河道防洪工程辅助设计系统开发及应用

张 权 田 伟 马志杰 彭彦铭

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)



河道防洪工程辅助设计系统开发及应用

张 权 田 伟 马志杰 彭彦铭

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

绘制河道防洪工程设计中的平面图、断面图及计算工程量时，存在繁琐重复、工作量大且效率较低、后期管理及修改不便等问题。为此，结合ObjectArx和C#进行AutoCAD二次开发，研发了河道防洪工程辅助设计系统。应用实践表明：该系统能够大大降低工作强度，提高工作效率，降低低级错误出现率，从而有效实现标准化、流程化设计；该系统操作符合工程设计人员的习惯，且开发的数据库囊括了各类基础数据和设计成果数据，便于管理维护。目前，该系统已成功应用于黄河潼关至三门峡大坝河段、禹门口至潼关河段防洪工程设计中，取得了较好的经济效果，具有一定的推广价值。

河道；防洪工程；典型断面；辅助设计；数据库技术；系统开发

1 工程设计概况

河流防洪工程建设是其防洪体系建设的重要组成部分，主要由防洪水库、河道防洪工程和蓄滞洪区等组成，其中河道防洪工程(以下简称“河防工程”)包括堤防、险工、控导和护岸等工程，是防洪减淤体系的基础。随着各流域社会经济的迅速发展，仍需大力加强河道防洪工程建设。由于河防工程点多面广，在进行设计时往往需因地制宜，造成了工程型式多样、结构复杂，且工程设计繁琐。

河防工程设计包括工程平面图与横断面图绘制、工程量计算以及图纸打印等环节。在以往的工作方式下，绘图与打印一般是人工借助AutoCAD制图工具完成，工程量计算借助Office办公软件完成，存在大量的重复工作，效率较低，且在防洪工程设计过程中，平面图布置、断面图绘制以及工程量计算方案多变，防洪工程设计工作量以及重复量剧增。为提高工作效率，近年来国内外开发了大量应用于水利行业的辅助设计软件，如堤防CAD[1]、CFPCAD[2]等，这些软件能较好地解决断面结构相对简单的堤防工程设计问题，而针对断面结构相对复杂的险工、控导和护岸等河道防洪工程设计应用则存在局限性。

2 传统设计存在的问题

目前，河防工程从立项到审批，需经多阶段修改、完善，每次修改都要经历工程设计的各个环节，工作量相当大。传统的河防工程设计手段的自动化和智能化程度均不高，存在以下主要问题。

(1) 工作效率较低，低级错误无法避免。传统的河防工程设计，需要绘制一系列图纸，量算每个断面分类工程量的面积或长度，汇总计算每处工程的工程量，绘图、计算工作非常繁琐，各环节均为人工操作，受限于个人精力、能力以及项目进度要求，大量时间花费在绘图和计算过程中，工作效率低，且无法完全避免设计中出现低级错误。

(2) 重复工作量大，后期修改影响较大。河防工程设计主要由工程布局、工程型式和地形情况决定，这些因素在河防工程设计的各个阶段都会进行不同程度的修改变更，从而导致再次进行繁琐的设计工作，工作量成倍增加。

(3) 工程设计成果保存不便，设计参数查询修改较为繁琐。传统河防工程设计工作的成果包括设计图纸和工程量，设计完成后，无论是项目内部对设计成果进行校对审查还是对外汇报查询，均需逐张图纸比对设计参数，不方便查阅和修改，成果复用性降低。

3 设计系统研发框架

3.1 研发思路

为克服传统河防工程设计中存在的诸多缺点，标准化河防工程断面图绘制及工程量计算，管理维护不同河段和设计阶段防洪工程和设计成果，研发了河防工程辅助设计系统，有效提高了设计成果质量、自动化和智能化水平以及成果管理的现代化程度。

该系统旨在相关规程、规范的指导下，对现有险工、控导和护岸等河防工程设计成果进行整理，通过现有河防工程型式及应用分析，构建系统的典型断面标准图库，提出不同断面工程量计算方法及河防工程平面图、断面图绘制方法。同时，结合ObjectArx和C#进行AutoCAD二次开发[3-4]，实现波浪及护坡计算、断面图和平面图绘制、工程量计算及输出、出图打印和数据存储等功能。系统研发流程如图1。

图1 河防工程辅助设计系统研发流程

3.2 主要技术

主要采用AutoCAD的 Managed ObjectArx 二次开发技术；运用REST技术调用了ArcGIS Server的GIS核心功能；通过OLE技术操作Excel，输出工程量表；用Access数据库保存图形参数数据。整个系统采用面向对象开发技术进行软件分析设计，利用敏捷思想，快速原型迭代法进行开发。

使用CAD和GIS实现计算机图形学功能，结合AutoCAD绘图功能，实现断面图和平面图绘制及打印输出，计算的工程量输出到Excel表格，最终的图形参数通过外部数据库保存到Access数据库中。系统架构见图2。

图2 河防工程辅助设计系统架构

4 辅助设计系统

4.1 系统功能

该系统主要包括以下6项功能。

(1) 波浪及护岸计算。根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)提供的计算方法，结合河道防洪工程型式，实现堤顶超高、冲刷深度、护坡护脚计算。

