張志遙

（上海申元巖土工程有限公司 上海市 200011）

1 引言

目前市場尚未見有適用于巖土工程勘察的輔助設計系統(tǒng)，隨著計算機技術的應用的發(fā)展，基于CAD 二次開發(fā)來提高工程人員生產(chǎn)效率的思路和方法也得到了極大的拓展?？辈旃ぷ髦写罅康拿芗?、重復性的勞動，都可利用輔助程序來完成。

目前勘察工程師的主要任務為項目報價、編寫標書、編寫勘察報告三項，以上三項工作都需要布置勘察方案。在巖土工程勘察實踐中，布置勘察方案是一個巖土工程師的核心技能?？辈旆桨笐鶕?jù)擬建物的性質(zhì)、幾何形狀、拓撲關系、擬采用的基礎形式和相應的規(guī)范要求布置。其中大部分的工作在CAD 內(nèi)中完成，工程師需逐點放置勘探孔，并且勘探孔圖元和其代表的信息無法直接對應?？辈旃ぷ魅藛T需要花費大量的時間逐一放置和編輯勘探孔，在進行大量重復操作時，出錯的概率隨著項目規(guī)模的增大而線形增加，所以在布置工程勘察方案結(jié)束后需花大量時間進行校核。同時在進行方案修改時，需對CAD 中的勘探孔逐個進行修改，在變更量較大時，幾乎等同于全部重做。工程中需要對勘察工作的造價進行估計，這項工作需要在較短的時間完成，因此需要工程師在較短的時間布置勘察方案?；谝陨蠁栴}，本文利用Lisp 語言開發(fā)了一套勘察輔助設計系統(tǒng)，可以有效地減少布置勘察方案的重復性勞動，提高布置勘察方案的效率，保證方案的質(zhì)量。

2 布置勘察方案的內(nèi)容與創(chuàng)新點

2.1 關鍵步驟

目前布置勘察方案共9 個步驟，在工程實踐中，工程師布置勘察方案的各步驟及其用時占比如下：

（1）查找擬建場地周邊勘察資料（3%）；

（2）確定勘探孔的深度（3%）；

（3）確定基礎勘探孔的間距和控制方式（4%）；

（4）布置勘察方案，為控制建筑輪廓，人工放置圖元（30%）；

（5）人工檢查勘探孔間距（6%）；

（6）選擇勘探孔，將其改為控制性孔（4%）；

（7）繪制勘探孔剖面（20%）；

（8）人工統(tǒng)計孔數(shù)、進尺（10%）；

（9）根據(jù)地層分布、勘探孔進尺確定地基土原位測試、室內(nèi)試驗項目、數(shù)量（20%）。

其中第4 步～第8 步在CAD 中進行，累計用時占比約70%。這5 個步驟計算量極少，幾乎全部是重復性工作，但是占用了勘察工程師大量的時間。對以上5 個步驟用輔助程序來完成，是大幅提高布置勘察方案的效率，提高方案質(zhì)量關鍵。

2.2 開發(fā)語言

本文采用AutoLISP 對AutoCAD 進行二次開發(fā)。AutoLISP 是為二次開發(fā)AutoCAD 而專門設計的編程語言，它起源于LISP 語言，嵌入在AutoCAD 的內(nèi)部，可以在AutoCAD 命令行中直接進行使用，也在AutoCAD 內(nèi)置的編輯器中進行編寫。

AutoLISP 采用了和CommonLISP 最相近的語法和習慣約定，具有CommonLISP 的特性，但又針對AutoCAD 增加了許多功能。它既有LISP 語言人工智能的特性，又具有AutoCAD 強大的圖形編輯功能的特點。它可以把AutoLISP程序和AutoCAD 的繪圖命令透明地結(jié)合起來，使設計和繪圖完全融為一體，還可以實現(xiàn)對AutoCAD 圖形數(shù)據(jù)庫的直接訪問和修改。[1]

