王榮，朱向國，霍燚，李運(yùn)潮，樸志友

基于AutoCADtoCAD二次開發(fā)的水泥礦山道路設(shè)計(jì)軟件及應(yīng)用

王榮，朱向國，霍燚，李運(yùn)潮，樸志友

礦山道路開拓工程的設(shè)計(jì)是礦山工程設(shè)計(jì)最重要的工作之一。筆者根據(jù)水泥礦山工程設(shè)計(jì)的實(shí)際需求開發(fā)出水泥礦山道路設(shè)計(jì)軟件，道路設(shè)計(jì)的一系列流程方法——從地形等高線的三維矢量化至道路的平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖和工程量計(jì)算各個(gè)階段均能采用該軟件高效進(jìn)行修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)，能迅速完成道路設(shè)計(jì)任務(wù)，并且符合規(guī)范的要求。

露天礦道路；AutoCAD二次開發(fā)；道路設(shè)計(jì)軟件

AutoCAD作為專業(yè)的計(jì)算機(jī)繪圖平臺(tái)，可以提供開放的開發(fā)接口，使用者可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)繪圖需求開發(fā)出專業(yè)的模塊來簡化工作。比如地測軟件南方CASS、建筑軟件天正等等。

遺憾的是國內(nèi)尚未有一款基于AutoCAD二次開發(fā)的水泥礦山工程設(shè)計(jì)軟件，這給礦山設(shè)計(jì)人員提出了一個(gè)新的挑戰(zhàn)，那就是開發(fā)出一款專業(yè)軟件，提高設(shè)計(jì)效率。

1　軟件開發(fā)語言的選擇

設(shè)計(jì)出專業(yè)的礦山工程設(shè)計(jì)軟件，首先要選擇開發(fā)平臺(tái)。目前AutoCAD二次開發(fā)的主要工具有ObjectArx、VBA、Lisp、.NET，其中，Object-Arx功能強(qiáng)大，編程效率高，運(yùn)行速度快，但編程者必須掌握VC++；Lisp語言雖然簡單容易上手，但是該語言的運(yùn)行速度最慢，無法開發(fā)大型的軟件程序；VBA編制的軟件無法編譯加密，安全性太差，也不適合有眾多使用者的中大型軟件。本軟件選擇的開發(fā)語言是.NET語言，它集合了ObjectArx功能強(qiáng)大、運(yùn)行速度快和VBA易用的特點(diǎn)，可以開發(fā)出安全有效、功能強(qiáng)大的AutoCAD程序。

2　軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常，在傳統(tǒng)的礦山道路項(xiàng)目中，地形、路線、縱斷面、橫斷面以及其他設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間的正確傳遞需要花費(fèi)大量的時(shí)間。設(shè)計(jì)的變更必然會(huì)導(dǎo)致繪圖和工程量統(tǒng)計(jì)等工作的重復(fù)，這些工作不僅需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，降低設(shè)計(jì)效率，也很難保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。我們開發(fā)的道路軟件使用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)，提供了地形、路線、縱斷面、橫斷面、工程量等專業(yè)的設(shè)計(jì)對(duì)象。圖形中的各個(gè)對(duì)象之間保持著智能聯(lián)系，若修改道路上的樁號(hào)，則基于該路線的縱斷面和橫斷面以及工程量都會(huì)自動(dòng)修改。

圖1　礦山道路設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)

根據(jù)軟件項(xiàng)目的目標(biāo)和流程，將礦山軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)為四大系統(tǒng)：礦山的地形等高線系統(tǒng)、礦山道路的平面設(shè)計(jì)（道路定線）、礦山道路的縱斷面設(shè)計(jì)與礦山道路的橫斷面設(shè)計(jì)及工程量計(jì)算。整個(gè)軟件的系統(tǒng)如圖1所示。