(2) 断面图绘制。根据防洪工程类型，调用相应典型断面库中的断面，输入断面设计参数、地形参数等，进行断面图绘制。

(3) 工程量计算及汇总统计。根据绘制的断面图、断面在工程平面布置图中的位置以及断面所代表的工程分段，输入工程量计算控制参数，进行工程量计算以及汇总输出。

(4) 平面图绘制。提取已绘制的横断面图相关参数，结合工程类型、工程轴线位置、横断面在工程轴线上的位置等，自动绘制平面图。

(5) 出图打印。根据所需出图图幅和比例，交互相关参数，实现自动出图、套图。

(6) 建立河防工程数据库。实现防洪工程设计参数保存，设计成果保存、查询和复用等功能。

4.2 系统结构及模块设计

该系统由断面图绘制、平面图绘制、出图打印、波浪及护岸计算4个子系统以及系统设置等模块组成，输出的成果主要有超高、冲深、护坡厚度，平面图、断面图，出图打印文件，工程量Excel表，参数及成果数据库。系统结构及模块见图3。

图3 河防工程辅助设计系统结构及模块

(1) 系统设置。主要提供了断面图绘制、平面图绘制、出图打印、工程量计算等公共参数的设置，以及工程量计算服务配置设置。

(2) 断面绘制子系统。可实现断面图绘制，工程量计算、汇总统计以及数据库存储功能。通过建立基于网络的防洪工程设计计算分析系统，耦合AutoCAD和ArcGIS平台[5]，实现空间数据处理、工程辅助设计、工程计算分析、结果输出展示等一体化防洪工程设计功能。在梳理以往河防工程结构型式的基础上，标准化了水工丁坝、旱工丁坝、水工垛、旱工垛、水工防洪护岸、旱工防冲护岸、防浪护岸等防洪工程的典型断面，建立典型断面库。绘制时，根据实际情况从库中选取对应断面，并更新其设计参数及地形参数。此外，根据断面在工程平面布置图中的位置以及断面所代表的工程分段，输入工程量计算控制参数，按照传统断面法[6]，采用概化三维法、重复工程量核减相结合的方法，系统会自动计算各断面所代表工程段的分类工程量，并输出到Excel文件。所有计算完成后，系统可自动汇总各分段工程的工程量，得到工程量汇总详表及简表，并输出到Excel文件。

(3) 平面绘制子系统。可实现平面图绘制功能以及数据库存储功能。根据工程类型设置平面图形状参数，以及平面布置图轴线位置，系统可绘制工程顶部轮廓线，便于用户确定横断面位置。根据绘图确定平面图绘制所需节点相对坐标参数，并输入系统，在选择与相对坐标相匹配的断面位置后，系统会自动绘制工程平面图。

(4) 打印出图子系统。可实现出图打印功能以及数据库存储功能。出图打印是在断面图及平面图绘制过程中，采用内嵌方式设定线型、固定标注位置及内容，设定线条及标注的颜色。打印过程中，根据颜色、相关出图规定自定义样式，打印符合要求的图纸。系统会提供图名、出图图幅及比例和平面图轴线旋转角度等交互参数，实现自动出图、套图。

(5) 波浪及护岸计算子系统。可实现堤顶超高、冲刷深度、护坡护脚计算功能以及数据库存储等功能。主要根据用户交互的波浪计算参数、护岸冲刷深度计算参数、护坡护脚计算参数，采用《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)提供的计算方法，计算河防工程各设计参数。

(6) 防洪工程数据库。根据防洪工程设计数据特性分析结果，河防工程辅助设计系统的数据库[7]和主要由基础数据表和设计成果数据表组成，存入数据库中的数据包括工程名称、类型、断面及平面名称、设计参数、断面及平面图形参数，以及成果dwg文件和pdf文件等，系统可保存和恢复防洪工程设计数据，从而实现工程设计参数保存、设计成果查询及复用等功能。

4.3 系统应用

目前，河防工程辅助设计系统已成功应用于黄河潼关至三门峡大坝河段、禹门口至潼关河段防洪工程设计中，系统的使用大大提高了河道防洪工程设计的水平、质量及效率。

5 结 语

该系统的研发工作能够对河防工程设计提供有力的技术支撑，大幅提高工作效率，有效实现了标准化、流程化设计。系统是对AutoCAD进行的二次开发，所开发的数据库囊括了各类基础数据和设计成果数据，便于管理维护和设计成果的校审及复用。

同时，该系统能根据地形情况和工程设计要求随时调整设计，并实时更新工程量。该系统在工程中的运用已取得较好的经济效果，可大力推广。鉴于不同河流、不同河段间防洪工程型式有所不同，今后仍需结合实际工程设计需求，进一步扩展典型断面库建设，着重增强典型断面生成和入库功能，增加抗滑稳定、渗流稳定计算模块，以实现基于工程安全的智能化河道防洪工程设计，从而强化各环节间的联动设计，进一步简化工程设计工作量。

[1] 霍建华，刘尧，马麟，等.堤防CAD系统发开与应用[J].人民黄河，2005，27(12)：22-23.

[2] 王广欣，刘筠，王松林. 河南黄河防洪工程计算机应用——CFPCAD计算机辅助设计软件的开发[J].工程设计CAD与智能建筑，2001(3)：26-28.

[3] 于萧榕，郭昌言，陈刚. 结合Objectarx和C#进行AutoCAD二次开发框架的研究[J].科学技术与工程，2010，10(20)：5085-5090.

[4] 董春桥. AutoCAD二次开发技术 [J].武汉城市建设学院学报，1999，16(3)：45-49.

[5] 李阳东，童小华，刘妙龙.几个基于ObjectARX.net的GIS功能算法[J].测绘与空间地理信息，2009，32(1)：11-18.

[6] 陈实. 用“平均断面法”计算工程量的误差及修正[J].东北水利水电，1986(7)：6-9.

[7] 王大龙，秦琦. ACCESS数据库和SQL_Server数据库的应用比较[J].信息技术，2010(4)：18.

(编辑：唐湘茜)

2016-04-18

张 权，男，黄河勘测规划设计有限公司，工程师，硕士.

1006-0081(2016)10-0020-03

TV87

A