2.3 研究內(nèi)容

本次研究旨在利用AutoLISP 編程語言，研發(fā)具有用戶操作界面的布置勘察方案的輔助程序。在前述中，需對第4步～第8 步進行簡化。具體需求如下：

（1）實現(xiàn)自動布置勘探孔圖元同時控制勘探孔間距。將相關規(guī)范和工程經(jīng)驗編入勘察方案的輔助程序，使得用戶在拾取CAD 中兩點或較規(guī)則的擬建物輪廓時，輔助程序可按規(guī)范規(guī)則自動布置勘察方案。

（2）實現(xiàn)勘探孔自動編號。同時用戶可以批量增加、刪除、修改、查詢、提取、自動統(tǒng)計勘探孔信息；

（3）按照用戶選擇的勘探孔批量生產(chǎn)工程剖面，并批量修改剖面編號，大幅減少布置勘察方案所用時間。

基于以上需求，本文充分利用了AutoLISP 開發(fā)了一套針對布置勘察方案重復操作的，極大程度提高工作效率及方案質(zhì)量的勘察方案輔助程序。

3 勘察方案輔助設計系統(tǒng)開發(fā)

3.1 人工布置勘察方案的思路

依據(jù)對自動布置勘探孔圖元同時控制勘探孔間距需求的分析，目前該步驟主要為在確定了布孔原則后，工程師需在總平面圖上，延擬建物輪廓或柱網(wǎng)軸線逐點放置按規(guī)范勘探孔。針對一個擬建物單體布置勘察方案的人工實現(xiàn)如下：

（1）根據(jù)建筑輪廓，將其抽象或分割成四邊形或三角形（一條邊長度為0 的四邊形）的組合。

（2）選中四邊形或三角形，選取2 條對邊。

（3）選擇一條邊。

（4）根據(jù)該邊的長度以及擬選用的勘探孔間距計算出要布置多少鉆孔。

（5）放置圖元，量取并標記下一點的坐標。

（6）重復上一步操作，直至該條邊放置勘探孔圖元結(jié)束。

（7）選中另一條邊，重復第6 步操作，直至該條邊放置勘探孔圖元結(jié)束。

（8）將兩條邊上的勘探孔一一對應，并依次做輔助直線。

（9）選中所有輔助直線，對每一條，進行4-5 步操作。

（10）對所有邊布置勘探孔后，做一個輔助圓，輔助圓的半徑等于最大勘探孔間距，對勘探孔間距進行人工檢查，若發(fā)現(xiàn)勘探孔間距大于圓半徑，則調(diào)整勘探孔的距離。

（11）在檢查所有勘探孔間距后，根據(jù)勘探孔在當前坐標系中勘探孔的位置，需要按照先上后下，先左后右的規(guī)則修改鉆孔的孔號。

（12）依次修改勘探孔的孔深，按一定比例調(diào)整勘探孔的類型。

（13）按規(guī)范選擇部分勘探孔，將其孔深改為控制下勘探孔的孔深。

（14）統(tǒng)計勘探孔的屬性，并導出表格

（15）按照一定規(guī)則繪制剖面，剖面為多段線，多段線的端點經(jīng)過相應的勘探孔圖元的基點。

以上步驟中第13 步的邏輯較為復雜，不同的建筑單體，其控制性勘探孔的比例和放置位置差距較大。除此之外，其余步驟都可由程序來代替或簡化。根據(jù)具體需求，可拆分成四段程序。

3.2 程序邏輯

3.2.1 勘探孔動態(tài)屬性塊

在目前的規(guī)范中，僅對勘探孔的圖例做了規(guī)定，但未對勘探孔的cad 圖元格式有要求。按照以往的模式，工程師會按照規(guī)范圖例在cad 中繪制出勘探孔形狀，然后使用單行文字表示其孔號、孔深、孔數(shù)等信息。該方法有較大的局限性，文字只是簡單地擺在圖例邊，兩者是無關的圖元。如果要對孔號等參數(shù)進行修改，則需要選擇勘探孔邊的文字，依次進行修改。

若要實現(xiàn)批量處理鉆孔，那么首先需要將勘探孔的信息與圖元掛鉤，將其結(jié)合成一個屬性塊?？碧娇妆旧碜鳛橐粋€塊，孔深、孔數(shù)、高程、坐標作為該塊的屬性，與勘探孔塊綁定在一起。再將動作賦給每一個屬性，使得屬性和圖元可以在塊外進行移動或旋轉(zhuǎn)。根據(jù)圖元dxf 碼就能讀取勘探孔內(nèi)在的參數(shù)，進而可以實現(xiàn)批量操作。[2]

