基于DXF組碼的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)自動出圖研究

龔彥峰，程 巖，劉笑娣，王少鋒

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 2. 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； 3. 上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200092； 4. 上海地下基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測與養(yǎng)護裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200092)

0 引 言

盾構(gòu)施工法以其機械化程度高、速度快已成為隧道建設(shè)最重要的施工方法[1]。目前管片結(jié)構(gòu)圖繪制由設(shè)計人員借助CAD軟件完成，而管片結(jié)構(gòu)空間形式復(fù)雜，各構(gòu)件并非規(guī)則圖形，需從不同角度進行剖切與投影才能完整表達管片結(jié)構(gòu)，同時管片幾何尺寸參數(shù)多，改變某一參數(shù)將導(dǎo)致設(shè)計人員不得不耗費大量時間進行全部重新繪制。人工繪制方法需要做大量的幾何運算，計算繁瑣且繪制不夠精細，存在著工作量大、易出錯等缺點。

在隧道出圖方面，相關(guān)學(xué)者進行了探索性研究。曾紅兵[2]針對油氣管道盾構(gòu)隧道進行AutoCAD2004二次開發(fā)，在VS2002平臺利用ObjectARX2004語言進行隧道縱斷面繪圖；趙祥岍等[3]將Visual Basic語言與AutoCAD相結(jié)合，針對矩形隧道、圓形隧道與馬蹄形隧道定制通用隧道圖模板，實現(xiàn)自動繪圖；劉濤[4]利用Visual Lisp語言對AutoCAD進行二次開發(fā)，編制盾構(gòu)隧道管片參數(shù)化設(shè)計程序；周建暉等[5]研究了現(xiàn)有公路隧道輔助設(shè)計軟件的思路和技術(shù)特點，結(jié)合公路隧道設(shè)計過程的實際需要，提出了公路隧道輔助設(shè)計軟件的新思路，即建模和出圖采用參數(shù)式與交互式相結(jié)合，將計算、優(yōu)化與出圖集成統(tǒng)一；陳衛(wèi)軍等[6]通過研究參數(shù)化繪圖方法，提出參數(shù)化繪圖可以作為隧道CAD系統(tǒng)開發(fā)的主導(dǎo)思路，并以端式洞門設(shè)計部分為例說明了隧道CAD參數(shù)化繪圖的實現(xiàn)。

雖然針對隧道自動出圖許多學(xué)者已進行了研究，但存在以下不足：①以往CAD自動出圖均基于AutoDesk平臺進行開發(fā)，界面不夠友好，操作不便；②所作插件受平臺及版權(quán)限制，適用性不強；③隧道出圖均為簡單的輪廓圖形，涉及管片結(jié)構(gòu)出圖方面探究更為少見。針對以上問題，筆者進行管片結(jié)構(gòu)自動出圖研究，開發(fā)完全獨立于AutoDesk平臺相關(guān)軟件。

1 DXF文件

DXF(drawing exchange format，圖形交換格式)是AutoCAD 圖形文件標記數(shù)據(jù)的一種表示方法。DXF文件具有ASCⅡ和二進制兩種格式[7]，其中ASCⅡ類型更為常見，便于使用，筆者所使用的DXF文件均指ASCⅡ格式。DXF文件在每個數(shù)據(jù)元素前都帶一個稱為組碼的整數(shù)，組碼的值表明了其后數(shù)據(jù)元素的類型，本質(zhì)上DXF文件就是由組碼與組碼關(guān)聯(lián)的值組成，每個組碼和組碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)條目各占一行。

完整的DXF文件由7個段(SECTION)構(gòu)成，分別為HEADER、CLASS、TABLE、BLOCK、ENTITIES、OBJECT。ENTITIES段為DXF文件最重要的部分，包含了所有實體對象的幾何信息。

各段均以0組碼以及組碼值SECTION開始，最后以組碼0以及組碼值ENDSEC結(jié)束，中間附帶其余組碼以及相應(yīng)的組碼值構(gòu)成各完整段，所有段組合構(gòu)成完整的文件。

