基于AutoCADtoCAD二次开发的水泥矿山道路设计软件及应用

王荣，朱向国，霍燚，李运潮，朴志友

基于AutoCADtoCAD二次开发的水泥矿山道路设计软件及应用

王荣，朱向国，霍燚，李运潮，朴志友

矿山道路开拓工程的设计是矿山工程设计最重要的工作之一。笔者根据水泥矿山工程设计的实际需求开发出水泥矿山道路设计软件，道路设计的一系列流程方法——从地形等高线的三维矢量化至道路的平面图、纵断面图、横断面图和工程量计算各个阶段均能采用该软件高效进行修改和优化设计，能迅速完成道路设计任务，并且符合规范的要求。

露天矿道路；AutoCAD二次开发；道路设计软件

AutoCAD作为专业的计算机绘图平台，可以提供开放的开发接口，使用者可以根据自己的设计绘图需求开发出专业的模块来简化工作。比如地测软件南方CASS、建筑软件天正等等。

遗憾的是国内尚未有一款基于AutoCAD二次开发的水泥矿山工程设计软件，这给矿山设计人员提出了一个新的挑战，那就是开发出一款专业软件，提高设计效率。

1　软件开发语言的选择

设计出专业的矿山工程设计软件，首先要选择开发平台。目前AutoCAD二次开发的主要工具有ObjectArx、VBA、Lisp、.NET，其中，Object-Arx功能强大，编程效率高，运行速度快，但编程者必须掌握VC++；Lisp语言虽然简单容易上手，但是该语言的运行速度最慢，无法开发大型的软件程序；VBA编制的软件无法编译加密，安全性太差，也不适合有众多使用者的中大型软件。本软件选择的开发语言是.NET语言，它集合了ObjectArx功能强大、运行速度快和VBA易用的特点，可以开发出安全有效、功能强大的AutoCAD程序。

2　软件的系统结构设计

2.1软件的系统结构

通常，在传统的矿山道路项目中，地形、路线、纵断面、横断面以及其他设计数据之间的正确传递需要花费大量的时间。设计的变更必然会导致绘图和工程量统计等工作的重复，这些工作不仅需要耗费大量的时间，降低设计效率，也很难保证设计质量。我们开发的道路软件使用面向对象的结构，提供了地形、路线、纵断面、横断面、工程量等专业的设计对象。图形中的各个对象之间保持着智能联系，若修改道路上的桩号，则基于该路线的纵断面和横断面以及工程量都会自动修改。

图1　矿山道路设计软件系统

根据软件项目的目标和流程，将矿山软件系统设计为四大系统：矿山的地形等高线系统、矿山道路的平面设计（道路定线）、矿山道路的纵断面设计与矿山道路的横断面设计及工程量计算。整个软件的系统如图1所示。

图2　矿山道路工程设计软件工作流程图

图3　矿山工程设计软件数据库系统

2.2软件的工作流程图

矿山道路设计的工作流程如图2所示。

2.3软件的数据库系统结构

在确定了软件的系统结构和工作流程之后，就可以根据具体的需求设计开发出适合矿山道路工程的数据库系统。一个强大完善的后台数据库支撑系统，是一个软件的根基，图形的输入和绘制都是以数据库为基准的。软件的基本思想是程序向数据库中输入数据，通过数据库中的数据绘制道路图形。强大的Auto-CAD可以允许各dwg文件内部建立数据库系统，从而保证了在此道路软件下可以打开并操作含有该道路系统的所有文件。每个独立的文件都隐含了各自的道路数据库系统。为了保证软件的安全性，该数据库系统对于用户和软件操作者来说是不可见的。软件的数据库结构系统如图3所示（虚线框中的系统为拟建立系统）。

图4　新建矿山道路流程图

3　软件项目的基本原理

目前矿山道路设计主要有两种方法。第一种方法是传统的平纵横设计方法，它将空间三维设计的问题转化为平面、纵断面和横断面三个二维问题，这三个部分虽然形式上是分离的，但其本质上作为一条道路的三维空间来看，三者相互联系，彼此牵制。第二种方法称为三维空间线性设计方法，它可以借助软件一次性完成道路三维线型的设计，该方法涉及到了三维建模。

