地鐵限界cad系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

地鐵限界CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究摘要地鐵限界直接影響地鐵土建工程的規(guī)模及造價(jià),是工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。文章在分析限界手工設(shè)計(jì)內(nèi)容方法的基礎(chǔ)上,提出了以AutoCAD為平臺(tái)進(jìn)行地鐵限界CAD系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)思想和總體框架,并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞地鐵;限界;0引言地鐵限界不僅制約著地鐵車輛的外形尺寸,還直接影響到地鐵工程土建部分的投資規(guī)模,對(duì)地鐵造價(jià)有重要影響。確定一個(gè)既能保證車輛運(yùn)行安全,又不增大隧道空間的經(jīng)濟(jì)、合理的斷面是限界設(shè)計(jì)的任務(wù)和目的。計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展,使地鐵設(shè)計(jì)工作已經(jīng)達(dá)到了100%計(jì)算機(jī)出圖,實(shí)現(xiàn)了“甩掉圖板”的目標(biāo)。然而,充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì),克服地鐵限界設(shè)計(jì)中的缺點(diǎn),使地鐵限界設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)真正的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),提高限界設(shè)計(jì)的工作效率,保證設(shè)計(jì)質(zhì)量,開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)一套集計(jì)算、設(shè)計(jì)、成圖一體化的地鐵限界設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1地鐵限界的概念與規(guī)定[1,2]限界是保障地鐵安全運(yùn)行、限制車輛斷面尺寸、限制沿線設(shè)備安裝尺寸、確定建筑結(jié)構(gòu)有效尺寸的圖形。根據(jù)不同的功能要求,地鐵限界分為車輛限界、設(shè)備限界、建筑限界。車輛限界是指車輛在直線地段正常運(yùn)行狀態(tài)下的最大動(dòng)態(tài)包絡(luò)線。所謂正常運(yùn)行狀態(tài)是指一系懸掛和二系懸掛在正常彈性范圍內(nèi)、易損件磨耗不過(guò)限等。高架或地面線車輛限界易受風(fēng)荷載的影響,在計(jì)算時(shí)需要考慮,而這一點(diǎn)與隧道內(nèi)是不同的。設(shè)備限界是車輛在運(yùn)行途中一系懸掛或二系懸掛發(fā)生故障狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線,用以限制安裝設(shè)備不得侵入的一條控制線。建筑限界是在設(shè)備限界基礎(chǔ)上,考慮了設(shè)備和管線安裝尺寸后的最小有效斷面。建筑限界中不包括測(cè)量誤差、施工誤差、結(jié)構(gòu)沉降、位移變形等因素。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)當(dāng)前限界設(shè)計(jì)流程。地鐵限界設(shè)計(jì)的一般入口是:根據(jù)線路設(shè)計(jì)的詳細(xì)資料,按照規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)車型或者車輛供應(yīng)商提供的車輛限界,進(jìn)行限界設(shè)計(jì)。所以設(shè)計(jì)部門和工務(wù)部門一般不用考慮車輛限界的計(jì)算,而是一開(kāi)始就以車輛限界為起點(diǎn),計(jì)算出隧道內(nèi)(地下線)和高架線(地面線)直線地段的設(shè)備限界,再以此設(shè)備限界為基礎(chǔ)計(jì)算其它斷面處的設(shè)備限界,進(jìn)而與各相關(guān)專業(yè)配合進(jìn)行建筑限界設(shè)計(jì),最后整理出圖。設(shè)計(jì)流程如圖1所示。2)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)形式采用基于AutoCAD的內(nèi)嵌式二次開(kāi)發(fā),使用VBA語(yǔ)言。