侯高鵬， 張海濤， 周 坤, 4， 冷 彪

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大學 隧道交通工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031； 3. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063；4. 水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 湖北 武漢 430063)

0 引言

城市軌道交通區(qū)間隧道主要采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道線路平面圖及縱斷面圖是盾構(gòu)隧道線路設(shè)計的核心，涉及線路線形，不允許出現(xiàn)任何差錯漏碰。盾構(gòu)區(qū)間平面圖及縱斷面圖本身繪制難度一般，但細節(jié)較多、繪制過程繁瑣且包含大量重復性工作，耗時較長，嚴重影響設(shè)計人員的工作效率，且一旦出錯可能導致線路線形問題，影響重大。由于疊加方案調(diào)整、多階段出圖等因素，平縱斷面設(shè)計耗時費力。為提高繪圖效率，減少人工耗時，避免圖紙差錯漏碰，提高制圖標準化水平成為盾構(gòu)隧道線路設(shè)計的迫切需求。

在軟件應(yīng)用方面，盾構(gòu)區(qū)間平面圖及縱斷面圖的設(shè)計目前仍以AutoCAD為主[1-4]。AutoCAD二次開發(fā)可以用于解決盾構(gòu)區(qū)間平面圖及縱斷面圖設(shè)計中遇到的一系列問題，其主要目的在于實現(xiàn)參數(shù)化、標準化繪圖。因此，實現(xiàn)既有數(shù)據(jù)的快速讀取和轉(zhuǎn)化對提高繪圖效率、消除繪制漏碰具有重要意義。

目前，應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計的專業(yè)輔助繪圖軟件還較為少見，但針對隧道領(lǐng)域的CAD二次開發(fā)國內(nèi)已有一些研究。張漢瑞等[3]利用ObjectARX技術(shù)，實現(xiàn)了隧道設(shè)計斷面和實測斷面圖的繪制以及超欠挖工程量計算和相關(guān)的統(tǒng)計功能，但功能較為基礎(chǔ)。李妍[5]對地鐵線路縱斷面計算機輔助設(shè)計進行了深入研究，開發(fā)了縱斷面輔助設(shè)計系統(tǒng)(MRPCAD)，實現(xiàn)了坡線設(shè)計、編輯、結(jié)構(gòu)線生成及查詢變坡點、豎曲線相關(guān)信息等功能，對國內(nèi)地鐵縱斷面參數(shù)化設(shè)計做出了探索和拓展。張云鵬[6]基于AutoCAD二次開發(fā)對原始測量數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)了隧道斷面尺寸圖的自動繪制及軌道左右軌面的自動標記，但功能較為簡單。張兆杰等[7]運用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法和ADO數(shù)據(jù)庫技術(shù)，研發(fā)了公路隧道輔助設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了建筑限界、內(nèi)輪廓、襯砌結(jié)構(gòu)及路面設(shè)計等參數(shù)化設(shè)計功能。曾紅兵[8]基于ObjectARX開發(fā)油氣管道盾構(gòu)隧道參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，詳細說明使用ObjectARX進行CAD二次開發(fā)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了簡單的隧道縱斷面圖參數(shù)化繪制。程韜[9]基于ObjectARX開發(fā)了輸氣管道隧道參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，闡明了對AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫的訪問和修改以及在AutoCAD中創(chuàng)建實體等關(guān)鍵問題的具體操作方法，對開發(fā)隧道CAD軟件有一定參考價值。目前國內(nèi)研究現(xiàn)狀中針對地鐵設(shè)計的CAD二次開發(fā)研究大多集中在參數(shù)化繪制和結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方面，對于地鐵盾構(gòu)區(qū)間平面及縱斷面圖的繪制、修改，尤其是按照相關(guān)規(guī)范最終成圖的相關(guān)研究還較少。