2 管片結(jié)構(gòu)圖

實際工程中制作管片所需圖紙一般包括立面圖、千斤頂視圖、方向視圖與剖面圖。

2.1 立面圖

管片立面圖包含了沿管片內(nèi)弧面方向視角信息。主要有管片寬度、弦長、管片標志與對接面標志以及注漿孔、拼裝定位孔、手孔、激光定位孔等，其示意圖如圖1。

圖1 管片立面(單位：mm)Fig. 1 Segment plan drawing

2.2 千斤頂視圖

千斤頂視圖分為迎千斤頂與背千斤頂視圖，迎千斤頂視圖為沿盾構(gòu)掘進方向視角所包含的信息。 主要有弧長、圓心角、縱向螺栓孔、管片環(huán)縫、凹凸榫等，如圖2，背千斤頂與迎千斤頂視圖呈對稱關(guān)系。

圖2 管片迎千斤頂視圖(單位：mm)Fig. 2 Segment facing jack side drawing

2.3 方向視圖

方向視圖分為左右兩個方向，如圖3為方向視圖的一種。包含了沿管片三維模型寬度方向兩個側(cè)面視角信息，主要有管片寬度、厚度、環(huán)向螺栓孔、定位棒槽等。

圖3 管片方向視圖(單位：mm)Fig. 3 Segment direction drawing

2.4 剖面圖

管片各結(jié)構(gòu)視圖僅可展示管片表面信息，對于管片結(jié)構(gòu)內(nèi)部則需沿三維模型不同位置進行剖切之后，以剖面圖表達。通常沿管片三維模型橫縱中軸線以及孔洞處進行剖切，橫剖面圖如圖4，縱剖面圖如圖5，主要為了展示具體的注漿管、手孔、拼裝定位孔等。

3 管片結(jié)構(gòu)參數(shù)化自動出圖技術(shù)

3.1 DXF解碼與編碼

讀取DXF文件為解碼過程[8]。根據(jù)各段所對應(yīng)的關(guān)鍵標識符，依次對文件進行檢索，當檢索到標識符所對應(yīng)的段時，即跳到該段進行相應(yīng)的處理。讀取該段組碼所對應(yīng)的組碼值信息并存儲到定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，如未搜索到該段則跳過。例如在文件中搜索到“TABLE”字段，即跳到TABLE段進行數(shù)據(jù)處理，其中ENTITIES段為主要讀取對象。

圖4 管片橫剖面(單位：mm)Fig. 4 Segment cross section drawing

圖5 管片縱剖面(單位：mm)Fig. 5 Segment vertical section drawing

與DXF文件解碼相比，編碼實現(xiàn)所需的DXF文件流程要相對復(fù)雜，需要根據(jù)DXF組碼將所要生成的文件信息依次寫入組碼所對應(yīng)的組碼值中。對必不可少的組碼不能有遺漏，通過以下流程實現(xiàn)。

3.1.1 定義基本圖元

以組成結(jié)構(gòu)圖基本圖元為單位，預(yù)定義各圖元參數(shù)，包括ENTIYIES段中出現(xiàn)的點、線段、圓弧、橢圓弧等，各圖元名稱和其所包含的字段以及類型見表1。

表1 圖元定義Table 1 Primitive definition

3.1.2 基本圖元賦值

在圖元基本參數(shù)定義基礎(chǔ)上，將組成文件的圖元賦予實際值。例如需生成一個圓心位于坐標系原點、半徑為5的整圓DXF文件，首先定義Point(0，0)，將圓弧圓心CenterPo實際值賦為Point，半徑值Radius設(shè)為5，起始角StartAng與終止角EndAng置為0與2π。同理針對不同圖元，將該圖元字段信息賦予實際值。

3.1.3 寫文件

以“寫”的方式將所需要生成的文件賦予完整路徑名稱，創(chuàng)建出一個空文件。根據(jù)DXF文件組碼格式，依次寫入7個段的信息，以ENTIYIES段為主，在寫入該段時，將各圖元組碼和所對應(yīng)的組碼值即步驟2中預(yù)存儲的信息寫入。最后在文件末尾加上結(jié)束標志。

