基于ObjectARX的地鐵盾構區間平面及縱斷面快速出圖方法研究

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. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063；4. 水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心, 湖北 武漢 430063)

0 引言

城市軌道交通區間隧道主要采用盾構法施工，盾構隧道線路平面圖及縱斷面圖是盾構隧道線路設計的核心，涉及線路線形，不允許出現任何差錯漏碰。盾構區間平面圖及縱斷面圖本身繪制難度一般，但細節較多、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。由于疊加方案調整、多階段出圖等因素，平縱斷面設計耗時費力。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隧道線路設計的迫切需求。

在軟件應用方面，盾構區間平面圖及縱斷面圖的設計目前仍以AutoCAD為主[1-4]。AutoCAD二次開發可以用于解決盾構區間平面圖及縱斷面圖設計中遇到的一系列問題，其主要目的在于實現參數化、標準化繪圖。因此，實現既有數據的快速讀取和轉化對提高繪圖效率、消除繪制漏碰具有重要意義。

目前，應用于地鐵盾構區間設計的專業輔助繪圖軟件還較為少見，但針對隧道領域的CAD二次開發國內已有一些研究。張漢瑞等[3]利用ObjectARX技術，實現了隧道設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的統計功能，但功能較為基礎。李妍[5]對地鐵線路縱斷面計算機輔助設計進行了深入研究，開發了縱斷面輔助設計系統(MRPCAD)，實現了坡線設計、編輯、結構線生成及查詢變坡點、豎曲線相關信息等功能，對國內地鐵縱斷面參數化設計做出了探索和拓展。張云鵬[6]基于AutoCAD二次開發對原始測量數據進行處理，實現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]運用面向對象的程序設計方法和ADO數據庫技術，研發了公路隧道輔助設計系統，實現了建筑限界、內輪廓、襯砌結構及路面設計等參數化設計功能。曾紅兵[8]基于ObjectARX開發油氣管道盾構隧道參數化設計系統，詳細說明使用ObjectARX進行CAD二次開發的數據結構，實現了簡單的隧道縱斷面圖參數化繪制。程韜[9]基于ObjectARX開發了輸氣管道隧道參數化設計系統，闡明了對AutoCAD圖形數據庫的訪問和修改以及在AutoCAD中創建實體等關鍵問題的具體操作方法，對開發隧道CAD軟件有一定參考價值。目前國內研究現狀中針對地鐵設計的CAD二次開發研究大多集中在參數化繪制和結構設計計算方面，對于地鐵盾構區間平面及縱斷面圖的繪制、修改，尤其是按照相關規范最終成圖的相關研究還較少。

本文提出一種基于ObjectARX的地鐵盾構區間平面及縱斷面快速出圖方法，以Visual Studio 2015為開發工具，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用程序，能夠滿足地鐵盾構區間平縱斷面圖設計所需的自動標注和修改、快速成圖等功能，以期實現快速、標準化、自動化的地鐵盾構區間線路平面及縱斷面設計。

1 設計流程

地鐵盾構區間平面圖、縱斷面圖的輔助設計是基于已有的由線路、地質專業人員提供的平面和縱斷面設計圖基礎資料。首先，考慮平面圖和縱斷面圖共性基礎數據的錄入，例如： 區間起終點里程、起終點車站名稱、聯絡通道中心線里程、聯絡通道寬度等，在此基礎上，進入平面圖或縱斷面圖處理模塊進行后續處理。基本處理流程如圖1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關系，線路邊線、起終點及聯絡通道等關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，以便于后續處理； 2)點選當前區間左、右線起終點車站有效站臺中心位置，結合中心位置里程，建立設計圖中左、右線線路中線當前區間各點里程的對應關系。地鐵盾構區間線路與站臺如圖2所示。

看原圖，掃文末二維碼。

設左線線路中線為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。根據兩端點沿L左距p1的距離大小設置起終點，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Polyline的GetPointAtDist方法獲得。同理，可獲得右線線路中線區間內任意一里程點的坐標。

盾構區間內可能存在線路長短鏈，需要對存在長短鏈的區間里程進行修正： 設點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間線路中線及隧道邊線、區間左右線起止點以及里程標注、隧道邊線標注、聯絡通道繪制及標注、線路中線標注、盾構掘進方向標注等。

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絡通道，自動標注內容包括起終點、線路中線、隧道邊線、盾構掘進方向及聯絡通道信息。

2.2.1.1 自動繪制隧道邊線

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

2.2.1.2 自動繪制聯絡通道

根據已知聯絡通道在左、右線的里程k左、k右，獲得左、右線路中線上對應的點坐標p左、p右(如圖3所示)，調用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，根據聯絡通道寬度d將輔助直線向兩側分別平移d/2生成聯絡通道邊線Line對象，通過區間2邊線Polyline對象的IntersectWith方法與聯絡通道邊線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 聯絡通道繪制

2.2.1.3 文字標注

文字標注類型分為固定標注和動態標注。固定標注用于自動對區間起終點、聯絡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間內所有重要控制點進行自動標注。動態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)。

固定標注和動態標注原理基本相同，即根據已確定的標注點計算標注線及標注內容的位置。以隧道邊線動態標注為例進行說明，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)，系統將根據用戶點選位置與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 區間起點里程固定標注