圖2　礦山道路工程設(shè)計(jì)軟件工作流程圖

圖3　礦山工程設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

2.2軟件的工作流程圖

礦山道路設(shè)計(jì)的工作流程如圖2所示。

2.3軟件的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在確定了軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程之后，就可以根據(jù)具體的需求設(shè)計(jì)開發(fā)出適合礦山道路工程的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。一個(gè)強(qiáng)大完善的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫支撐系統(tǒng)，是一個(gè)軟件的根基，圖形的輸入和繪制都是以數(shù)據(jù)庫為基準(zhǔn)的。軟件的基本思想是程序向數(shù)據(jù)庫中輸入數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)繪制道路圖形。強(qiáng)大的Auto-CAD可以允許各dwg文件內(nèi)部建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從而保證了在此道路軟件下可以打開并操作含有該道路系統(tǒng)的所有文件。每個(gè)獨(dú)立的文件都隱含了各自的道路數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。為了保證軟件的安全性，該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)于用戶和軟件操作者來說是不可見的。軟件的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖3所示（虛線框中的系統(tǒng)為擬建立系統(tǒng)）。

圖4　新建礦山道路流程圖

3　軟件項(xiàng)目的基本原理

目前礦山道路設(shè)計(jì)主要有兩種方法。第一種方法是傳統(tǒng)的平縱橫設(shè)計(jì)方法，它將空間三維設(shè)計(jì)的問題轉(zhuǎn)化為平面、縱斷面和橫斷面三個(gè)二維問題，這三個(gè)部分雖然形式上是分離的，但其本質(zhì)上作為一條道路的三維空間來看，三者相互聯(lián)系，彼此牽制。第二種方法稱為三維空間線性設(shè)計(jì)方法，它可以借助軟件一次性完成道路三維線型的設(shè)計(jì)，該方法涉及到了三維建模。

但是目前來說，根據(jù)工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣，開發(fā)出的道路設(shè)計(jì)軟件往往遵循傳統(tǒng)的平縱橫設(shè)計(jì)方法。在各種道路CAD軟件中，道路的平、縱、橫計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是最基本的部分。

3.1礦山道路軟件平面設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平面線設(shè)計(jì)是道路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，包含兩個(gè)方面：（1）道路的中心線設(shè)計(jì)；（2）道路里程樁號(hào)的位置設(shè)計(jì)。

道路中心線設(shè)計(jì)是平面設(shè)計(jì)的核心問題，目前各種道路CAD系統(tǒng)的中心線設(shè)計(jì)均采用導(dǎo)線法、曲線法和邊界約束模型三種方法。其中，導(dǎo)線法的應(yīng)用最為廣泛，在礦山道路工程設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用。

表1　道路平曲線要素表

導(dǎo)線法首先確定一系列由直線和圓弧段組成的連續(xù)多段線作為道路的中線，其中的每個(gè)圓弧段必須與首尾相連的直線段相切。道路中心導(dǎo)線設(shè)計(jì)的具體流程如圖4所示。

表2　樁號(hào)數(shù)據(jù)表格

根據(jù)選定的圓曲線導(dǎo)線程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算并生成道路的平曲線要素表（表1）。

相對(duì)于傳統(tǒng)的選定一系列轉(zhuǎn)點(diǎn)構(gòu)成的折線導(dǎo)線后，輸入半徑繪制圓弧曲線段的方法，導(dǎo)線法更為簡捷迅速。通過直線和圓弧段連成的導(dǎo)線反過來計(jì)算各個(gè)轉(zhuǎn)點(diǎn)的具體位置，再插入通過轉(zhuǎn)點(diǎn)的折線和轉(zhuǎn)點(diǎn)標(biāo)示字符。

道路里程樁號(hào)的自動(dòng)計(jì)算輸入符合礦山道路設(shè)計(jì)的習(xí)慣，在自動(dòng)生成的樁號(hào)不滿足設(shè)計(jì)需求的條件下，可以根據(jù)需要手動(dòng)添加/刪除/修改樁號(hào)。每添加/刪除一個(gè)樁號(hào)，將會(huì)在道路數(shù)據(jù)庫的樁號(hào)表格中添加/刪除相應(yīng)的樁號(hào)數(shù)據(jù)。具體的樁號(hào)數(shù)據(jù)如表2所示。

3.2礦山道路軟件縱斷面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道路的平面設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)中心線所對(duì)應(yīng)的縱斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，縱斷面設(shè)計(jì)工作流程圖如圖5所示。