但是目前来说，根据工程设计人员的设计习惯，开发出的道路设计软件往往遵循传统的平纵横设计方法。在各种道路CAD软件中，道路的平、纵、横计算机辅助设计是最基本的部分。

3.1矿山道路软件平面设计系统设计

平面线设计是道路设计的基础，包含两个方面：（1）道路的中心线设计；（2）道路里程桩号的位置设计。

道路中心线设计是平面设计的核心问题，目前各种道路CAD系统的中心线设计均采用导线法、曲线法和边界约束模型三种方法。其中，导线法的应用最为广泛，在矿山道路工程设计中普遍应用。

表1　道路平曲线要素表

导线法首先确定一系列由直线和圆弧段组成的连续多段线作为道路的中线，其中的每个圆弧段必须与首尾相连的直线段相切。道路中心导线设计的具体流程如图4所示。

表2　桩号数据表格

根据选定的圆曲线导线程序会自动计算并生成道路的平曲线要素表（表1）。

相对于传统的选定一系列转点构成的折线导线后，输入半径绘制圆弧曲线段的方法，导线法更为简捷迅速。通过直线和圆弧段连成的导线反过来计算各个转点的具体位置，再插入通过转点的折线和转点标示字符。

道路里程桩号的自动计算输入符合矿山道路设计的习惯，在自动生成的桩号不满足设计需求的条件下，可以根据需要手动添加/删除/修改桩号。每添加/删除一个桩号，将会在道路数据库的桩号表格中添加/删除相应的桩号数据。具体的桩号数据如表2所示。

3.2矿山道路软件纵断面系统设计

道路的平面设计完成后，需要对中心线所对应的纵断面进行设计，纵断面设计工作流程图如图5所示。

图5　纵断面设计工作流程图

目前我国规范规定纵断面设计应依据中心线位置的剖面地面线进行拉坡度设计，从而完成有关设计纵坡以及各桩号设计高程的计算，即纵断面设计地面线是进行纵断面设计的基础。采集纵断面地表线在上一个程序中已经实现，并已经存在于桩号表格中，后续只需进行拉坡度设计。程序的拉坡度设计是在纵断面的对话框的纵断面设计表格中实现的，具体程序界面如图6所示。

图6　道路纵断面设计修改程序界面

图7　矿山道路纵断面图

图8　矿山道路横断面设计流程图

道路纵断面的设计完成以后就要开始绘制纵断面设计图。图7是一幅典型的矿山道路纵断面图，主要包含下列内容：

（1）道路地表线和地面设计线；

（2）各桩号的数据；

（3）桩号地表高、设计标高、填挖高度、坡度和坡长等；

（4）直线段和圆弧段的曲线要素等。

3.3矿山道路软件横断面设计

矿山道路横断面设计工作较为繁琐，包括所有的里程桩号横断面的“戴帽子”、添加道路的排水沟、填挖方放坡设计、超高加宽设计、计算土石方量等。利用计算机计算可以大大减轻设计者的负担，提高设计工作效率。整个矿山道路横断面设计软件的工作流程如图8所示。

作平面中心线上各桩号点处的法线，这条法线就是该桩的横断面。以中心线为界向两边以一定的长度截取地表剖面线，通过内插的方式计算出该桩号点的中心高程。这一步骤在桩号添加时就已自动计算，且地表数据已保存在各桩号的地表线表格中，在添加横断面时取出数据即可。

输入/修改道路的横断面参数如图9所示。每条道路都对应不同的横断面参数，都有相应的标准横断面图。这些横断面参数用来控制横断面“戴帽子”的情况，这些是某条道路所有桩号的“共性”，当然也有特殊的桩号处，比如圆曲线段桩号的“戴帽子”设计需要加入超高加宽数据（图10），这属于特殊桩号的“特性”，这些共性和特性都需要在道路的横断面图中体现。

图9　道路横断面参数的输入修改

定义好横断面，就可以进行横断面的自动设计。软件系统依次将每一个横断面用相应的标准横断面“共性”和超高加宽“特性”进行“戴帽子”设计计算，计算填挖方面积，整个设计应符合现行《厂矿道路设计规范》的要求。