操作系統(tǒng)平臺(tái)采用MicrosoftWindows2000/XP;基礎(chǔ)圖形系統(tǒng)平臺(tái)采用AutoCAD2004/2005;系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)選用MicrosoftAccessXP/2003;編程工具采用VBA程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。3)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)使用“項(xiàng)目”和“圖紙”的概念。參照MicrosoftVisualStudio管理工程的方法,我們亦將系統(tǒng)變量及參數(shù)分成“項(xiàng)目級(jí)”和“圖紙級(jí)”兩個(gè)級(jí)別。應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行一次設(shè)計(jì),只有一套項(xiàng)目級(jí)信息,每個(gè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)項(xiàng)目文件;而該項(xiàng)目中可以包含多個(gè)圖紙級(jí)文件,對(duì)應(yīng)多條數(shù)據(jù)庫(kù)記錄和相應(yīng)的.dwg圖形文件。本系統(tǒng)中,“項(xiàng)目管理”和“車輛限界”子系統(tǒng)標(biāo)和車輛限界控制點(diǎn)坐標(biāo),這些數(shù)據(jù)是《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的默認(rèn)值。默認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中還包含3個(gè)空表,當(dāng)成為用戶數(shù)據(jù)庫(kù)后可用于記錄項(xiàng)目中的圖紙信息和對(duì)應(yīng)的設(shè)備限界、建筑限界數(shù)據(jù)。用戶新建項(xiàng)目后,程序根據(jù)車輛類型將相應(yīng)的.mdb文件復(fù)制到用戶指定的路徑并重命名為項(xiàng)目文件。用戶數(shù)據(jù)庫(kù)以項(xiàng)目文件的形式存在,在項(xiàng)目新建時(shí)其內(nèi)容與默認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容是一致的。如果用戶對(duì)車輛限界等信息進(jìn)行修改,用戶數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)隨之更新并用于后續(xù)的繪圖和設(shè)備限界等計(jì)算。用戶新建圖紙后,存儲(chǔ)圖紙信息、設(shè)備限界控制點(diǎn)坐標(biāo)和建筑限界數(shù)據(jù)的表會(huì)相應(yīng)地增加記錄;刪除圖紙時(shí),這些記錄亦被刪除。在數(shù)據(jù)庫(kù)中包含如下6個(gè)二維表。PrjInfo。項(xiàng)目信息表(項(xiàng)目名稱、設(shè)計(jì)時(shí)間、設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人等);屬于項(xiàng)目級(jí)設(shè)計(jì)內(nèi)容,對(duì)應(yīng)有項(xiàng)目基本信息、車輛基本信息、車輛輪廓、車輛限界等;“設(shè)備限界”和“建筑限界”屬于圖紙級(jí)設(shè)計(jì)內(nèi)容,對(duì)應(yīng)有圖紙信息、軌道線路參數(shù)、設(shè)備限界、建筑限界、設(shè)備布置等;項(xiàng)目數(shù)據(jù)和圖紙數(shù)據(jù)都有報(bào)表生成功能。程序的運(yùn)行和用戶的操作都應(yīng)遵循這個(gè)原則。根據(jù)以上內(nèi)容,系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。(4)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)屬于CAD二次開(kāi)發(fā)軟件,主要功能是計(jì)算和繪圖,需要讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)量較小。考慮到與VBA的兼容性,本系統(tǒng)采用MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)引擎采用比較成熟的DAO技術(shù)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)分為:默認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶數(shù)據(jù)庫(kù)。默認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)存與程序文件存放在一起,為DefaultA.mdb、DefaultB1.mdb和DefaultB2.mdb3個(gè)文件。