本文提出一種基于ObjectARX的地鐵盾構(gòu)區(qū)間平面及縱斷面快速出圖方法，以Visual Studio 2015為開發(fā)工具，使用C#語言進行代碼編寫，研究一種功能完整、操作便捷的快速標準化輔助繪圖應(yīng)用程序，能夠滿足地鐵盾構(gòu)區(qū)間平縱斷面圖設(shè)計所需的自動標注和修改、快速成圖等功能，以期實現(xiàn)快速、標準化、自動化的地鐵盾構(gòu)區(qū)間線路平面及縱斷面設(shè)計。

1 設(shè)計流程

地鐵盾構(gòu)區(qū)間平面圖、縱斷面圖的輔助設(shè)計是基于已有的由線路、地質(zhì)專業(yè)人員提供的平面和縱斷面設(shè)計圖基礎(chǔ)資料。首先，考慮平面圖和縱斷面圖共性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入，例如： 區(qū)間起終點里程、起終點車站名稱、聯(lián)絡(luò)通道中心線里程、聯(lián)絡(luò)通道寬度等，在此基礎(chǔ)上，進入平面圖或縱斷面圖處理模塊進行后續(xù)處理?；咎幚砹鞒倘鐖D1所示。

圖1 軟件處理流程

2 平面圖處理

2.1 線路中線定位

平面矢量圖形處理中，最關(guān)鍵的是對既有線路中線進行定位，即建立中心位置坐標與里程的對應(yīng)關(guān)系，線路邊線、起終點及聯(lián)絡(luò)通道等關(guān)鍵信息都以此為基準。對線路中線的處理包括： 1)將初始的、由多段不同幾何性質(zhì)的曲線所組成的地鐵線路的左、右線線路中線分別合并為2條完整的曲線，即將由多個圖元構(gòu)成的單條線路中線合并為1個圖元對象，圖元類別為ObjectARX中的Polyline圖元，以便于后續(xù)處理； 2)點選當前區(qū)間左、右線起終點車站有效站臺中心位置，結(jié)合中心位置里程，建立設(shè)計圖中左、右線線路中線當前區(qū)間各點里程的對應(yīng)關(guān)系。地鐵盾構(gòu)區(qū)間線路與站臺如圖2所示。

看原圖，掃文末二維碼。

設(shè)左線線路中線為L左，在ObjectARX中L左的對象類型為Polyline，通過定位獲得的L左上區(qū)間起終點車站有效站臺中心里程分別為k1、k2，坐標分別為p1、p2。根據(jù)兩端點沿L左距p1的距離大小設(shè)置起終點，即端點距p1距離小者為起點，反之為終點。通過GetDistAtPoint方法獲得p1、p2距起始點的長度l1、l2，則設(shè)k1、k2間任意里程k處距起始點的長度

l=l1+(k-k1)/(k2-k1)×(l2-l1)。

(1)

則里程k處的坐標p可根據(jù)Polyline的GetPointAtDist方法獲得。同理，可獲得右線線路中線區(qū)間內(nèi)任意一里程點的坐標。

盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)可能存在線路長短鏈，需要對存在長短鏈的區(qū)間里程進行修正： 設(shè)點P位于2處長短鏈C1、C2之間(沿小里程至大里程方向依次為C1、P、C2)，C1、C2對應(yīng)的前里程和后里程分別為MC1前、MC1后、MC2前、MC2后。通過GetDistAtPoint方法獲得點P、C1、C2距起始點的長度分別為lP、lC1、lC2。則修正后的P點里程

(2)

2.2 平面圖繪制

平面圖繪制主要包括生成區(qū)間線路中線及隧道邊線、區(qū)間左右線起止點以及里程標注、隧道邊線標注、聯(lián)絡(luò)通道繪制及標注、線路中線標注、盾構(gòu)掘進方向標注等。

2.2.1 自動繪圖及標注

平面圖自動繪制包括繪制隧道邊線及聯(lián)絡(luò)通道，自動標注內(nèi)容包括起終點、線路中線、隧道邊線、盾構(gòu)掘進方向及聯(lián)絡(luò)通道信息。