3.2 管片幾何布爾運算

布爾運算技術(shù)是計算機幾何造型技術(shù)中構(gòu)造復(fù)雜實體最重要的內(nèi)容之一[9]。實際管片結(jié)構(gòu)圖構(gòu)件種類多，參數(shù)復(fù)雜，部分構(gòu)件幾何參數(shù)無法通過計算獲取，直接繪制難以確定各構(gòu)件具體位置信息。將復(fù)雜管片結(jié)構(gòu)圖根據(jù)構(gòu)件組成進行分解，借助幾何對象的布爾運算，通過平移、鏡像、旋轉(zhuǎn)等操作，可快速確定管片各構(gòu)件位置，最終將各構(gòu)件通過布爾求并運算組成完整的管片結(jié)構(gòu)圖。

3.2.1 三維管片外輪廓提取

管片外輪廓提取本質(zhì)上為布爾運算求交，管片三維模型如圖6。

圖6 管片三維模型Fig. 6 Segment three-dimensional model

由于管片外輪廓較為規(guī)則，針對管片不同結(jié)構(gòu)圖，通過幾何對象運算即可提取出其外輪廓。

1)對立面圖，如圖7，通過計算管片內(nèi)外弧弦長結(jié)合管片寬度，可以確定外輪廓。

圖7 立面圖輪廓提取Fig. 7 Elevation profile extraction

管片外弦長：

|A1B1|=2Rsin(0.5θ)

(1)

管片內(nèi)弦長：

|C1D1|=2rsin(0.5θ)

(2)

式中：R為管片外半徑；r為管片內(nèi)半徑；θ為該塊圓心角。

結(jié)合管片寬度W，可選取中心點O1為基準點(0，0)，確定各角點坐標，提取立面圖外輪廓。

2)對千斤頂視圖，如圖8。

圖8 千斤頂視圖輪廓提取Fig. 8 Outline extraction of jack side drawing

外圓弧與內(nèi)圓弧起始角為：

(3)

終止角為：

(4)

選取圓心點O2為基準點(0，0)，點A2(XA2,YA2)坐標參數(shù)XA2、YA2計算公式見式(5)：

(5)

點B2坐標：

(6)

點C2、點D2坐標將外半徑R替換為內(nèi)半徑r即可。

3)對方向視圖，以中心點O3為基準點(0，0)，厚度T為：

T=R-r

(7)

點A3、點B3、點C3、點D3坐標參數(shù)分別為：XA3=-0.5T；YA3=0.5W；XB3=0.5T；YB3=0.5W；XC3=-0.5T；YC3=-0.5W；XD3=0.5T；YD3=-0.5W。

最終提取管片方向視圖外輪廓如圖9。

圖9 方向視圖輪廓提取Fig. 9 Outline extraction of direction drawing

對不同的剖面，根據(jù)剖切方向不同，其外輪廓與千斤頂視圖或方向視圖外輪廓提取方法相同。

3.2.2 二維幾何運算

二維幾何運算主要是圖元的平移、鏡像、旋轉(zhuǎn)等邏輯運算以及線段與弧線求交。線段、圓弧、橢圓弧的邏輯運算實現(xiàn)均以點為基礎(chǔ)，分別將其圓心和端點進行相應(yīng)操作即可實現(xiàn)。通過二維幾何運算，可進一步實現(xiàn)管片圖中各構(gòu)件的平移、鏡像、旋轉(zhuǎn)等，可以減少運算量，大大提高出圖效率，以線段與圓弧為例進行說明。

1)對線段平移，設(shè)A4B4端點分別為A4(XA4，YA4)、B4(XB4，YB4)，需移動方向向量V(VX，VY)，則平移之后線段A′4B′4端點坐標為：

XA′4=XA4+VXYA′4=YA4+VY

(8)

XB′4=XB4+VXYB′4=YB4+VY

(9)

2)對線段鏡像，如圖10，設(shè)線段A5B5端點分別為A5(XA5，YA5)、B5(XB5，YB5)，選取的鏡像線C5C′5一般方程為：

a1x+b1y+c1=0

(10)

