基于CAD二次開發的明挖隧道主體結構樁基布置研究與應用

作者簡介：李家?。?991-），男，工程師。研究方向為CAD二次開發與數字孿生開發。

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

摘? 要：隨著隧道結構設計行業向數智化、信息化發展，常規依托設計經驗進行圖形繪制無法解決設計人員實現快速化、智能化繪圖需求。目前AutoCAD作為設計領域常規輔助軟件，其擁有豐富的API接口，人性化交互方式，依托于該平臺二次開發實現設計用戶需求，成為提升設計用戶工作效率的首要選擇。該文采用C#語言，依托.NET框架和CAD平臺，引入容差等技術，實現自動化布置明挖隧道主體結構樁基方案，有效解決常規設計中繪圖時間急迫、設計方案更新頻繁、繪圖繁瑣及樁基布置必須依靠手動調整等帶來的設計效率低下、質量起伏大等問題。

關鍵詞：CAD；二次開發；明挖隧道設計；樁基布置；C#

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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#

在明挖隧道設計中，由于地基承載力過小或浮力過大等因素，需要在隧道下方布置承載樁或抗浮樁基，以抵抗隧道變形導致的隧道破損。在常規設計流程中，樁基方案晚于隧道圍護結構方案設計。而在實際施工時，樁基施工早于隧道開挖，其方案圖紙需提前交付給相關單位。因此，留給設計人員設計研究樁基方案時間較短。

在地鐵或市內道路隧道等明挖隧道中，線路方案調整、地質鉆孔信息揭示更新、隧道明挖范圍大、樁基布置數量多和圖紙中附注細節繁雜等因素都制約著設計人員根據樁基計算結果，快速調整樁基布置方案，而在實際設計過程中，樁基方案調整往往依靠設計人員根據自身設計經驗手動調整。因此，快速更新樁基方案是目前大多數隧道設計人員的急迫需求。

1? 需求分析

1.1? 用戶需求

根據設計用戶輸入的樁基直徑、數量及隧道輪廓線等數據結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、標號等信息。

1.2? 軟件平臺環境

目前，絕大多數隧道設計人員均使用CAD繪制圖形，且CAD二次開發技術成熟，其開發工具主要包括ObjectARX、VBA、Lisp和.NET等常規工具，綜合考慮用戶CAD版本無法統一因素，結合界面與內容需實時交互等特性，本次采用C#語言，依托.NET框架完成CAD二次開發工作。

2? 數據流分析

本項目僅實現圖形繪制功能，其數據來源于用戶輸入的樁徑、數量等基本參數和用戶選擇的隧道外輪廓邊線圖形信息。程序根據規范要求，生成多種樁基布置方案，供用戶選擇。用戶確認選擇后，生成該方案圖紙，并完成樁基的坐標及標號繪制，完成數據輸出。項目數據流動清晰，如圖1所示。

圖1? 數據流流程圖

3? 重難點分析

在隧道規范中，僅有樁基之間的最小樁間距要求，并參照行業設計經驗，隧道范圍內樁基布置均勻、對稱即可。上述行業需求為主觀描述，其無法轉換成相應的客觀程序數據要求。綜合規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置，布置方案數量較多，按上述思路進行程序設計，會導致方案冗余和程序性能銳減。假設樁間距最小值為Dmin，最大值為Dmax，精度為p，按常規程序設計，2根樁布置存在方案數量為N，其計算公式如下

N=■。

參考常規樁基方案設計中數據，僅考慮2根樁布置時，其方案數量N>10 000，程序時間和內存復雜度明顯超出常規程序方案。

針對上述需求特點，在本項目中引入設計容差f，2根樁按容差的整數倍數值布置，設計容差為用戶輸入數值，可以動態調節。2根樁在平面布置時，其方案數量

N=■。

根據用戶數據反饋，引用設計容差后，其樁基布置方案N為10～40，滿足用戶需求。

采用設計容差后優勢如下：①容差值為動態調整數值，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，采用位置精度來確定方案數量存在方案遺漏的風險，而采用設計容差，用戶則可以根據實際需要動態調整，降低方案遺漏風險；②因位置精度為0.001 m，其數值小，在同一個圖形比例圖紙中布置樁基時，導致方案數量較多，造成方案冗余和降低程序性能，設計容差一般為5 m，數值大，且可以動態調整，布置樁基時，可以有效去除冗余方案。