2.2.1.1 自動繪制隧道邊線

輸入盾構(gòu)區(qū)間橫斷面直徑后，根據(jù)已獲得的線路中線Polyline對象，調(diào)用GetOffsetCurves方法，即可生成線路邊線。根據(jù)區(qū)間起終點里程，自動生成垂直于線路中線的輔助直線對區(qū)間隧道邊線進行截斷處理，即完成邊線繪制。

2.2.1.2 自動繪制聯(lián)絡(luò)通道

根據(jù)已知聯(lián)絡(luò)通道在左、右線的里程k左、k右，獲得左、右線路中線上對應(yīng)的點坐標p左、p右(如圖3所示)，調(diào)用Polyline對象的GetOffsetCurves方法可獲得左、右線路中線的坐標位置。過2坐標點自動生成輔助直線Line對象，根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道寬度d將輔助直線向兩側(cè)分別平移d/2生成聯(lián)絡(luò)通道邊線Line對象，通過區(qū)間2邊線Polyline對象的IntersectWith方法與聯(lián)絡(luò)通道邊線Line對象求交點后，可分別截斷面Polyline和Line對象，自動刪除多余截斷線即可。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道繪制

2.2.1.3 文字標注

文字標注類型分為固定標注和動態(tài)標注。固定標注用于自動對區(qū)間起終點、聯(lián)絡(luò)通道等已知位置進行標注(如圖4所示)，標注信息格式、位置固定，無需用戶進行交互操作即可對區(qū)間內(nèi)所有重要控制點進行自動標注。動態(tài)標注則由用戶選擇標注位置，自動在選擇位置進行指定樣式的標注，例如： 隧道掘進方向、隧道中線及邊線標注(如圖5所示)。

固定標注和動態(tài)標注原理基本相同，即根據(jù)已確定的標注點計算標注線及標注內(nèi)容的位置。以隧道邊線動態(tài)標注為例進行說明，基本步驟如下：

1)當用戶選擇“隧道邊線”標注功能后，光標在線路左線附近點選待標注的大概位置P標注(見圖6)，系統(tǒng)將根據(jù)用戶點選位置與2隧道中線的距離遠近自動判斷標注對象為左線L左或右線L右。

圖4 區(qū)間起點里程固定標注

圖5 隧道邊線動態(tài)標注

圖6 自動標注示意圖

2.2.2 平面圖出圖

平面圖繪制完成后，需要適配給定的制式圖框，并根據(jù)用戶的出圖比例在布局空間中快速成圖。出圖時，制式標準圖框根據(jù)需要在橫向進行自動拉伸，直至圖框能完全包含區(qū)間線路顯示區(qū)域；若待顯示區(qū)域線路曲率較大，不能在一個制式標準圖框中完整顯示時，則自動平均切分成多個線路區(qū)段，分別在不同的標準制式圖框中顯示，用戶也可根據(jù)線路具體情況，手動設(shè)置切分后的圖框數(shù)量。經(jīng)測試，切分功能完全能夠滿足各種特殊地鐵盾構(gòu)區(qū)間的成圖需要。具體過程如下：

1)在布局空間中，設(shè)置標準圖框中用于顯示區(qū)間設(shè)計圖的視口區(qū)域；分別以區(qū)間左、右線起、終點位置連線的中點為區(qū)間起點、區(qū)間終點(如圖7所示)，將視口矩形框旋轉(zhuǎn)使其上下邊線與區(qū)間起、終點連線平行；將區(qū)間左、右線中點里程位置連線的中點作為視口顯示的中心位置，將矩形框平移使其中點與區(qū)間中點里程位置重合。

圖7 原始線路姿態(tài)(旋轉(zhuǎn)前)