圖10 線段鏡像Fig. 10 Line mirror

根據(jù)鏡像之后點A′5與點A5相連直線A5A′5與鏡像線C5C′5垂直可求取A5A′5直線一般方程為：

a2x+b2y+c2=0

(11)

A5A′5與C5C′5聯(lián)立可獲取交點J5(XJ5，YJ5)，根據(jù)點J5為A5A′5中點即可求取鏡像之后點A′5坐標為：

(12)

3)對于線段的旋轉(zhuǎn)，如圖11，以旋轉(zhuǎn)基點O′6(XO′6，YO′6)建立局部坐標系。

圖11 線段旋轉(zhuǎn)Fig. 11 Line rotation

根據(jù)點A6(XA6，YA6)，可獲取角度γ為：

(13)

線段O′6A6長為：

(14)

結(jié)合旋轉(zhuǎn)角β可求取旋轉(zhuǎn)之后點A′6局部坐標系下坐標：

(15)

將點A′6坐標移回整體坐標系下即可得到A6點旋轉(zhuǎn)之后的點A′6，同理可獲取B6點旋轉(zhuǎn)之后點B′6，實現(xiàn)線段A6B6繞點O′6旋轉(zhuǎn)。

4)線段與弧線求交可將線段方程與相應(yīng)弧線方程聯(lián)立求解獲取交點坐標，設(shè)線段直線方程為：

a3x+b3y+c3=0

(16)

圓弧方程為：

(x-xo)2+(y-yo)2=r2

(17)

聯(lián)立可直接求解交點坐標為：

(18)

直線與橢圓弧求交方法相同。

以實際管片縱剖面圖結(jié)合縱向手孔為例，介紹布爾運算實現(xiàn)流程，設(shè)管片外半徑為4.25 m，管片內(nèi)半徑為3.85 m，管片環(huán)寬為1.6 m，手孔長L為280 mm，孔徑d為20 mm，手孔H8E′8長為55 mm，手孔軸線與B9C9夾角為60°，如圖12。

圖12 縱剖面圖豎向手孔布爾運算Fig. 12 Boolean operation of vertical handhole in longitudinal section

1)根據(jù)管片方向視圖輪廓提取方法，以中心點O8(0，0)為基準點，以mm為單位進行繪制，管片厚度為：T=4 250-3 850=400。

縱剖面角點坐標A8為：XA8=-0.5×1 600=-800；YA8=0.5×400=200。

同理可得其余角點坐標：B8(800，200)、C8(800，-200)、D8(-800，-200)，至此管片剖面輪廓提取完畢。

2)以點E8為基準點E8(XE8，YE8)，繪制豎向手孔，可設(shè)F8(XE8-10，YE8+10)，F(xiàn)′8(XE8-10，YE8-280)，G8(XE8+10，YE8-5)，G′8(XE8+10，YE8-280)，H8(XE8-

55，YE8-280)，I8(XE8+55，YE8-280)，J8(XE8-55，YE8-380)，至此手孔各線段端點坐標均已確定。

3)以點E8為基點，將整個手孔繞點E8旋轉(zhuǎn)60°，并將旋轉(zhuǎn)之后線段F9F′9與B9C9求交獲取交點K9、G9G′9與B9C9求交獲取交點L9、H9J9與C9D9求交獲取交點J′9，H9I9與C9D9求交獲取交點I′9，確定旋轉(zhuǎn)之后新的手孔各線段端點坐標，完成縱剖面圖豎向手孔布爾運算。

3.3 管片構(gòu)件參數(shù)化定制

將管片結(jié)構(gòu)中不同類型構(gòu)件劃分為組，根據(jù)幾何特點進行參數(shù)化定制。通過選取基準點，預(yù)定義所有構(gòu)件。在繪制完整管片結(jié)構(gòu)圖時將所需構(gòu)件通過平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作置于正確位置，以管片剖面圖中環(huán)向手孔和凹凸榫為例進行說明。