在滿足樁基布置均勻和對稱的要求下，樁基布置方案會出現不符合行業經驗情況，如圖2—圖3所示。因此需刪除類似不符合要求方案。

圖2? 不符合行業方案一? ? ?圖3? 不符合行業方案二

由于樁基在平面布置上約束條件過少，如果利用常規的漫水填充法、像素法等常規算法計算樁基位置會出現不符合行業要求的方案。結合明挖隧道樁基布置特點，本項目將隧道樁基分為橫、縱布置（沿隧道方向為橫方向，垂直于隧道方向為縱方向，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，剔除了不符合設計經驗的方案。

圖4? 沿隧道縱橫樁基布置方案

4? 功能設計步驟

程序主要使用C#語言，與用戶交互界面采用WPF中MVVM框架，依托于CAD平臺進行開發，功能設計步驟主要分為用戶輸入基本參數，選擇隧道外輪廓線、程序處理等9個步驟，其流程圖如圖5所示。

步驟1：用戶在用戶界面輸入樁基數量、樁基直徑，設計容差等基本參數，如圖6所示。

用戶在輸入數據時，若項目文件夾中不存在數據配置文件，程序會采用默認值，文本框數據默認為0，勾選框數據默認為false，下拉框數據默認采用數據源中的第一個數據。反之程序將配置文件數據輸出到程序界面。用戶在確認輸入數據后，程序將數據存儲到項目配置文件中，通過此項工作內容，增強用戶體驗，減少用戶重復性工作。

在進行下一步時，程序對輸入數據進行校驗，考慮后續步驟中，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，程序會提醒用戶暫時退出樁基布置功能如圖7所示，并設置相關字體樣式參數后，再進行布樁區域選擇。

圖5? 功能設計流流程圖

圖6? 基本參數輸入界面

圖7? 提示用戶設置字體樣式

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，實現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 = "請選擇實體";

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：程序根據隧道外輪廓線進行軟件識別，確定隧道外墻邊線和變形縫線。

在明挖隧道設計中，行業經驗規定如下：①隧道側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。為滿足上述行業要求，在本步驟中需根據輸入的外輪廓線進行判斷并剔除不符合要求線段。

首先，根據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。進一步，對多段線所有頂點進行遍歷，并生成前后頂點連線向量，根據向量點積是否為0，判斷前后頂點連線是否垂直，如果所有頂點連線均前后不垂直或者判斷出的頂點連線數量不等于4，則提醒用戶重新選擇。將符合要求的多段線在頂點連線垂直位置打斷，進一步，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線段頂點進行遍歷，并獲得前后頂點單位向量，若一段線段的所有前后頂點單位向量存在不相等值，則該線段為曲線，否則為直線。進一步，將曲線添加進隧道邊墻輪廓線組合，將直線添加進隧道變形縫線組合。

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，還需要對邊墻線和變形縫線組合進行數據校驗，若出現線段集合數量為0，或數量為奇數，或邊墻線數量與變形縫線數量不相等的情況，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度，變形縫為縱向極限長度，根據設計容差及規范要求最小凈距要求，確定橫、縱布置間距范圍值。

考慮隧道出現最不利情況，即隧道外輪廓為弧線，內外側墻長度不相等，且隧道出現擴大段、變形縫長度亦不相等的情況，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度。

步驟5：根據設計樁基數量，獲得其公約數組合，每個組合中公約數即為縱橫方向上的樁數量。

步驟6：根據數量初步驗算橫縱布置間距是否滿足位于步驟4中范圍內，剔除掉不符合要求的方案。

步驟7：在隧道外輪廓線中根據橫縱布置間距布置樁基，并對步驟5中每個組合進行循環遍歷。

步驟8：將方案輸出到界面UI表格中，同時綁定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，程序確認方案，輸出每個樁基坐標、標號，并繪制樁基方案布置圖。

5? 結束語

本項目作為明挖隧道研發系統的一部分，始終立足于解決設計用戶的實際需求，解決了用戶設計時間緊迫，快速更新方案及繪圖等需求，提高了設計生產效率，確保了設計質量。讓設計人員有更多的時間及精力完成隧道方案研究。此外，該項研發工作有助于編程人員更好地理解設計人員需求，并針對需求研究滿足行業及程序性能解決方案，鍛煉了程序方案設計能力，對生產辦公的自動化及智能化工作起到了很好的示范與推廣工作。

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