任兆丹，陳智慧，陳雪峰，鄭國平

（1．中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2．浙江工業(yè)大學建筑工程學院，浙江 杭州310014）

0 引言

我國公路交通建設(shè)蓬勃發(fā)展，隧道的數(shù)量和長度均隨之迅速增長。截至2017年底，我國大陸地區(qū)共有公路隧道16 229處、1 528．51萬m，比2016年增加1 048處、124．54萬 m，其中特長隧道902處、401．32萬 m，長隧道3 841處、659．93萬 m［1］。

隧道工程量統(tǒng)計是隧道專業(yè)設(shè)計工作的重要環(huán)節(jié)之一，也是編制概預(yù)算文件的主要依據(jù)，但是有關(guān)隧道設(shè)計階段工程量管理的相關(guān)研究及軟件開發(fā)工作少之又少。張竹等探索了市政工程隧道主要分項工程量的計算規(guī)則，并歸納了工程量的計算過程中的注意事項［2］，其研究對象主要為地鐵隧道；袁建飛運用數(shù)據(jù)建模以實現(xiàn)長大隧道海量數(shù)據(jù)的快速計算與分析，但其后臺數(shù)據(jù)處理軟件采用的是Excel，而并非數(shù)據(jù)庫軟件。［3］

根據(jù)調(diào)研，目前傳統(tǒng)的隧道工程量管理工作仍采用Excel表格的方式，并按照一座隧道對應(yīng)一個Excel文件的方式進行，分項工程量的輸入、單個隧道工程量的匯總工作均在Excel表格中完成，就功能而言存在如下問題：

（1）標準化程度低，表格的內(nèi)容、形式因人而異，繼承性差；

（2）人工輸入工作量大，容易出現(xiàn)差、錯、漏、碰、重；

（3）數(shù)據(jù)分散，難以進行歸并和統(tǒng)計分析。

另一方面，微軟公司對Excel軟件的定位是處理數(shù)據(jù)的工具，因此，Excel軟件對于數(shù)據(jù)格式?jīng)]有強制性的要求，安全級別低，運算靈活，非腳本操作。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，同時為了更好地積累工程歷史數(shù)據(jù)，有必要研究和開發(fā)基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的隧道工程量管理軟件。

1 隧道工程量數(shù)據(jù)的特點

1．1 隧道工程量的層次性特點

建設(shè)工程的工程量是有一定層次結(jié)構(gòu)的，公路隧道也不例外。根據(jù)公路隧道項目的特點，按照單項工程、單位工程、分部工程、分項工程、子分項工程的層次，并兼顧概預(yù)算中的計量子目劃分、建立分部分項工程條目數(shù)據(jù)表。其中，單位工程是單項工程的組成部分，具有單獨設(shè)計并獨立施工的條件，但不能獨立發(fā)揮生產(chǎn)能力或效益；將單位工程按照工程的種類或主要部位可進一步劃分為分部工程；按不同的施工方法、構(gòu)造及規(guī)格將分部工程劃分成分項工程。分項工程為施工圖預(yù)算中最基本的計算單位，又是概預(yù)算定額的基本計量單位，故又稱為工程定額子目或工程細目。分項工程可以根據(jù)工藝、材料等進一步劃分成若干子分項工程。

對于隧道工程而言，單個隧道可以視為一個單位工程，對于特長隧道被劃分為若干標段的情況，也可以將一個標段中的隧道視為一個單位工程。隧道單位工程由總體信息、洞口工程、明洞工程、洞門工程、洞身暗洞工程、預(yù)支護工程、輔助坑道、裝飾工程、路面工程、防水排水工程、溝槽工程、臨時工程、環(huán)境工程、監(jiān)測預(yù)報工程、附屬關(guān)聯(lián)工程、通風及消防設(shè)施安裝等分部工程組成。分部工程可進一步細分為若干分項工程。

1．2 隧道工程量的階段性特點

隧道工程建設(shè)的不同階段對工程量管理的要求有較大差別，比如工可與初步設(shè)計階段需要考慮不同線位的隧道工程量；施工圖設(shè)計階段需要考慮不同標段的隧道工程量，有時會出現(xiàn)同一個隧道處于不同標段的情況；初步設(shè)計階段、施工圖設(shè)計階段的工程量包括洞口工程、明洞工程、洞門工程、主洞襯砌數(shù)量（含超前支護、防水、工法臨時支護、鋼筋、鋼架等）、防排水等分部工程量的輸入。