目前國內(nèi)大型盾構(gòu)隧道管片環(huán)間一般采用斜螺栓形式[10]，對環(huán)向手孔參數(shù)化定制如圖13。

圖13 管片環(huán)向手孔Fig. 13 Segment circumferential handhole

參數(shù)包括長度L1、L2、L3、W1、W2、W3以及角度ω，以點O10設(shè)為基點(0，0)，則可得O′10(0,-L1)與A10(W1,-L1)。

以點O10為基點，將直線O10O′10、A10C10、A10B10旋轉(zhuǎn)角度ω，并與管片內(nèi)側(cè)圓弧求交，獲取交點B′10、交點C′10，其余線段起點、終點均可以點O10為基點(0，0)結(jié)合線段旋轉(zhuǎn)獲取，實際管片繪制中通過輸入該構(gòu)件參數(shù)即可實現(xiàn)其參數(shù)化定制。

盾構(gòu)管片環(huán)縫設(shè)計中，接縫面通長設(shè)置凹凸榫保證拼裝精度[11]，同時減少盾構(gòu)施工千斤頂作用下的混凝土破損。凹凸榫由線段和圓弧圖元組成，以凹凸榫中心為原點，如圖14，設(shè)基點O11(0，0)，根據(jù)長度L0、厚度T0以及內(nèi)半徑R0可得：

左右內(nèi)圓弧圓心，A11(-0.5L0,0)；A12(0.5L0,0)

線段B11、B12點坐標：B11(-0.5L0,R0)；B12(0.5L0,R0)

線段C11、C12點坐標：C11(-0.5L0,-R0)；C12(0.5L0,-R0)

同理根據(jù)厚度T，可確定外圓弧各線段起點、終點坐標，實現(xiàn)其參數(shù)化定制。

圖14 管片凹凸榫Fig. 14 Segment rebate

3.4 管片結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼裝

在管片構(gòu)件預(yù)定基礎(chǔ)上，針對不同管片結(jié)構(gòu)圖，遵循從全局到局部，從重要決定性構(gòu)件到所關(guān)聯(lián)的構(gòu)件為原則，將組成管片結(jié)構(gòu)圖的構(gòu)件逐一進行繪制。通過布爾運算，將構(gòu)件繪制于其所在的管片結(jié)構(gòu)圖中正確位置，最終生成完整管片結(jié)構(gòu)圖。

3.5 面向?qū)ο笏枷肽K化編程

C++程序語言提供了一種重要的類機制，包含了數(shù)據(jù)的定義和用于處理數(shù)據(jù)的方法，類之間通過繼承可以建立一種上下級關(guān)系[12]。對基本圖元建立的類框架體系如圖15。

圖15 幾何圖元類體系Fig. 15 Geometry primitive class system

通過基類派生出各個子類，子類可以繼承基類所擁有的操作，且各子類同時具有其獨特屬性和各自不同的操作方法。組子類可以理解為由點、線、圓弧、橢圓弧等一種或多種對象組成的子類。在實際管片繪制過程中，只需將組成管片結(jié)構(gòu)的各個基本圖元組成組類對象，組類對象在進行操作時會根據(jù)不同的對象實現(xiàn)其所對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。面向?qū)ο竽K化編程可以大大提高編程效率。

4 軟件開發(fā)

4.1 軟件介紹

軟件基于同濟曙光三維數(shù)字分析平臺(GEOFBA3D)進行開發(fā)，軟件主界面如圖16。

圖16 軟件主界面Fig. 16 Software main interface

管片基本幾何尺寸參數(shù)設(shè)置如圖17，可快速構(gòu)建管片基本模型，并采用參數(shù)化設(shè)計，通過輸入出圖所需控制參數(shù)之后如圖18，可快速生成管片結(jié)構(gòu)圖。

圖17 管片基本參數(shù)設(shè)置Fig. 17 Segment basic parameter setting

圖18 管片構(gòu)件參數(shù)設(shè)置Fig. 18 Segment component parameter setting

4.2 編程實現(xiàn)