圖5　縱斷面設(shè)計(jì)工作流程圖

目前我國規(guī)范規(guī)定縱斷面設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)中心線位置的剖面地面線進(jìn)行拉坡度設(shè)計(jì)，從而完成有關(guān)設(shè)計(jì)縱坡以及各樁號(hào)設(shè)計(jì)高程的計(jì)算，即縱斷面設(shè)計(jì)地面線是進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。采集縱斷面地表線在上一個(gè)程序中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并已經(jīng)存在于樁號(hào)表格中，后續(xù)只需進(jìn)行拉坡度設(shè)計(jì)。程序的拉坡度設(shè)計(jì)是在縱斷面的對(duì)話框的縱斷面設(shè)計(jì)表格中實(shí)現(xiàn)的，具體程序界面如圖6所示。

圖6　道路縱斷面設(shè)計(jì)修改程序界面

圖7　礦山道路縱斷面圖

圖8　礦山道路橫斷面設(shè)計(jì)流程圖

道路縱斷面的設(shè)計(jì)完成以后就要開始繪制縱斷面設(shè)計(jì)圖。圖7是一幅典型的礦山道路縱斷面圖，主要包含下列內(nèi)容：

（1）道路地表線和地面設(shè)計(jì)線；

（2）各樁號(hào)的數(shù)據(jù)；

（3）樁號(hào)地表高、設(shè)計(jì)標(biāo)高、填挖高度、坡度和坡長等；

（4）直線段和圓弧段的曲線要素等。

3.3礦山道路軟件橫斷面設(shè)計(jì)

礦山道路橫斷面設(shè)計(jì)工作較為繁瑣，包括所有的里程樁號(hào)橫斷面的“戴帽子”、添加道路的排水溝、填挖方放坡設(shè)計(jì)、超高加寬設(shè)計(jì)、計(jì)算土石方量等。利用計(jì)算機(jī)計(jì)算可以大大減輕設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)，提高設(shè)計(jì)工作效率。整個(gè)礦山道路橫斷面設(shè)計(jì)軟件的工作流程如圖8所示。

作平面中心線上各樁號(hào)點(diǎn)處的法線，這條法線就是該樁的橫斷面。以中心線為界向兩邊以一定的長度截取地表剖面線，通過內(nèi)插的方式計(jì)算出該樁號(hào)點(diǎn)的中心高程。這一步驟在樁號(hào)添加時(shí)就已自動(dòng)計(jì)算，且地表數(shù)據(jù)已保存在各樁號(hào)的地表線表格中，在添加橫斷面時(shí)取出數(shù)據(jù)即可。

輸入/修改道路的橫斷面參數(shù)如圖9所示。每條道路都對(duì)應(yīng)不同的橫斷面參數(shù)，都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖。這些橫斷面參數(shù)用來控制橫斷面“戴帽子”的情況，這些是某條道路所有樁號(hào)的“共性”，當(dāng)然也有特殊的樁號(hào)處，比如圓曲線段樁號(hào)的“戴帽子”設(shè)計(jì)需要加入超高加寬數(shù)據(jù)（圖10），這屬于特殊樁號(hào)的“特性”，這些共性和特性都需要在道路的橫斷面圖中體現(xiàn)。

圖9　道路橫斷面參數(shù)的輸入修改

定義好橫斷面，就可以進(jìn)行橫斷面的自動(dòng)設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)依次將每一個(gè)橫斷面用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面“共性”和超高加寬“特性”進(jìn)行“戴帽子”設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算填挖方面積，整個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)符合現(xiàn)行《廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

在具體的設(shè)計(jì)中左右側(cè)分別設(shè)計(jì)。如圖11所示，如果將橫斷面分為三個(gè)區(qū)域，分隔點(diǎn)在兩邊的路肩處，在橫斷設(shè)計(jì)中帶來麻煩的是橫斷面兩邊的I部分，這部分涉及到邊坡、邊溝、安全平臺(tái)等因素。而中間的II部分對(duì)不同的橫斷面設(shè)計(jì)來說是一樣的（除了圓曲線段的超高加寬特性）。因此礦山道路橫斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何處理不同形式的填挖方邊坡和邊溝、安全平臺(tái)等問題。盡管在橫斷面的設(shè)計(jì)中會(huì)有各種各樣的斷面形式，但總的來說，橫斷面的設(shè)計(jì)可以歸納為三種基本形式：（1）填方斷面形式；（2）挖方斷面形式；（3）半填半挖斷面形式（圖11）。

圖10　道路超高加寬輸入修改

圖11　道路橫斷面分區(qū)設(shè)計(jì)

