù)和初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。由于微調(diào)后的支護(hù)襯砌參數(shù)處于原設(shè)計Ⅳ型襯砌和Ⅴ型襯砌之間，無法利用既有施工圖設(shè)計圖紙。設(shè)計代表采用HWTCAD軟件快速生成了襯砌設(shè)計圖，及時提交了設(shè)計變更圖紙，確保了施工進(jìn)度和安全。目前該段落已成功通過。

5 結(jié)語

結(jié)合公路隧道設(shè)計現(xiàn)狀，以軟件工程理論為指導(dǎo)，運用基于三層架構(gòu)和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法、基于ADO.NET的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，實現(xiàn)了公路隧道參數(shù)化設(shè)計，研發(fā)了公路隧道輔助設(shè)計系統(tǒng)，并重點介紹了其襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊。該系統(tǒng)提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短了隧道設(shè)計周期，減輕了專業(yè)設(shè)計人員的勞動強度，加強了隧道設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化，從而將設(shè)計人員從繁瑣的簡單勞動中解放出來，將更多的精力投入設(shè)計方案的比選和優(yōu)化中。