以千斤頂視圖并結(jié)合具體的螺栓孔為例說明管片結(jié)構(gòu)圖的編程實現(xiàn)：

1)以結(jié)構(gòu)體形式定義基本圖元，包括點、線段、圓弧、橢圓弧等。

2)根據(jù)DXF組碼格式，定義不同Entity實體對象，主要為Entity對象組碼賦值。

3)定義幾何類，包括基類和子類，并在各類中添加各成員變量，以及各種運算與繪制DXF方法。

4)將整個千斤頂視圖定義為一個組類對象JackGroup，并求取組成千斤頂視圖的各子組的幾何圖元。

螺栓孔可以先確定圓弧中軸線位置處，創(chuàng)建出BoltGroup，根據(jù)螺栓孔組數(shù)，將BolGroup進行拷貝，并將拷貝出的螺栓孔對象通過旋轉(zhuǎn)置于正確位置，將所有單個螺栓孔對象添加到BoltHoleGroup中，組成完整的螺栓孔對象。

將輪廓OutLineGroup、凹凸榫RebateGroup、螺栓孔BoltHoleGroup添加至JackGroup中，組成完整的千斤頂側(cè)圖，如圖19。

5)在所有對象創(chuàng)建完畢之后，調(diào)用JackGroup繪制DXF的方法，將所有組對象包含的圖元屬性添加到Entity實體對象中，以“寫”方式創(chuàng)建空白DXF文件，調(diào)用Entity寫的方法，將所有對象組碼值寫入文件中，生成千斤頂視圖。

圖19 千斤頂視圖實現(xiàn)流程Fig. 19 Jack side drawing implementation process

4.3 應(yīng)用實例

以外直徑14.5 m、內(nèi)直徑13.3 m的某盾構(gòu)過江隧道為例，一環(huán)管片分為10塊，分別為封頂塊、相鄰塊與標準塊。選擇軟件出圖功能，輸入管片基本信息和各構(gòu)件參數(shù)之后，可快速自動生成管片立面圖、千斤頂視圖、方向視圖與縱橫剖面圖，只需改變輸入?yún)?shù)，生成的管片結(jié)構(gòu)圖會自動調(diào)整。軟件生成的各類型管片圖如圖20～圖24。

圖20 立 面(單位：mm)Fig. 20 Elevation

圖21 迎千斤頂視圖(單位：mm)Fig. 21 Facing jack side drawing

圖22 方向視圖(單位：mm)Fig. 22 Direction drawing

圖23 橫剖面(單位：mm)Fig. 23 Cross section drawing

圖24 縱剖面(單位：mm)Fig. 24 Vertical section drawing

與目前人工借助CAD軟件繪制相比，在效率方面，使用筆者開發(fā)的軟件通過參數(shù)化設(shè)置斷面以及構(gòu)件，可在數(shù)十秒內(nèi)生成管片圖紙，而人工繪制則需要數(shù)天時間才能完成；在精度方面對于管片當中某些復(fù)雜構(gòu)件，如圖25的手孔，人工繪制不夠完整精確，只能以示意圖進行表達，導(dǎo)致管片制作誤差較大，而該類構(gòu)件是實際應(yīng)用當中管片防水以及拼裝關(guān)鍵部位，基于筆者布爾運算方法利用開發(fā)軟件進行提取繪制，其尺寸完全真實，精度得到了提升。

圖25 管片手孔Fig. 25 Segment handhole

5 結(jié) 論

1)對DXF文件進行解碼與組碼，定義各圖元參數(shù)將組成管片結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件進行參數(shù)化定制，將復(fù)雜的管片結(jié)構(gòu)圖分解為不同類型構(gòu)件。

2)通過幾何布爾運算，提取管片結(jié)構(gòu)圖外輪廓并將各構(gòu)件拼裝組成管片結(jié)構(gòu)圖，生成工程所需管片圖紙。

3)基于曙光平臺利用C++程序語言進行模塊化設(shè)計，開發(fā)盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)出圖軟件，實例證明，與人工繪圖相比，管片設(shè)計出圖效率與精度得到了提高，也為其余工程設(shè)計出圖提供新思路。