2 軟件功能需求及操作流程分析

2．1 軟件的通用性功能

軟件功能架構(gòu)及操作流程是總體設(shè)計的主要內(nèi)容，關(guān)系到軟件交付后的功能是否全面、操作性是否友好。根據(jù)調(diào)研，軟件的基本功能要求是以數(shù)據(jù)庫作為工程數(shù)據(jù)存儲容器，對上述隧道工程量數(shù)據(jù)進行日常管理，包括建立已完成設(shè)計的隧道工程后臺數(shù)據(jù)庫、信息庫；錄入、修改、查詢、輸出新建隧道的工程量；快捷地形成單體隧道、標段內(nèi)所有隧道、全線所有標段內(nèi)所有隧道的工程量匯總；通過各分項工程量與對應(yīng)概算編號、對應(yīng)預(yù)算編號的關(guān)聯(lián)，可以快速編制隧道工程概算、預(yù)算，為工程方案決策提供支持；通過各分項工程量與對應(yīng)清單編號的關(guān)聯(lián)，可以為工程招投標形成工程量清單，以便在設(shè)計施工總承包項目中實現(xiàn)工程量的精細化管理。

2．2 工程量模板的理念

錄入新建隧道的工程量是軟件主要的日常功能，是傳統(tǒng)人工管理工程量中耗時最久并容易出錯的步驟。為了實現(xiàn)快速和準確的目標，提出了“工程量模板”的理念。模板的理念已經(jīng)被眾多軟件采納，其中以Microsoft Office軟件最為典型，基于不同模板可以新建不同類型的文檔。同樣的，分部分項工程量輸入模板在整個軟件數(shù)據(jù)輸入過程中起著承前啟后的作用，按照傳統(tǒng)操作習慣分門別類，將洞口工程量、主洞襯砌每延米工程量、防排水、預(yù)留洞室、路面等類別，選擇相應(yīng)的（子）分項工程條目，設(shè)定相應(yīng)工程數(shù)量項目默認值便形成了模板庫，單體隧道工程量輸入時，僅需要輸入單位數(shù)、延米數(shù)即可以方便地得到各分部工程量。

2．3 軟件操作流程

根據(jù)以上功能需求，對日常的業(yè)務(wù)流程進行深入的調(diào)研后，規(guī)劃出如圖1所示的功能流程。

圖1 軟件功能流程圖

同時，為了滿足多個工程師對同一個后臺數(shù)據(jù)的操作，并確保數(shù)據(jù)的一致性和集成性，以及便于集中管理、按需授權(quán)，軟件按照C／S（客戶／服務(wù)器）結(jié)構(gòu)模式進行設(shè)計。

3 后臺數(shù)據(jù)庫模型及功能

3．1 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表格

位于軟件后臺的數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)上述軟件功能需求的核心。根據(jù)隧道工程量數(shù)據(jù)的特點和軟件功能需求，后臺數(shù)據(jù)庫包括了分部分項工程名稱元數(shù)據(jù)表、分部分項工程量模板數(shù)據(jù)表、隧道各階段的工程數(shù)量數(shù)據(jù)表、項目信息表、隧道信息表、用戶信息表等，其中前三類表格是最重要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表。

3．2 關(guān)系模型（Relational Model）的數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是研究數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、存儲、設(shè)計、管理以及應(yīng)用的基本理論和實現(xiàn)方法，具體內(nèi)容包括：通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織和管理，按照指定的結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫；利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行添加、修改、刪除、處理、分析、理解、報表和打印等多種功能的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用系統(tǒng)；利用應(yīng)用管理系統(tǒng)最終實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、分析和理解［4］。

目前最常見的數(shù)據(jù)模型主要有關(guān)系模型、網(wǎng)狀模型和層次模型三種。其中關(guān)系模型是一種理論最成熟、應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)模型，采用這種模型時，數(shù)據(jù)存放在一種稱為二維表的邏輯單元中，整個數(shù)據(jù)庫由若干個相互關(guān)聯(lián)的二維表組成。相對于Excel電子表格軟件，專業(yè)的數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)格式有非常嚴格的要求，安全級別高（C級以上）。目前常用的有SQL Server、Oracle、Access等數(shù)據(jù)庫軟件。考慮到本軟件所需處理的數(shù)據(jù)量及開發(fā)難度，采用了Access數(shù)據(jù)庫軟件。

