張 權(quán) 田 偉 馬志杰 彭彥銘

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

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河道防洪工程輔助設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

張 權(quán) 田 偉 馬志杰 彭彥銘

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

繪制河道防洪工程設(shè)計中的平面圖、斷面圖及計算工程量時，存在繁瑣重復(fù)、工作量大且效率較低、后期管理及修改不便等問題。為此，結(jié)合ObjectArx和C#進行AutoCAD二次開發(fā)，研發(fā)了河道防洪工程輔助設(shè)計系統(tǒng)。應(yīng)用實踐表明：該系統(tǒng)能夠大大降低工作強度，提高工作效率，降低低級錯誤出現(xiàn)率，從而有效實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、流程化設(shè)計；該系統(tǒng)操作符合工程設(shè)計人員的習(xí)慣，且開發(fā)的數(shù)據(jù)庫囊括了各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計成果數(shù)據(jù)，便于管理維護。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于黃河潼關(guān)至三門峽大壩河段、禹門口至潼關(guān)河段防洪工程設(shè)計中，取得了較好的經(jīng)濟效果，具有一定的推廣價值。

河道；防洪工程；典型斷面；輔助設(shè)計；數(shù)據(jù)庫技術(shù)；系統(tǒng)開發(fā)

1 工程設(shè)計概況

河流防洪工程建設(shè)是其防洪體系建設(shè)的重要組成部分，主要由防洪水庫、河道防洪工程和蓄滯洪區(qū)等組成，其中河道防洪工程(以下簡稱“河防工程”)包括堤防、險工、控導(dǎo)和護岸等工程，是防洪減淤體系的基礎(chǔ)。隨著各流域社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，仍需大力加強河道防洪工程建設(shè)。由于河防工程點多面廣，在進行設(shè)計時往往需因地制宜，造成了工程型式多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且工程設(shè)計繁瑣。

河防工程設(shè)計包括工程平面圖與橫斷面圖繪制、工程量計算以及圖紙打印等環(huán)節(jié)。在以往的工作方式下，繪圖與打印一般是人工借助AutoCAD制圖工具完成，工程量計算借助Office辦公軟件完成，存在大量的重復(fù)工作，效率較低，且在防洪工程設(shè)計過程中，平面圖布置、斷面圖繪制以及工程量計算方案多變，防洪工程設(shè)計工作量以及重復(fù)量劇增。為提高工作效率，近年來國內(nèi)外開發(fā)了大量應(yīng)用于水利行業(yè)的輔助設(shè)計軟件，如堤防CAD[1]、CFPCAD[2]等，這些軟件能較好地解決斷面結(jié)構(gòu)相對簡單的堤防工程設(shè)計問題，而針對斷面結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的險工、控導(dǎo)和護岸等河道防洪工程設(shè)計應(yīng)用則存在局限性。

2 傳統(tǒng)設(shè)計存在的問題

目前，河防工程從立項到審批，需經(jīng)多階段修改、完善，每次修改都要經(jīng)歷工程設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，工作量相當(dāng)大。傳統(tǒng)的河防工程設(shè)計手段的自動化和智能化程度均不高，存在以下主要問題。

(1) 工作效率較低，低級錯誤無法避免。傳統(tǒng)的河防工程設(shè)計，需要繪制一系列圖紙，量算每個斷面分類工程量的面積或長度，匯總計算每處工程的工程量，繪圖、計算工作非常繁瑣，各環(huán)節(jié)均為人工操作，受限于個人精力、能力以及項目進度要求，大量時間花費在繪圖和計算過程中，工作效率低，且無法完全避免設(shè)計中出現(xiàn)低級錯誤。

(2) 重復(fù)工作量大，后期修改影響較大。河防工程設(shè)計主要由工程布局、工程型式和地形情況決定，這些因素在河防工程設(shè)計的各個階段都會進行不同程度的修改變更，從而導(dǎo)致再次進行繁瑣的設(shè)計工作，工作量成倍增加。

(3) 工程設(shè)計成果保存不便，設(shè)計參數(shù)查詢修改較為繁瑣。傳統(tǒng)河防工程設(shè)計工作的成果包括設(shè)計圖紙和工程量，設(shè)計完成后，無論是項目內(nèi)部對設(shè)計成果進行校對審查還是對外匯報查詢，均需逐張圖紙比對設(shè)計參數(shù)，不方便查閱和修改，成果復(fù)用性降低。

3 設(shè)計系統(tǒng)研發(fā)框架

3.1 研發(fā)思路

為克服傳統(tǒng)河防工程設(shè)計中存在的諸多缺點，標(biāo)準(zhǔn)化河防工程斷面圖繪制及工程量計算，管理維護不同河段和設(shè)計階段防洪工程和設(shè)計成果，研發(fā)了河防工程輔助設(shè)計系統(tǒng)，有效提高了設(shè)計成果質(zhì)量、自動化和智能化水平以及成果管理的現(xiàn)代化程度。