2)將區(qū)間最外側(cè)線路邊線向外平移距離d，通過IntersectWith方法，判斷平移后的隧道邊線分別與平移旋轉(zhuǎn)后的矩形框上下邊線是否有交點。若有交點，表明圖框無法完整顯示區(qū)間，則自動對區(qū)間按里程長度進行2等分分割，并在分割處設(shè)置搭接。搭接長度為固定值l搭接，l搭接是由調(diào)研大量成圖慣例并測試成圖效果后得出的。按相同方法對各分割線路區(qū)段進行分析，若仍不滿足要求，則將等分數(shù)加1再進行分割處理，直至當前分割后形成的各線路區(qū)段中平移形成的隧道邊線與平移旋轉(zhuǎn)后的矩形框上下邊線均無交點，此時表明當前分割結(jié)果能夠完整顯示在視口(Viewport)中。

3)根據(jù)區(qū)段分割的區(qū)段數(shù)量，在布局空間中將標準圖框自動復制n-1份。對各標準圖框中的視口，計算出對應(yīng)模型空間待顯示線路區(qū)段與水平方向的夾角，將其值賦給視口的TwistAngle屬性，將區(qū)段中點坐標賦值給ViewCenter屬性。

3 縱斷面圖處理

縱斷面圖成圖過程相對平面圖更加復雜，對于原始縱斷面圖，需要對比例尺、區(qū)間斷面圖區(qū)域、線路要素表頭和線路要素進行縮放及定位等處理，同時增加指定盾構(gòu)區(qū)間的標注功能。

3.1 縮放

由于出圖要求的x、y方向比例與原始圖紙往往不同，需要對原始縱斷面圖紙的x、y方向進行不同比例縮放以達到出圖要求。其處理方法為： 1)根據(jù)用戶輸入的原始圖紙及出圖要求的x、y方向比例分別計算出縮放系數(shù)。2)獲得待縮放區(qū)域內(nèi)的所有實體(Entity)，生成新的塊表記錄并加入塊表中。3)針對新塊表中加入的塊(即為須進行縮放處理的對象)，建立新塊表的BlockReference對象，通過該對象的ScaleFactors屬性設(shè)置x、y方向的縮放比例。4)縮放完成后，炸開塊，對產(chǎn)生畸變的文字調(diào)整其Width、Height等屬性，使文字顯示比例正常。

3.2 里程、高程定位

在初始化模塊中讀入的區(qū)間起終點車站里程等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件內(nèi)置的數(shù)據(jù)校核功能檢驗無誤后分配至縱斷面處理模塊，然后通過縱斷面高程、里程定位建立區(qū)間里程數(shù)據(jù)與圖紙中圖元的對應(yīng)關(guān)系。

1)高程定位(垂直方向)。高程定位以標尺為基準進行設(shè)置。用戶點選標尺上的高程讀數(shù)點H0(x0,y0,z0)，并輸入其對應(yīng)的高程h0，又由3.1節(jié)中已知圖紙y方向縮放比例為Sy，則可通過式(3)計算圖上任一點Hn(xn,yn,zn)的對應(yīng)高程hn。

hn=h0+(yn-y0)/Sy。

(3)

2)里程定位(水平方向)。由用戶點任意2處已知里程的標志點P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2, 選圖中z2)，其對應(yīng)里程分別為m1、m2，則縱斷面圖中里程為mn的點Pn，可通過式(4)計算其在圖上的對應(yīng)水平坐標xn。

(4)

3.3 文字標注

快速文字標注是提高出圖效率的關(guān)鍵步驟之一，標注內(nèi)容主要包括區(qū)間起終點里程、起終點車站、隧道邊線、軌面線、聯(lián)絡(luò)通道、變坡點及軌面標高。以變坡點及軌面標高自動標注為例，標注變坡點及軌面標高時要求對區(qū)間范圍內(nèi)軌面線上所有變坡點及對應(yīng)軌面點進行高程標注。標注時，首先查找當前區(qū)間里程范圍內(nèi)的所有變坡點；找到變坡點后計算變坡點高程，同時計算過變坡點豎向直線與軌面線的交點，計算出交點高程，如圖8所示；然后,在曲線要素區(qū)域?qū)?yīng)位置同時標注出變坡點高程和軌面高程。