從文件名可以看出,這3個(gè)文件是與車輛類型對(duì)應(yīng)的,默認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)記有某種車輛類型的車輛基本信息、車輛輪廓控制點(diǎn)坐VehiInfo。車輛信息表(車輛類型、車體長(zhǎng)度、車輛定距、車體長(zhǎng)度等);Points。車輛輪廓及車輛限界表(包含車輛輪廓及車輛限界的控制點(diǎn)坐標(biāo));DrawingsInfo。圖紙信息表(圖紙名稱、設(shè)計(jì)人、線路類型、曲線半徑等);DrawingsEquip。圖紙?jiān)O(shè)備限界表(包含設(shè)備限界的控制點(diǎn)坐標(biāo));DrawingsStr。圖紙建筑限界表(包含建筑限界相關(guān)數(shù)據(jù))。其中PrjInfo、VehiInfo、Points是與項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的,其記錄數(shù)不會(huì)發(fā)生改變;DrawingsInfo、DrawingsEquip、DrawingsStr是與圖紙對(duì)應(yīng)的,在用戶數(shù)據(jù)庫(kù)中會(huì)隨著圖紙的添加與刪除而增減。5)系統(tǒng)使用流程。參考限界手工設(shè)計(jì)過(guò)程,本系統(tǒng)的使用及運(yùn)行流程如圖3所示。3系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)1)DVB工程啟動(dòng)器[3]。本系統(tǒng)采用VBA開(kāi)發(fā),VBA與VB存有差別,其差別之一是程序運(yùn)行時(shí)無(wú)法得到自身DVB工程文件的運(yùn)行路徑,會(huì)導(dǎo)致程序無(wú)法進(jìn)行自我定位,不能在運(yùn)行時(shí)訪問(wèn)默認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)和預(yù)制的設(shè)備圖塊文件,因此程序在運(yùn)行時(shí)需要通過(guò)某種外部途徑獲得自己的運(yùn)行路徑。另外,啟動(dòng)VBA程序的一般途徑是運(yùn)行某個(gè)宏命令,而從用戶角度考慮的話,這是及其不方便的,需要采用某種用戶熟悉的運(yùn)行程序的方法。綜合以上兩點(diǎn),本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè).exe程序啟動(dòng)。該程序主要功能是自動(dòng)加載并運(yùn)行本CAD系統(tǒng),并初始化配置文件,為VBA程序的運(yùn)行作準(zhǔn)備。入口程序如圖4所示。該程序使用VisualBasic6.0開(kāi)發(fā),用戶可以通過(guò)該程序的快捷方式或者直接雙擊該.exe文件運(yùn)行工程啟動(dòng)器。程序加載后,將列舉系統(tǒng)注冊(cè)表中所記錄的已安裝的AutoCAD程序的路徑,如果用戶要從其他未注冊(cè)的CAD軟件中運(yùn)行本系統(tǒng),可以點(diǎn)擊“其他”按鈕選擇程序文件。用戶點(diǎn)擊“確定”按鈕后,程序?qū)⑸蒀:\Gauges.tmp文件,該文件的典型內(nèi)容如下:[Operation]DVBPath=C:\ProgramFiles\MetroGauges\隨后程序使用Shell語(yǔ)句運(yùn)行AutoCAD軟件并加載Gauges.dvb工程文件。如果用戶選擇了“加載后執(zhí)行VBA程序”,當(dāng)AutoCAD軟件運(yùn)行并加載Gauges.dvb后,程序向AutoCAD主窗口發(fā)送鍵盤消息“-vabrunStartProgram”以啟動(dòng)系統(tǒng)。程序采用以下方式使工程自動(dòng)運(yùn)行。PublicSubRunMacro()SendKeys“{ESC}”,TrueSendKeys“{ESC}”,TrueSendKeys“-”,TrueSendKeys“V”,TrueSendKeys“B”,TrueSendKeys“A”,TrueSendKeys“R”,TrueSendKeys“U”,TrueSendKeys“N”,TrueSendKeys“”,TrueSendKeys“S”,TrueSendKeys“T”,TrueSendKeys“A”,TrueSendKeys“R”,TrueSendKeys“T”,TrueSendKeys“P”,TrueSendKeys“R”,TrueSendKeys“O”,TrueSendKeys“G”,TrueSendKeys“R”,TrueSendKeys“A”,TrueSendKeys“M”,TrueSendKeys“{ENTER}”,TrueEndSub加載工程前,啟動(dòng)器程序?qū)⒆陨泶翱陔[藏,完成上述操作后,該程序自動(dòng)退出。2)圖形繪制技術(shù)[4,5]。