在具体的设计中左右侧分别设计。如图11所示，如果将横断面分为三个区域，分隔点在两边的路肩处，在横断设计中带来麻烦的是横断面两边的I部分，这部分涉及到边坡、边沟、安全平台等因素。而中间的II部分对不同的横断面设计来说是一样的（除了圆曲线段的超高加宽特性）。因此矿山道路横断面设计的关键在于如何处理不同形式的填挖方边坡和边沟、安全平台等问题。尽管在横断面的设计中会有各种各样的断面形式，但总的来说，横断面的设计可以归纳为三种基本形式：（1）填方断面形式；（2）挖方断面形式；（3）半填半挖断面形式（图11）。

图10　道路超高加宽输入修改

图11　道路横断面分区设计

假定路基两边缘点为A、B，其标高为HA、HB，其相应的地面线的标高为ZA和ZB，则可以建立如下的辨别形式：

（HA-ZA）×（HB-ZB）＞0且HA＞ZA则为填方断面；

（HA-ZA）×（HB-ZB）＞0且HA＜ZA或HB＜ZB则为挖方断面；

（HA-ZA）×（HB-ZB）＜0则为半填半挖断面。

横断面设计工作量大，其边坡处理设计关系到路基的结构稳定、排水通畅、土石方量以及建构筑物工程数量的大小和经济效益。

当横断面的设计全部完成以后，就要进行土石方工程量的计算，它是工程概预算及相关工作的基础，准确计算路基土方是非常重要的工作，相对前面的复杂性和工作量来说，这项工作的技术难度不大。目前，我国规范规定在工程计算中采用平均断面法，具体计算步骤如下：

假设某条道路共有n个横断面参加土方计算，任意取其中的两个横断面i和i+1，桩号分别为Si和Si+1、挖方面积分别为ATi，AWi，ATi+1，AWi+1，则该段的填方工程量AT为：

（1）当abs（ATi-ATi+1）/max（ATi，ATi+1）＜40%时；AT=（ATi+ATi+1）/2

（2）当abs（ATi-ATi+1）/max（ATi，ATi+1）≥40%时；AT=（ATi+ATi+1+

挖方工程量AW为：

（1）abs（AWi-AWi+1）/max（AWi，AWi+1）＜40%时；AW=（AWi+AWi+1）/2

（2）当abs（AWi-AWi+1）/max（AWi，AWi+1）≥40%时；AW=（AWi+AWi+1+

每段的填挖方量之和即为道路工程的填挖工程方量。填挖方工程量计算的表格如图12所示。

图12　道路填挖方工程量计算

最后绘制工程量计算表格，则道路设计全部完成。

表3　运矿道路主要技术指标表

4　工程应用

本软件在太钢盂县石灰项目采矿破碎工程中成功应用，该项目的所有运矿道路及联络道路均采用该软件设计。该项目运矿道路采用露天矿五类车宽类别，三级道路标准设计，设计为双车道；道路超高加宽采用绕线路中心旋转法，即外侧超高、内侧加宽的超高加宽方法，最小转弯半径15m。该项目道路的主要技术指标如表3所示。

图13为该项目从破碎车间卸料平台至采矿工作面运矿道路某路段的平面布置图，具有典型的露天矿道路的特点。该项目系统经过软件设定的流程，从二维图纸的三维矢量化至道路的平面图、纵断面图、横断面图和工程量计算各个阶段均能高效进行修改和优化设计，能迅速完成设计任务，符合《厂矿道路设计规范》的要求。

图13　运矿道路的某路段的平面布置图

5　结语

本道路软件仅适用于水泥原料矿山的道路方案及施工图设计，本软件旨在提高露天矿山道路的设计效率和精准度，虽然在种类众多的道路设计软件中仅为沧海一粟，但是本软件的针对性较强，符合本专业的施工图需求，能大大提高设计效率，为后续的方案优化及工程量降低打下基础。

The Cement Mine Road's Design Software and its Applications Based on Secondary Development of AutoCAD

TP319

A

1001-6171（2016）04-0041-06

通讯地址：天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；2015-12-04；编辑：孙娟

［1］周艳，张华英.道路CAD及其实用程序、工程实例［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［2］王玉琨，任卫红.CAD二次开发技术及其工程应用［M］.北京：清华大学出版社，2008.