基于.NET的隧道参数化设计研究

张兆杰，田志宇，林国进

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 成都市 610041)

由于隧道设计的复杂性等诸多原因，目前专业 CAD 技术应用，大多还停留在利用 AutoCAD 基本命令进行交互式绘图的初级阶段，真正意义上的计算机辅助设计软件的应用并不多见，因此，公路隧道设计在 CAD 二次开发方面，从总体上说起步较晚，应用深度不够，技术手段和实践经验远不如路线、桥梁等其它专业领域的先进和成熟[1-3]。

近年来，随着我国公路建设的快速发展，隧道设计任务日益增多，若把 CAD 的应用仅局限于绘图工具这一技术层面，突出显现了其作业方式与设计效率的矛盾。因而，提高隧道专业整体设计效率，研发公路隧道辅助设计系统的迫切性和重要性不言而喻。

1 二次开发工具比选

目前常用的AutoCAD二次开发工具主要有Lisp、VBA、ObjectARX和.NET API，其对比详见表1。

综上可知，Lisp和VBA功能单一，综合处理能力差，程序运行速度慢，而且缺乏很好的保护机制，源程序保密性差，因此不适合作为AutoCAD二次开发工具。.NET API在拥有ObjectARX强大功能的同时，具有方便易用的特点，是较为理想的开发工具[4-5]。

2 TunnelMaster软件简介

2.1 软件研发过程

自2013年开始，四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院隧道与地下工程分院开发了公路隧道结构绘图软件(以下简称TunnelMaster)，并成功应用于实际生产中。近年来，随着《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)等一批新的标准和规范的实施，同时结合近二十年来我国公路隧道建设的经验，四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院对TunnelMaster软件进行了持续升级。

表1 二次开发工具对比

2.2 软件主要特点

TunnelMaster软件，是在AutoCAD的基础上，以 ObjectARX和.NET API作为二次开发工具，以.NET作为开发平台，运用基于三层架构和面向对象的程序设计方法、基于ADO.NET的数据库访问技术编制而成的适用于公路隧道设计的专业 CAD软件。本软件在设计和实现方面具有以下特点：

(1)操作简洁。本系统具有良好的人机交互式用户图形界面，用户不需了解隧道图纸绘制和工程量计算方法，输入参数即可成图。本软件既可在操作系统中使用，也可在AutoCAD中操作。在AutoCAD中使用时，可通过菜单、工具栏、命令行等多种方式进行操作。此外，本系统是基于Windows系统平台编制的程序，它具有Windows系统平台应用程序所具有的特点。

(2)优质高效。输入相关参数后，几秒钟内即可生成成品图纸。绘图和工程量计算过程完全由软件在后台完成，避免了设计人员可能发生的低级失误。本系统大大提高了设计效率和质量，缩短了隧道设计周期，减轻了专业设计人员的劳动强度，加强了隧道设计的标准化，从而将设计人员从繁琐的简单劳动中解放出来，将更多的精力投入设计方案的比选和优化中。

(3)专业实用。本系统的研发人员均为从事公路隧道设计的一线人员，更为了解设计者的需求与操作习惯。近年来本系统成功应用于数十个公路项目和数百座公路隧道，实践证明该系统运行稳定可靠。

2.3 软件主要功能

(1)建筑限界设计模块。

支持公路隧道主洞、公路隧道紧急停车带、分设非机动车道和人行道的公路隧道、车行横通道、人行横通道、斜井、平导等建筑限界型式。

(2)内轮廓设计模块。

内轮廓设计支持单心圆、三心圆、五心圆和有无仰拱、直曲边墙等各种组合型式。

(3)衬砌结构设计模块。

支持分离式隧道和小净距隧道的明洞和洞身衬砌断面设计、衬砌配筋设计、钢架设计、超前支护设计和临时支护设计。

(4)路面设计。

支持路面横断面设计、水泥混凝土面层板块划分及接缝钢筋设计。

(5)内装设计模块。

3 软件操作说明

3.1 建筑限界和内轮廓设计模块

以设计速度80km/h四车道高速公路分离式隧道主洞有仰拱段为例，操作步骤如下：

(1)设置主洞轴线关系参数，如图1所示。

(2)设置电缆槽参数，如图2所示。

(3)设置建筑限界参数，如图3所示。

(4)设置内轮廓参数，如图4所示。

(5)点击“绘图”按钮即可成图。

图1 设置主洞轴线参数

图2 设置电缆槽参数

3.2 衬砌结构设计模块

操作步骤如下：

(1)设置衬砌结构参数，如图5所示。

(2)设置钢架细部参数，如图6所示。

(3)点击“绘图”按钮即可自动成图。

图3 设置建筑限界轴线参数

图4 设置内空参数

图5 设置衬砌结构参数

图6 设置钢架细部参数

4 工程应用实例

4.1 四川省交通行业通用图编制

2014年，为贯彻科学发展观，提高四川省隧道设计质量和水平，保障四川省公路隧道施工及结构安全，实现隧道设计和施工标准化建设，同时鉴于交通运输部没有编制公路隧道任何相关的通用图，四川省交通运输厅委托四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院编制结构通用图。该通用图编制过程中，建筑限界和内轮廓设计及衬砌结构设计采用了TunnelMaster软件。

4.2 紧急停车带建筑限界和内轮廓修订

2014年，某院按照当时的行业标准和规范完成了攀枝花至大理(四川境)高速公路的初步设计送审稿。根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)，紧急停车带的宽度，包含右侧向宽度应取3.5m。但是2015年1月1日开始实施的《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)规定：紧急停车带宽度应为3.0m，且与右侧侧向宽度之和应大于或等于3.5m。对于设计速度80km/h的高速公路四车道分离式隧道，紧急停车带建筑限界的宽度应由13.00m调整至13.25m。为此，设计单位采用TunnelMaster软件对紧急停车带建筑限界和内轮廓、衬砌结构图等进行了修订。

4.3 某公路隧道后期服务

2014年8月，某隧道K24+672～K24+682段原设计围岩级别为Ⅳ级。开挖后掌子面实际揭示围岩岩性为变质砂岩和钙质板岩互层，节理裂隙发育，部分构造面夹泥质薄膜，岩块间结合差，岩体产状变化频繁，围岩完整性极差。地下水发育，呈淋雨状渗出。综合开挖段落围岩岩性、构造和地下水情况，该段落围岩级别由Ⅳ级调整为Ⅴ级。

现场设计代表针对实际围岩揭示情况，本着施工安全、节约投资的原则，对超前支护和初期支护参数进行了优化。由于微调后的支护衬砌参数处于原设计Ⅳ型衬砌和Ⅴ型衬砌之间，无法利用既有施工图设计图纸。设计代表采用HWTCAD软件快速生成了衬砌设计图，及时提交了设计变更图纸，确保了施工进度和安全。目前该段落已成功通过。

5 结语

结合公路隧道设计现状，以软件工程理论为指导，运用基于三层架构和面向对象的程序设计方法、基于ADO.NET的数据库访问技术，实现了公路隧道参数化设计，研发了公路隧道辅助设计系统，并重点介绍了其衬砌结构设计模块。该系统提高了设计效率和质量，缩短了隧道设计周期，减轻了专业设计人员的劳动强度，加强了隧道设计的标准化，从而将设计人员从繁琐的简单劳动中解放出来，将更多的精力投入设计方案的比选和优化中。