3.2.2 直線布孔

布置勘探孔的基本流程有三個，選擇勘探孔屬性快，選擇布置勘探孔的坐標，插入勘探孔屬性快。在一般的勘察項目中，取土孔、靜力觸探孔和小螺紋鉆孔占所有勘探孔的比例超過90%，所以在編寫批量布置鉆孔的程序時，僅考慮批量布置上述3 種鉆孔。根據(jù)工程經(jīng)驗，取土孔與靜力觸探孔的比例不小于1：2，所以程序中2 種勘探孔的比例按照1：2 考慮，小螺紋孔的孔距小于15m，一般在取土孔和靜力觸探孔中均勻分布。針對該步驟，其程序設計思路如下：

（1）輸入直線開始點和結(jié)束點的坐標，計算兩點間距離L。

（2）選擇取土孔和靜探孔保持固定比例時的插入順序，如取靜靜（既取土-靜探-靜探），靜取靜（既靜探-取土-靜探），靜靜?。褥o探-取土-靜探）等模式。

（3）讓用戶輸入勘探孔間距S。

（4）設定參數(shù)daixz，該參數(shù)初始值為0。并讓用戶選擇是否帶小螺紋鉆孔，若帶小螺紋鉆孔，令其值為1。

（5）設定兩點間要插入n 個勘探孔，則兩點間距離L被分為n+1 段。n 的初始值為0。

（8）根據(jù)所有勘探孔孔數(shù)和勘探孔最終間距，以開始點為基點計算插入勘探孔的點的坐標，并檢查開始點和結(jié)束點是否已經(jīng)存在勘探孔。

你知道嗎羅漠，他們是真的恩愛，每天父親上班前都會親吻我們，買各種各樣的禮物，給母親，給我。他們從來不吵架，永遠微笑。那時候真幸福啊，羅漠，我以為自己是公主，永遠沒有憂愁。

（9）根據(jù)計算所得的插入點坐標，循環(huán)執(zhí)行插入勘探孔命令。

3.2.3 四邊形布孔

本功能對應3.1 節(jié)的第1 步-第10 步操作，有了直線布孔的函數(shù)基礎，可以完成第1-8 步后，循環(huán)執(zhí)行第9 步。具體流程如下：

（1）拾取已有四邊形，或繪制四邊形。

（2）按順時針取得四邊形四個頂點，分別賦值給pt1、pt2、pt3、pt4。

（3）根據(jù)四個點，選取2 條對邊，兩條邊的邊長分別為L1、L2。設定第一條兩點間要插入n1 個勘探孔，則兩點間距離L1被分為n1+1段；第二條兩點間要插入n2個勘探孔，則兩點間距離L2 被分為n2+1 段。n1 和n2 的初始值都為0。

（4）開啟循環(huán)，測試條件為勘探孔間距S 和第一條邊長度L1 的對比，當S 小于L1 時，n1 的值+1。在經(jīng)過若干輪循環(huán)之后，得到的最終插入勘探孔數(shù)為n1 個，勘探孔最終間距為x1。開啟第二輪循環(huán)，測試條件為勘探孔間距S和第二條邊長度L2 的對比，當S 小于L2 時，n2 的值+1。在經(jīng)過若干輪循環(huán)之后，得到的最終插入勘探孔數(shù)為n2 個，勘探孔最終間距為x2。若兩條對邊的插入的勘探孔數(shù)相等，則執(zhí)行下一步；若不相等，則對另外兩條對邊進行測試。若依然不相等，則打印提示。

（5）根據(jù)勘探孔數(shù)和孔距，以開始點為基點計算插入勘探孔的點的坐標，并檢查開始點和結(jié)束點是否已經(jīng)存在勘探孔，然后插入勘探孔。兩條對邊上的勘探點的插入點一一對應，根據(jù)一一對應的點再執(zhí)行按兩點間直線布孔函數(shù)，依次執(zhí)行生成勘探孔。