該系統(tǒng)旨在相關(guān)規(guī)程、規(guī)范的指導(dǎo)下，對現(xiàn)有險工、控導(dǎo)和護岸等河防工程設(shè)計成果進行整理，通過現(xiàn)有河防工程型式及應(yīng)用分析，構(gòu)建系統(tǒng)的典型斷面標(biāo)準(zhǔn)圖庫，提出不同斷面工程量計算方法及河防工程平面圖、斷面圖繪制方法。同時，結(jié)合ObjectArx和C#進行AutoCAD二次開發(fā)[3-4]，實現(xiàn)波浪及護坡計算、斷面圖和平面圖繪制、工程量計算及輸出、出圖打印和數(shù)據(jù)存儲等功能。系統(tǒng)研發(fā)流程如圖1。

圖1 河防工程輔助設(shè)計系統(tǒng)研發(fā)流程

3.2 主要技術(shù)

主要采用AutoCAD的 Managed ObjectArx 二次開發(fā)技術(shù)；運用REST技術(shù)調(diào)用了ArcGIS Server的GIS核心功能；通過OLE技術(shù)操作Excel，輸出工程量表；用Access數(shù)據(jù)庫保存圖形參數(shù)數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)采用面向?qū)ο箝_發(fā)技術(shù)進行軟件分析設(shè)計，利用敏捷思想，快速原型迭代法進行開發(fā)。

使用CAD和GIS實現(xiàn)計算機圖形學(xué)功能，結(jié)合AutoCAD繪圖功能，實現(xiàn)斷面圖和平面圖繪制及打印輸出，計算的工程量輸出到Excel表格，最終的圖形參數(shù)通過外部數(shù)據(jù)庫保存到Access數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 河防工程輔助設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)

4 輔助設(shè)計系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)主要包括以下6項功能。

(1) 波浪及護岸計算。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)提供的計算方法，結(jié)合河道防洪工程型式，實現(xiàn)堤頂超高、沖刷深度、護坡護腳計算。

(2) 斷面圖繪制。根據(jù)防洪工程類型，調(diào)用相應(yīng)典型斷面庫中的斷面，輸入斷面設(shè)計參數(shù)、地形參數(shù)等，進行斷面圖繪制。

(3) 工程量計算及匯總統(tǒng)計。根據(jù)繪制的斷面圖、斷面在工程平面布置圖中的位置以及斷面所代表的工程分段，輸入工程量計算控制參數(shù)，進行工程量計算以及匯總輸出。

(4) 平面圖繪制。提取已繪制的橫斷面圖相關(guān)參數(shù)，結(jié)合工程類型、工程軸線位置、橫斷面在工程軸線上的位置等，自動繪制平面圖。

(5) 出圖打印。根據(jù)所需出圖圖幅和比例，交互相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)自動出圖、套圖。

(6) 建立河防工程數(shù)據(jù)庫。實現(xiàn)防洪工程設(shè)計參數(shù)保存，設(shè)計成果保存、查詢和復(fù)用等功能。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模塊設(shè)計

該系統(tǒng)由斷面圖繪制、平面圖繪制、出圖打印、波浪及護岸計算4個子系統(tǒng)以及系統(tǒng)設(shè)置等模塊組成，輸出的成果主要有超高、沖深、護坡厚度，平面圖、斷面圖，出圖打印文件，工程量Excel表，參數(shù)及成果數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模塊見圖3。

圖3 河防工程輔助設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模塊

(1) 系統(tǒng)設(shè)置。主要提供了斷面圖繪制、平面圖繪制、出圖打印、工程量計算等公共參數(shù)的設(shè)置，以及工程量計算服務(wù)配置設(shè)置。

(2) 斷面繪制子系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)斷面圖繪制，工程量計算、匯總統(tǒng)計以及數(shù)據(jù)庫存儲功能。通過建立基于網(wǎng)絡(luò)的防洪工程設(shè)計計算分析系統(tǒng)，耦合AutoCAD和ArcGIS平臺[5]，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)處理、工程輔助設(shè)計、工程計算分析、結(jié)果輸出展示等一體化防洪工程設(shè)計功能。在梳理以往河防工程結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)化了水工丁壩、旱工丁壩、水工垛、旱工垛、水工防洪護岸、旱工防沖護岸、防浪護岸等防洪工程的典型斷面，建立典型斷面庫。繪制時，根據(jù)實際情況從庫中選取對應(yīng)斷面，并更新其設(shè)計參數(shù)及地形參數(shù)。此外，根據(jù)斷面在工程平面布置圖中的位置以及斷面所代表的工程分段，輸入工程量計算控制參數(shù)，按照傳統(tǒng)斷面法[6]，采用概化三維法、重復(fù)工程量核減相結(jié)合的方法，系統(tǒng)會自動計算各斷面所代表工程段的分類工程量，并輸出到Excel文件。所有計算完成后，系統(tǒng)可自動匯總各分段工程的工程量，得到工程量匯總詳表及簡表，并輸出到Excel文件。