圖8 變坡點

3.4 線路要素處理

標準出圖時，制式標準圖框中顯示的線路要素和表頭區(qū)域高度與實際待處理縱斷面圖的線路要素和表頭區(qū)域高度并不一致，需要進行豎向縮放處理，即根據(jù)用戶框選的表頭和線路要素所有實體(Entity)生成新的塊表，記錄后對塊進行豎向縮放并對塊中文字進行處理，處理方法同3.1節(jié)。

3.5 多視口成圖

縱斷面原始圖紙一般包含連續(xù)的多個區(qū)間，而單個制式標準圖框出圖結(jié)果只包含一個盾構(gòu)區(qū)間。在布局空間的標準出圖中，標尺、縱斷面主視圖、表頭、線路要素顯示區(qū)域的相對位置與模型空間中不同，需要將模型空間中的相應(yīng)內(nèi)容分別顯示到同一個制式標準圖框中的對應(yīng)視口中(見圖9)。同時，制式標準圖框及相應(yīng)視口隨盾構(gòu)區(qū)間里程長度沿水平方向伸長或縮短，以剛好顯示指定盾構(gòu)區(qū)間。

看原圖，掃文末二維碼。

具體過程為： 1)確定制式標準圖框類型，在模型空間中分別選擇標尺、縱斷面主視圖、表頭、線路要素顯示區(qū)域，對各顯示區(qū)域進行定位和縮放，以適應(yīng)圖框類型； 2)提供相應(yīng)功能對指定圖層快速增加或快速統(tǒng)一修改圖元，以滿足出圖內(nèi)容和格式要求； 3)加載制式標準圖框，框選出圖框中用于顯示模型空間圖元的區(qū)域； 4)計算盾構(gòu)區(qū)間縱斷面顯示長度(水平方向)，當區(qū)間顯示長度大于或小于圖框中縱斷面主視圖顯示區(qū)域的長度時，對圖框自動進行橫向拉伸或收縮以適配區(qū)間長度； 5)在標準圖框中自動創(chuàng)建4個視口，分別用于顯示模型空間中的標尺、盾構(gòu)區(qū)間縱斷面、表頭、線路要素顯示區(qū)域； 6)設(shè)置各視口中的視圖位置，使視口顯示對應(yīng)區(qū)域內(nèi)容，完成成圖操作。

4 應(yīng)用實例

蘇州地鐵4號線蘇北區(qū)間(蘇州火車站站—北寺塔站)采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)直徑6.2 m。區(qū)間左線起點里程為左DK9+388.703，終點里程為左DK10+730.950；右線起點里程為右DK9+328.703，終點里程為右DK10+854.870。左線盾構(gòu)掘進方向為小里程到大里程，右線盾構(gòu)掘進方向為大里程到小里程。區(qū)間內(nèi)包含2處聯(lián)絡(luò)通道，其中一處帶泵房，在左右線上的里程分別為左DK9+767.942、右DK9+770.000； 另一處在左右線上的里程分別為左DK10+303.848、右DK10+320.000。要求根據(jù)原有平面圖、縱斷面圖生成標準A2框圖。

4.1 平面圖出圖

蘇北區(qū)間原始平面圖如圖10所示。其中僅有線路中線，缺少隧道邊線、聯(lián)絡(luò)通道邊線、起終點位置標注、中線和邊線標注以及掘進方向標注等。

經(jīng)過生成線路邊線、自動標注、創(chuàng)建A2圖框、插入視口等處理后，自動生成2幅標準設(shè)計圖，如圖11所示。其中，圖11(c)局部放大圖中顯示了自動生成的隧道邊線、線路中線和邊線、掘進方向、終點位置的自動標注結(jié)果。