3．3 軟件對后臺數(shù)據(jù)庫的操作功能

數(shù)據(jù)輸入及查詢子系統(tǒng)是軟件用戶界面與后臺隧道工程量數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互的唯一接口，包括了四個功能模塊：

（1）輸入和編輯模塊：以文件、表格等多種數(shù)據(jù)源方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入，并可以對數(shù)據(jù)進行修改、刪除、增加，利用數(shù)據(jù)庫軟件自身的校驗功能對輸入數(shù)據(jù)的正確性進行檢驗。

（2）查詢及統(tǒng)計模塊：提供各隧道、各設(shè)計階段、各線位、各方案工程量數(shù)據(jù)的查詢功能。

（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊：實現(xiàn)與現(xiàn)有以Excel表格為主的工程量數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動錄入。

（4）維護模塊：提供數(shù)據(jù)庫表格結(jié)構(gòu)的維護，維護數(shù)據(jù)的一致性、完整性。

軟件前臺（如圖2所示）以窗口（對話框）形式，按照隧道洞口工程、明洞工程、暗洞工程、路面工程、附屬工程等結(jié)構(gòu)，建立不同的窗口模式，延米或單項數(shù)量采用導入或輸入模式。

圖2 軟件主界面示例圖

4 軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

4．1 面向?qū)ο缶幊蹋∣bject Oriented Programming，OOP）技術(shù)

軟件各組件以面向?qū)ο蟮木幊趟枷霕?gòu)建，核心算法以面向過程的編程思想輔助實現(xiàn)。面向?qū)ο缶幊淌且环N計算機編程架構(gòu)，其中的一條基本原則是計算機程序是由單個能夠起到子程序作用的單元或?qū)ο蠼M合而成，并通過抽象、封裝、多態(tài)性和繼承性達到軟件的三個主要目標：重用性、靈活性和擴展性。為了實現(xiàn)整體運算，每個對象都能夠接收信息、處理數(shù)據(jù)和向其它對象發(fā)送信息。

4．2 與 Autodesk AutoCAD、Microsoft Excel軟件的交互技術(shù)

公路隧道設(shè)計時，往往要求附圖與工程數(shù)量匹配，并在同一張圖中表達出來，如何將軟件中錄入的分項工程量數(shù)值以表格的形式輸出到AutoCAD文件中，涉及到軟件與AutoCAD軟件的交互技術(shù)。Auto－CAD提供了ActiveX接口，便于在AutoCAD軟件內(nèi)的AutoLISP以及VBA等工具進行二次開發(fā)。同時，ActiveX接口還使得AutoCAD對象對外部世界開放，多種不同的編程語言環(huán)境（如 Microsoft Visual Studio）和其它應(yīng)用程序（如Microsoft Word VBA）都能訪問。

同樣，軟件的輸出結(jié)果將大量地以Excel表格的形式提供給用戶，軟件所采用的向Excel工作簿傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)是“自動化”的。利用該技術(shù)可以調(diào)用特定于Excel任務(wù)的方法和屬性，提供了指定數(shù)據(jù)在工作簿中所處位置的最大的靈活性，以及將工作簿格式化和在運行時進行各種設(shè)置的能力。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)隧道工程量數(shù)據(jù)的層次性和階段性特點，隧道工程量數(shù)據(jù)表格分為分部分項工程名稱元數(shù)據(jù)表、分部分項工程量模板數(shù)據(jù)表、隧道各階段的工程數(shù)量數(shù)據(jù)表、項目信息表、隧道信息表、用戶信息表等。采用關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了對海量工程數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織和管理，包括輸入及編輯、查詢及統(tǒng)計、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及維護等數(shù)據(jù)操作功能。

（2）開發(fā)過程中采用OOP方法以及通過抽象、封裝、多態(tài)性和繼承性可以實現(xiàn)軟件的重用性、靈活性和擴展性；通過ActiveX接口可以實現(xiàn)與Autodesk AutoCAD軟件的通信，利用“自動化”可以將相關(guān)數(shù)據(jù)輸出到Excel表格中。以上關(guān)鍵技術(shù)確保了隧道工程量管理軟件的功能目標。

（3）基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的隧道工程量管理軟件，簡化和規(guī)范了工程量錄入、查詢、修改等管理工作，避免了大量重復繁瑣的計算和校核工作。隨著工程量信息的不斷積累，將來可以進一步開展深層次的統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘工作，比如進行工程數(shù)量對比分析、圍巖級別統(tǒng)計分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析等。