假定路基兩邊緣點(diǎn)為A、B，其標(biāo)高為HA、HB，其相應(yīng)的地面線的標(biāo)高為ZA和ZB，則可以建立如下的辨別形式：

（HA-ZA）×（HB-ZB）＞0且HA＞ZA則為填方斷面；

（HA-ZA）×（HB-ZB）＞0且HA＜ZA或HB＜ZB則為挖方斷面；

（HA-ZA）×（HB-ZB）＜0則為半填半挖斷面。

橫斷面設(shè)計(jì)工作量大，其邊坡處理設(shè)計(jì)關(guān)系到路基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、排水通暢、土石方量以及建構(gòu)筑物工程數(shù)量的大小和經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)橫斷面的設(shè)計(jì)全部完成以后，就要進(jìn)行土石方工程量的計(jì)算，它是工程概預(yù)算及相關(guān)工作的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確計(jì)算路基土方是非常重要的工作，相對(duì)前面的復(fù)雜性和工作量來說，這項(xiàng)工作的技術(shù)難度不大。目前，我國規(guī)范規(guī)定在工程計(jì)算中采用平均斷面法，具體計(jì)算步驟如下：

假設(shè)某條道路共有n個(gè)橫斷面參加土方計(jì)算，任意取其中的兩個(gè)橫斷面i和i+1，樁號(hào)分別為Si和Si+1、挖方面積分別為ATi，AWi，ATi+1，AWi+1，則該段的填方工程量AT為：

（1）當(dāng)abs（ATi-ATi+1）/max（ATi，ATi+1）＜40%時(shí)；AT=（ATi+ATi+1）/2

（2）當(dāng)abs（ATi-ATi+1）/max（ATi，ATi+1）≥40%時(shí)；AT=（ATi+ATi+1+

挖方工程量AW為：

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

（2）當(dāng)abs（AWi-AWi+1）/max（AWi，AWi+1）≥40%時(shí)；AW=（AWi+AWi+1+

每段的填挖方量之和即為道路工程的填挖工程方量。填挖方工程量計(jì)算的表格如圖12所示。

圖12　道路填挖方工程量計(jì)算

最后繪制工程量計(jì)算表格，則道路設(shè)計(jì)全部完成。

表3　運(yùn)礦道路主要技術(shù)指標(biāo)表

4　工程應(yīng)用

本軟件在太鋼盂縣石灰項(xiàng)目采礦破碎工程中成功應(yīng)用，該項(xiàng)目的所有運(yùn)礦道路及聯(lián)絡(luò)道路均采用該軟件設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目運(yùn)礦道路采用露天礦五類車寬類別，三級(jí)道路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為雙車道；道路超高加寬采用繞線路中心旋轉(zhuǎn)法，即外側(cè)超高、內(nèi)側(cè)加寬的超高加寬方法，最小轉(zhuǎn)彎半徑15m。該項(xiàng)目道路的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

圖13為該項(xiàng)目從破碎車間卸料平臺(tái)至采礦工作面運(yùn)礦道路某路段的平面布置圖，具有典型的露天礦道路的特點(diǎn)。該項(xiàng)目系統(tǒng)經(jīng)過軟件設(shè)定的流程，從二維圖紙的三維矢量化至道路的平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖和工程量計(jì)算各個(gè)階段均能高效進(jìn)行修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)，能迅速完成設(shè)計(jì)任務(wù)，符合《廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

圖13　運(yùn)礦道路的某路段的平面布置圖

5　結(jié)語

本道路軟件僅適用于水泥原料礦山的道路方案及施工圖設(shè)計(jì)，本軟件旨在提高露天礦山道路的設(shè)計(jì)效率和精準(zhǔn)度，雖然在種類眾多的道路設(shè)計(jì)軟件中僅為滄海一粟，但是本軟件的針對(duì)性較強(qiáng)，符合本專業(yè)的施工圖需求，能大大提高設(shè)計(jì)效率，為后續(xù)的方案優(yōu)化及工程量降低打下基礎(chǔ)。

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

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通訊地址：天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；2015-12-04；編輯：孫娟

［1］周艷，張華英.道路CAD及其實(shí)用程序、工程實(shí)例［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］王玉琨，任衛(wèi)紅.CAD二次開發(fā)技術(shù)及其工程應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.