(a) 平面圖

4.2 縱斷面圖出圖

圖12為包含蘇北區(qū)間的地鐵線路右線縱斷面圖的原始圖。其水平及垂直比例、線路要素區(qū)域高度不滿足出圖要求，需要增加區(qū)間起終點里程、起終點車站、隧道邊線、軌面線、聯(lián)絡(luò)通道、變坡點及軌面標高等標注。

經(jīng)過斷面圖比例調(diào)整、線路要素比例調(diào)整、生成區(qū)間隧道邊線、自動標注區(qū)間隧道等操作后，定位標尺、區(qū)間縱斷面、線路要素、表頭等區(qū)域； 然后在布局空間中創(chuàng)建標準圖框，在圖框中選擇待插入視口區(qū)域范圍后，系統(tǒng)自動計算分配各視口范圍，當盾構(gòu)區(qū)間縱斷面顯示區(qū)域視口范圍的水平長度小于或大于實際長度時，將自動縮放制式標準圖框。最終生成的縱斷面圖如圖13所示。

4.3 效果分析

經(jīng)測試，使用傳統(tǒng)的人工繪圖方法進行設(shè)計出圖，平面圖一般需50 min以上，縱斷面圖則需120 min以上，且繪制過程中易出現(xiàn)漏誤，影響后續(xù)區(qū)間設(shè)計。經(jīng)設(shè)計單位人員測試，使用本軟件對插件的平面及縱斷面圖進行自動繪圖和標注、快速成圖等操作，平面圖繪制時間縮短至10 min以內(nèi)，縱斷面圖繪制時間縮短至15 min以內(nèi),且縱斷面繪圖比例可調(diào)節(jié)、線路要素生成方便。平面及縱斷面快速成圖方法大大簡化了繪制工作量，避免了差錯漏碰，成圖效果統(tǒng)一美觀，最終成圖與人工制圖在形式上并無差異，圖紙復核及修訂與人工制圖方法相同。

(a) 標準圖1

看原圖，掃文末二維碼。

看原圖，掃文末二維碼。

由于重新出圖工作量小、耗時短，如需修改設(shè)計參數(shù)調(diào)整圖紙，軟件可根據(jù)修改的任意參數(shù)便捷地完成重新出圖。

5 結(jié)論與討論

本文對地鐵盾構(gòu)區(qū)間平面及縱斷面圖快速出圖方法進行了研究,結(jié)論如下。

1)從地鐵盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計需求的實際出發(fā)，分析了區(qū)間平面及縱斷面圖的設(shè)計步驟，對基于ObjectARX的AutoCAD二次開發(fā)進行了研究，提出了地鐵盾構(gòu)區(qū)間平面及縱斷面圖的自動繪制及標注、快速成圖方法。

2)針對平面及縱斷面圖研發(fā)出快速出圖功能，平面圖可自動根據(jù)平面線形或指定出圖數(shù)量，在布局空間生成一張或多張圖紙?？v斷面圖采用自動多視口成圖方法，有效避免了對縱斷面圖中原始連續(xù)多個區(qū)間的切分操作，實現(xiàn)了根據(jù)單個區(qū)間長度自適應(yīng)成圖的功能，為滿足復雜、精細的出圖需求提供了有力支持。軟件成果表明： 靈活的自動標注功能可顯著提升制圖、成圖效率，節(jié)約人工成本；結(jié)合視口旋轉(zhuǎn)、切分的自動成圖方法可以有效解決特殊線路區(qū)間的出圖、成圖困難問題。

3)軟件應(yīng)用效果良好，經(jīng)設(shè)計人員測試，平面圖出圖效率提高5倍以上，縱斷面圖出圖效率提高10倍以上，且制圖漏誤率低于5%，成圖標準化程度極高，能極大降低人工工時，節(jié)約人工成本。

軟件部分功能可用于礦山法和明挖法隧道，下一階段可擴展至對礦山法和明挖法隧道、隧道紅線及與周邊建構(gòu)筑物關(guān)系等自動成圖，以進一步提高軟件的適用性。