基于.NET的隧道參數化設計研究

張兆杰，田志宇，林國進

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司 成都市 610041)

由于隧道設計的復雜性等諸多原因，目前專業 CAD 技術應用，大多還停留在利用 AutoCAD 基本命令進行交互式繪圖的初級階段，真正意義上的計算機輔助設計軟件的應用并不多見，因此，公路隧道設計在 CAD 二次開發方面，從總體上說起步較晚，應用深度不夠，技術手段和實踐經驗遠不如路線、橋梁等其它專業領域的先進和成熟[1-3]。

近年來，隨著我國公路建設的快速發展，隧道設計任務日益增多，若把 CAD 的應用僅局限于繪圖工具這一技術層面，突出顯現了其作業方式與設計效率的矛盾。因而，提高隧道專業整體設計效率，研發公路隧道輔助設計系統的迫切性和重要性不言而喻。

1 二次開發工具比選

目前常用的AutoCAD二次開發工具主要有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機制，源程序保密性差，因此不適合作為AutoCAD二次開發工具。.NET API在擁有ObjectARX強大功能的同時，具有方便易用的特點，是較為理想的開發工具[4-5]。

2 TunnelMaster軟件簡介

2.1 軟件研發過程

自2013年開始，四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院隧道與地下工程分院開發了公路隧道結構繪圖軟件(以下簡稱TunnelMaster)，并成功應用于實際生產中。近年來，隨著《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)等一批新的標準和規范的實施，同時結合近二十年來我國公路隧道建設的經驗，四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院對TunnelMaster軟件進行了持續升級。

表1 二次開發工具對比

2.2 軟件主要特點

TunnelMaster軟件，是在AutoCAD的基礎上，以 ObjectARX和.NET API作為二次開發工具，以.NET作為開發平臺，運用基于三層架構和面向對象的程序設計方法、基于ADO.NET的數據庫訪問技術編制而成的適用于公路隧道設計的專業 CAD軟件。本軟件在設計和實現方面具有以下特點：

(1)操作簡潔。本系統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，輸入參數即可成圖。本軟件既可在操作系統中使用，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行操作。此外，本系統是基于Windows系統平臺編制的程序，它具有Windows系統平臺應用程序所具有的特點。

(2)優質高效。輸入相關參數后，幾秒鐘內即可生成成品圖紙。繪圖和工程量計算過程完全由軟件在后臺完成，避免了設計人員可能發生的低級失誤。本系統大大提高了設計效率和質量，縮短了隧道設計周期，減輕了專業設計人員的勞動強度，加強了隧道設計的標準化，從而將設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計方案的比選和優化中。

(3)專業實用。本系統的研發人員均為從事公路隧道設計的一線人員，更為了解設計者的需求與操作習慣。近年來本系統成功應用于數十個公路項目和數百座公路隧道，實踐證明該系統運行穩定可靠。

2.3 軟件主要功能

(1)建筑限界設計模塊。

支持公路隧道主洞、公路隧道緊急停車帶、分設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、平導等建筑限界型式。

(2)內輪廓設計模塊。

內輪廓設計支持單心圓、三心圓、五心圓和有無仰拱、直曲邊墻等各種組合型式。

(3)襯砌結構設計模塊。

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

(4)路面設計。

支持路面橫斷面設計、水泥混凝土面層板塊劃分及接縫鋼筋設計。

(5)內裝設計模塊。

3 軟件操作說明

3.1 建筑限界和內輪廓設計模塊

以設計速度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)設置主洞軸線關系參數，如圖1所示。

(2)設置電纜槽參數，如圖2所示。

(3)設置建筑限界參數，如圖3所示。

(4)設置內輪廓參數，如圖4所示。

(5)點擊“繪圖”按鈕即可成圖。

圖1 設置主洞軸線參數

圖2 設置電纜槽參數

3.2 襯砌結構設計模塊

操作步驟如下：

(1)設置襯砌結構參數，如圖5所示。

(2)設置鋼架細部參數，如圖6所示。

(3)點擊“繪圖”按鈕即可自動成圖。

圖3 設置建筑限界軸線參數

圖4 設置內空參數

圖5 設置襯砌結構參數

圖6 設置鋼架細部參數

4 工程應用實例

4.1 四川省交通行業通用圖編制

2014年，為貫徹科學發展觀，提高四川省隧道設計質量和水平，保障四川省公路隧道施工及結構安全，實現隧道設計和施工標準化建設，同時鑒于交通運輸部沒有編制公路隧道任何相關的通用圖，四川省交通運輸廳委托四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院編制結構通用圖。該通用圖編制過程中，建筑限界和內輪廓設計及襯砌結構設計采用了TunnelMaster軟件。

4.2 緊急停車帶建筑限界和內輪廓修訂

2014年，某院按照當時的行業標準和規范完成了攀枝花至大理(四川境)高速公路的初步設計送審稿。根據《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)，緊急停車帶的寬度，包含右側向寬度應取3.5m。但是2015年1月1日開始實施的《公路工程技術標準》(JTG B01-2014)規定：緊急停車帶寬度應為3.0m，且與右側側向寬度之和應大于或等于3.5m。對于設計速度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由13.00m調整至13.25m。為此，設計單位采用TunnelMaster軟件對緊急停車帶建筑限界和內輪廓、襯砌結構圖等進行了修訂。

4.3 某公路隧道后期服務

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

現場設計代表針對實際圍巖揭示情況，本著施工安全、節約投資的原則，對超前支護和初期支護參數進行了優化。由于微調后的支護襯砌參數處于原設計Ⅳ型襯砌和Ⅴ型襯砌之間，無法利用既有施工圖設計圖紙。設計代表采用HWTCAD軟件快速生成了襯砌設計圖，及時提交了設計變更圖紙，確保了施工進度和安全。目前該段落已成功通過。

5 結語

結合公路隧道設計現狀，以軟件工程理論為指導，運用基于三層架構和面向對象的程序設計方法、基于ADO.NET的數據庫訪問技術，實現了公路隧道參數化設計，研發了公路隧道輔助設計系統，并重點介紹了其襯砌結構設計模塊。該系統提高了設計效率和質量，縮短了隧道設計周期，減輕了專業設計人員的勞動強度，加強了隧道設計的標準化，從而將設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計方案的比選和優化中。