由于勘探孔位置由程序控制，勘探孔的間距完全滿足用戶要求，無需執(zhí)行第10 步。

3.2.4 批量修改勘探孔孔號

本功能對應3.1 節(jié)的第11 步-第12 步操作。在布置好鉆孔之后，需要按照先上后下，先左后右的規(guī)則修改鉆孔的孔號，然后按照擬建物的性質(zhì)批量修改孔深。在全部修改完畢之后，才能根據(jù)對所有鉆孔的個數(shù)與進尺進行統(tǒng)計。這個步驟僅需要進行簡單的計算，基本都為重復操作，適合應用程序來批量處理。具體流程如下：

（1）根據(jù)勘探孔的種類創(chuàng)建選擇集，有n 種勘探孔就創(chuàng)建n 個選擇集。根據(jù)圖層、圖元類型、塊名屬性選擇所有的勘探孔，每種勘探孔的數(shù)量就代表相應選擇集列表的長度。

（2）遍歷n 個選擇集，然后在遍歷單個選擇集中每個元素，將單個選擇集內(nèi)勘探孔的圖元名取出放在一個數(shù)組里。這樣就針對n 種勘探孔生成n 個包含勘探孔圖元名的數(shù)組。

（3）遍歷第一個數(shù)組中所有圖元，根據(jù)圖元名取到每個勘探孔的基點坐標，使用冒泡排序算法，將勘探孔根據(jù)先比較Y 坐標排序，再比較X 坐標，對數(shù)組重新排序。然后將由小到大孔號根據(jù)數(shù)組順序依次替換勘探孔圖元的孔號屬性。

（4）遍歷n 個數(shù)組，重復以上操作，直至所有數(shù)組循環(huán)完畢。

3.2.5 統(tǒng)計勘探孔的屬性

本功能對應3.1 節(jié)的第14 步操作。在布置好鉆孔之后，自動選中所有勘探孔，對勘探孔進行分類匯總，并自動計算總孔深。這個步驟僅需要進行簡單的計算，具體流程如下：

（1）根據(jù)勘探孔的種類創(chuàng)建n 個選擇集，選擇集包含圖紙范圍內(nèi)所有的該類型勘探孔。

（2）遍歷選擇集中每個元素，將單個選擇集內(nèi)勘探孔的圖元名取出放在一個數(shù)組里。這樣就針對n 種勘探孔生成n 個包含勘探孔圖元名的數(shù)組。

（3）遍歷數(shù)組中所有圖元名，根據(jù)圖元名取到圖元所有屬性。

（4）將同類型同孔深的勘探孔放在同一個數(shù)組中，數(shù)組長度則為該類型勘探孔個數(shù)；將同類型勘探孔的孔數(shù)相加求和，將該類型的勘探孔名稱和孔數(shù)之和組成新的數(shù)組。

（5）將以上數(shù)組以Excel 表格形式導出。

3.2.6 繪制剖面圖

本功能對應3.1 節(jié)的第15 步操作。在完全布置好鉆孔之后，按照一定規(guī)律創(chuàng)建多段線，使得多段線通過相應的鉆孔。具體流程如下：

（1）選中所有勘探孔動態(tài)快圖元，將其基點放入數(shù)組1。

（2）遍歷數(shù)組1，取得其中點的最大x 坐標maxX、最小x 坐標minX、最大y 坐標maxY 和最小y 坐標minY，以及最小x 坐標和最大y 坐標對應的點序號。

（3）比較（maxX-minX）和（maxY-minY）的大小，若大于，則按橫向考慮。

（4）新建數(shù)組2，若按橫向考慮，將具有minX 的點添加進數(shù)組2，并在數(shù)組1 中移除該點。若按縱向考慮，將具有maxY 的點添加進數(shù)組2，并在數(shù)組1 中移除該點。

（5）將數(shù)組2 中最后一點作為參照點，遍歷數(shù)組1 中其他點，計算其中所有點到參照點的距離，將距離最小的點加入數(shù)組2。

（6）重復上述操作，直至數(shù)組1 中元素為0。

（7）將數(shù)組2 中第一個元素按照既定的向量方向平移復制產(chǎn)生端點1，數(shù)組2 中最后一個元素按照既定的向量方向平移復制產(chǎn)生端點2。