圖5 隧道邊線動態標注

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，制式標準圖框根據需要在橫向進行自動拉伸，直至圖框能完全包含區間線路顯示區域；若待顯示區域線路曲率較大，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段，分別在不同的標準制式圖框中顯示，用戶也可根據線路具體情況，手動設置切分后的圖框數量。經測試，切分功能完全能夠滿足各種特殊地鐵盾構區間的成圖需要。具體過程如下：

1)在布局空間中，設置標準圖框中用于顯示區間設計圖的視口區域；分別以區間左、右線起、終點位置連線的中點為區間起點、區間終點(如圖7所示)，將視口矩形框旋轉使其上下邊線與區間起、終點連線平行；將區間左、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間中點里程位置重合。

圖7 原始線路姿態(旋轉前)

2)將區間最外側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間，則自動對區間按里程長度進行2等分分割，并在分割處設置搭接。搭接長度為固定值l搭接，l搭接是由調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段進行分析，若仍不滿足要求，則將等分數加1再進行分割處理，直至當前分割后形成的各線路區段中平移形成的隧道邊線與平移旋轉后的矩形框上下邊線均無交點，此時表明當前分割結果能夠完整顯示在視口(Viewport)中。

3)根據區段分割的區段數量，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，計算出對應模型空間待顯示線路區段與水平方向的夾角，將其值賦給視口的TwistAngle屬性，將區段中點坐標賦值給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、區間斷面圖區域、線路要素表頭和線路要素進行縮放及定位等處理，同時增加指定盾構區間的標注功能。

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。2)獲得待縮放區域內的所有實體(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屬性設置x、y方向的縮放比例。4)縮放完成后，炸開塊，對產生畸變的文字調整其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間起終點車站里程等基礎數據，經過軟件內置的數據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、里程定位建立區間里程數據與圖紙中圖元的對應關系。

1)高程定位(垂直方向)。高程定位以標尺為基準進行設置。用戶點選標尺上的高程讀數點H0(x0,y0,z0)，并輸入其對應的高程h0，又由3.1節中已知圖紙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鍵步驟之一，標注內容主要包括區間起終點里程、起終點車站、隧道邊線、軌面線、聯絡通道、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間范圍內軌面線上所有變坡點及對應軌面點進行高程標注。標注時，首先查找當前區間里程范圍內的所有變坡點；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,在曲線要素區域對應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域高度與實際待處理縱斷面圖的線路要素和表頭區域高度并不一致，需要進行豎向縮放處理，即根據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。

3.5 多視口成圖

縱斷面原始圖紙一般包含連續的多個區間，而單個制式標準圖框出圖結果只包含一個盾構區間。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內容分別顯示到同一個制式標準圖框中的對應視口中(見圖9)。同時，制式標準圖框及相應視口隨盾構區間里程長度沿水平方向伸長或縮短，以剛好顯示指定盾構區間。

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、線路要素顯示區域，對各顯示區域進行定位和縮放，以適應圖框類型； 2)提供相應功能對指定圖層快速增加或快速統一修改圖元，以滿足出圖內容和格式要求； 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域； 4)計算盾構區間縱斷面顯示長度(水平方向)，當區間顯示長度大于或小于圖框中縱斷面主視圖顯示區域的長度時，對圖框自動進行橫向拉伸或收縮以適配區間長度； 5)在標準圖框中自動創建4個視口，分別用于顯示模型空間中的標尺、盾構區間縱斷面、表頭、線路要素顯示區域； 6)設置各視口中的視圖位置，使視口顯示對應區域內容，完成成圖操作。

4 應用實例

蘇州地鐵4號線蘇北區間(蘇州火車站站—北寺塔站)采用盾構法施工，盾構直徑6.2 m。區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。左線盾構掘進方向為小里程到大里程，右線盾構掘進方向為大里程到小里程。區間內包含2處聯絡通道，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、聯絡通道邊線、起終點位置標注、中線和邊線標注以及掘進方向標注等。

經過生成線路邊線、自動標注、創建A2圖框、插入視口等處理后，自動生成2幅標準設計圖，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果。

(a) 平面圖

4.2 縱斷面圖出圖

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

經過斷面圖比例調整、線路要素比例調整、生成區間隧道邊線、自動標注區間隧道等操作后，定位標尺、區間縱斷面、線路要素、表頭等區域； 然后在布局空間中創建標準圖框，在圖框中選擇待插入視口區域范圍后，系統自動計算分配各視口范圍，當盾構區間縱斷面顯示區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

經測試，使用傳統的人工繪圖方法進行設計出圖，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漏誤，影響后續區間設計。經設計單位人員測試，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，縱斷面圖繪制時間縮短至15 min以內,且縱斷面繪圖比例可調節、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，如需修改設計參數調整圖紙，軟件可根據修改的任意參數便捷地完成重新出圖。

5 結論與討論

本文對地鐵盾構區間平面及縱斷面圖快速出圖方法進行了研究,結論如下。

1)從地鐵盾構區間設計需求的實際出發，分析了區間平面及縱斷面圖的設計步驟，對基于ObjectARX的AutoCAD二次開發進行了研究，提出了地鐵盾構區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出快速出圖功能，平面圖可自動根據平面線形或指定出圖數量，在布局空間生成一張或多張圖紙。縱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多個區間的切分操作，實現了根據單個區間長度自適應成圖的功能，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，節約人工成本；結合視口旋轉、切分的自動成圖方法可以有效解決特殊線路區間的出圖、成圖困難問題。

3)軟件應用效果良好，經設計人員測試，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筑物關系等自動成圖，以進一步提高軟件的適用性。