(3) 平面繪制子系統(tǒng)。可實現(xiàn)平面圖繪制功能以及數(shù)據(jù)庫存儲功能。根據(jù)工程類型設(shè)置平面圖形狀參數(shù)，以及平面布置圖軸線位置，系統(tǒng)可繪制工程頂部輪廓線，便于用戶確定橫斷面位置。根據(jù)繪圖確定平面圖繪制所需節(jié)點相對坐標(biāo)參數(shù)，并輸入系統(tǒng)，在選擇與相對坐標(biāo)相匹配的斷面位置后，系統(tǒng)會自動繪制工程平面圖。

(4) 打印出圖子系統(tǒng)。可實現(xiàn)出圖打印功能以及數(shù)據(jù)庫存儲功能。出圖打印是在斷面圖及平面圖繪制過程中，采用內(nèi)嵌方式設(shè)定線型、固定標(biāo)注位置及內(nèi)容，設(shè)定線條及標(biāo)注的顏色。打印過程中，根據(jù)顏色、相關(guān)出圖規(guī)定自定義樣式，打印符合要求的圖紙。系統(tǒng)會提供圖名、出圖圖幅及比例和平面圖軸線旋轉(zhuǎn)角度等交互參數(shù)，實現(xiàn)自動出圖、套圖。

(5) 波浪及護岸計算子系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)堤頂超高、沖刷深度、護坡護腳計算功能以及數(shù)據(jù)庫存儲等功能。主要根據(jù)用戶交互的波浪計算參數(shù)、護岸沖刷深度計算參數(shù)、護坡護腳計算參數(shù)，采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286-2013)提供的計算方法，計算河防工程各設(shè)計參數(shù)。

(6) 防洪工程數(shù)據(jù)庫。根據(jù)防洪工程設(shè)計數(shù)據(jù)特性分析結(jié)果，河防工程輔助設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫[7]和主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表和設(shè)計成果數(shù)據(jù)表組成，存入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)包括工程名稱、類型、斷面及平面名稱、設(shè)計參數(shù)、斷面及平面圖形參數(shù)，以及成果dwg文件和pdf文件等，系統(tǒng)可保存和恢復(fù)防洪工程設(shè)計數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)工程設(shè)計參數(shù)保存、設(shè)計成果查詢及復(fù)用等功能。

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，河防工程輔助設(shè)計系統(tǒng)已成功應(yīng)用于黃河潼關(guān)至三門峽大壩河段、禹門口至潼關(guān)河段防洪工程設(shè)計中，系統(tǒng)的使用大大提高了河道防洪工程設(shè)計的水平、質(zhì)量及效率。

5 結(jié) 語

該系統(tǒng)的研發(fā)工作能夠?qū)臃拦こ淘O(shè)計提供有力的技術(shù)支撐，大幅提高工作效率，有效實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、流程化設(shè)計。系統(tǒng)是對AutoCAD進行的二次開發(fā)，所開發(fā)的數(shù)據(jù)庫囊括了各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計成果數(shù)據(jù)，便于管理維護和設(shè)計成果的校審及復(fù)用。

同時，該系統(tǒng)能根據(jù)地形情況和工程設(shè)計要求隨時調(diào)整設(shè)計，并實時更新工程量。該系統(tǒng)在工程中的運用已取得較好的經(jīng)濟效果，可大力推廣。鑒于不同河流、不同河段間防洪工程型式有所不同，今后仍需結(jié)合實際工程設(shè)計需求，進一步擴展典型斷面庫建設(shè)，著重增強典型斷面生成和入庫功能，增加抗滑穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定計算模塊，以實現(xiàn)基于工程安全的智能化河道防洪工程設(shè)計，從而強化各環(huán)節(jié)間的聯(lián)動設(shè)計，進一步簡化工程設(shè)計工作量。

[1] 霍建華，劉堯，馬麟，等.堤防CAD系統(tǒng)發(fā)開與應(yīng)用[J].人民黃河，2005，27(12)：22-23.

[2] 王廣欣，劉筠，王松林. 河南黃河防洪工程計算機應(yīng)用——CFPCAD計算機輔助設(shè)計軟件的開發(fā)[J].工程設(shè)計CAD與智能建筑，2001(3)：26-28.

[3] 于蕭榕，郭昌言，陳剛. 結(jié)合Objectarx和C#進行AutoCAD二次開發(fā)框架的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(20)：5085-5090.

[4] 董春橋. AutoCAD二次開發(fā)技術(shù) [J].武漢城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，1999，16(3)：45-49.

[5] 李陽東，童小華，劉妙龍.幾個基于ObjectARX.net的GIS功能算法[J].測繪與空間地理信息，2009，32(1)：11-18.

[6] 陳實. 用“平均斷面法”計算工程量的誤差及修正[J].東北水利水電，1986(7)：6-9.

[7] 王大龍，秦琦. ACCESS數(shù)據(jù)庫和SQL_Server數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用比較[J].信息技術(shù)，2010(4)：18.

(編輯：唐湘茜)

2016-04-18

張 權(quán)，男，黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，工程師，碩士.

1006-0081(2016)10-0020-03

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