（8）端點1 向既定的向量方向平移復制產(chǎn)生文字插入點1，端點2 向既定的向量方向平移復制產(chǎn)生文字插入點2。

（9）使用多段線命令，按數(shù)組2 中順序插入點，生成多段線。

（10）在插入點1、插入點2 處插入剖面號文字，并對文字的屬性進行設置。

4 應用實例

4.1 項目簡介

為評估該方法的實用性、效率提升效果，本文以“上海楊浦B 站項目地質(zhì)勘察工程”項目為例。項目總建筑面積約77.2 萬平方米，其中地上總建筑面積為約35.9 萬平方米，地下總建筑面積約41.3 萬平方米（其中地下商業(yè)約9.2 萬平方米）。

項目基地范圍內(nèi)地下室連通（含基地內(nèi)市政道路下方），地下四層地下室，基礎埋設22.8m，塔樓及附屬裙房共同嵌固于同一地下室。項目包含多個塔樓及群房，其中超高層塔樓地上34 層，總高度150m，標準層平面約60×54m，主體結(jié)構(gòu)擬采用型鋼（鋼管）框架-砼核心筒結(jié)構(gòu)體系。

4.2 人工布置方案用時

以工作時長為5 年的中級工程師為樣本，在確定勘探孔深度和控制方案后布置項目的勘察方案，每個步驟實測用時為：

（1）布置勘察方案，為控制建筑輪廓，人工放置圖元（約120 分鐘）；

（2）人工檢查勘探孔間距（約20 分鐘）；

（3）選擇勘探孔，將其改為控制性孔（約30 分鐘）；

（4）繪制勘探孔剖面（約40 分鐘）；

（5）人工統(tǒng)計孔數(shù)、進尺（約20 分鐘）。

完成該項目，累計用時230 分鐘，共布置60.0～135.0m的取土孔50 只，布置60.0 ～90.0m 靜力觸探孔100 只，小螺紋鉆孔135 只。

4.3 利用勘察方案輔助設計系統(tǒng)

在使用勘察方案輔助設計系統(tǒng)后，4.2 節(jié)中每個步驟的處理方法和實測用時為：

第一步

該項目共計19 個地上擬建單體，下設4 層地下室。各單體及地下室形狀近矩形，可組合使用直線布孔和四邊形布孔命令，大致完成布孔，用時5 分鐘。刪除不需要的小螺紋鉆孔，并微調(diào)鉆孔，使其能更好地控制建筑，使用批量更改孔號命令，再使用批量更改孔深命令，用時10 分鐘。該步驟用時約15 分鐘。

第二步：人工檢查勘探孔間距

勘探孔間距由根據(jù)用戶輸入值而確定，并程序計算控制，無需人工復檢，用時0 分鐘。

第三步：選擇勘探孔，將其改為控制性孔

本工程單體較多，且擬建物輪廓及性質(zhì)差異較大，該步驟需人工完成，用時30 分鐘。

第四步：繪制勘探孔剖面

使用生成剖面命令，選中一定的勘探孔即可生成剖面，然后統(tǒng)一修改剖面序號，用時5 分鐘。

第五步：人工統(tǒng)計孔數(shù)、進尺

使用統(tǒng)計命令，即可獲取各類勘探孔及其孔深，用時1分鐘。

以上所有過程累計用時51 分鐘，為原用時的22%，以上5 個步驟中，除第3 步外，所有重復的過程由程序代替。完成的勘探點平面布置圖如圖1 所示。

圖1：勘探點平面布置圖

5 結(jié)論

針對布置巖土工程勘察方案設計的工作量大，重復性高，耗時長，出錯高等問題，基于AutoLISP 語言開發(fā)了高效的勘察方案輔助系統(tǒng)。針對勘察方案設計中最耗時的步驟開發(fā)出5 個主要功能，使得用戶選擇擬建物輪廓并輸入勘探孔間距后可以在極短的時間內(nèi)放置勘探孔，并且使得用戶可以批量增加、刪除、修改、查詢、統(tǒng)計勘探孔。根據(jù)實例演示可知，采用該輔助極大地提高了巖土工程勘察方案設計的效率，并減少人工失誤的概率，提高勘察方案的質(zhì)量。