本系統(tǒng)大部分的運(yùn)算工作是通過(guò)各種算法計(jì)算各控制點(diǎn)坐標(biāo),將這些控制點(diǎn)按規(guī)則繪圖就形成各種限界圖形。系統(tǒng)結(jié)合AutoCAD的畫(huà)圖工具,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)繪圖功能,以下是系統(tǒng)繪圖功能的相關(guān)技術(shù)。要畫(huà)圖必須先確定畫(huà)圖的起點(diǎn),可以讓程序把點(diǎn)移動(dòng)到開(kāi)始點(diǎn),即設(shè)置當(dāng)前點(diǎn),以下為設(shè)置當(dāng)前繪制起點(diǎn)函數(shù)MoveTo(ptCurrent為當(dāng)前點(diǎn)):PublicFunctionMoveTo(ptNewAsPoint)ptCurrent=ptNewEndFunctionVBA里內(nèi)置了畫(huà)線段語(yǔ)句AddLine,確定了線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)之后就可以連接這兩點(diǎn)畫(huà)線段。因?yàn)锳utoCAD里點(diǎn)的定義方式是三維的(X,Y,Z),但斷面是二維的(X,Y),故要把每點(diǎn)的Z值設(shè)為0。以下是通過(guò)兩點(diǎn)繪制線段函數(shù)LinePoints(ptStart為起點(diǎn),ptEnd為終點(diǎn))。PublicFunctionLinePoints(ptStartAsPoint,ptEndAsPoint)DimpSAsPointDimpEAsPointpS=ptStartpE=ptEndDimapStart(2)AsDoubleDimapEnd(2)AsDoubleapStart(0)=pS.X:apStart(1)=pS.Y:apStart(2)=0apEnd(0)=pE.X:apEnd(1)=pE.Y:apEnd(2)=0ThisDrawing.ModelSpace.AddLineapStart,apEndEndFunction為了能連續(xù)地畫(huà)線,可以把前一線段的終點(diǎn)設(shè)為后一線段的起點(diǎn),這樣可以提高畫(huà)線效率,并且不用重新設(shè)置線段的起點(diǎn)即設(shè)置當(dāng)前繪制起點(diǎn)函數(shù)MoveTo只在畫(huà)圖形的第一點(diǎn)及中間打斷的線段的第一點(diǎn)調(diào)用。以下為連續(xù)畫(huà)線段函數(shù)LineTo:PublicFunctionLineTo(ptEndAsPoint)LinePointsptCurrent,ptEndptCurrent=ptEndEndFunction為了方便標(biāo)注及在AutoCAD繪圖窗口的觀察,限界圖紙上要把控制點(diǎn)突出表示。本系統(tǒng)選用在各控制點(diǎn)畫(huà)點(diǎn)并標(biāo)注的方式顯示各控制點(diǎn)(用戶可以選擇點(diǎn)樣式)。VBA里內(nèi)置了畫(huà)點(diǎn)語(yǔ)句AddPoint,以下是畫(huà)點(diǎn)函數(shù)DrawPoint:PublicFunctionDrawPoint(ptAsPoint)DimapThis(2)AsDoubleapThis(0)=pt.X:apThis(1)=pt.Y:apThis(2)=0ThisDrawing.ModelSpace.AddPoint(apThis)EndFunction某些時(shí)候限界坐標(biāo)是左右對(duì)稱的,此時(shí)為了節(jié)省空間,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)里只存儲(chǔ)了橫坐標(biāo)為正值(即Y軸右邊的點(diǎn)),在繪圖時(shí)先把Y軸右邊點(diǎn)的橫坐標(biāo)變成負(fù)值(有些點(diǎn)坐標(biāo)已為負(fù)值,這些特殊點(diǎn)橫坐標(biāo)不做變化),縱坐標(biāo)值不變,這樣可以得到限界上的所有點(diǎn),然后繪圖。以下為反轉(zhuǎn)(橫)坐標(biāo)函數(shù)ReverseX:PublicFunctionReverseX(ptAsPoint)AsPointDimptNewAsPointptNew.X=-pt.XptNew.Y=pt.YReverseX=ptNewEndFunction通過(guò)以上各繪圖函數(shù),再將各種規(guī)則寫(xiě)入代碼,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪圖功能。圖5為A型車地下圓形隧道區(qū)間的限界設(shè)計(jì)結(jié)果,圖中內(nèi)容全部自動(dòng)生成(代碼略)。4結(jié)語(yǔ)與現(xiàn)有的同類軟件相比,本系統(tǒng)大膽地將實(shí)現(xiàn)完整設(shè)計(jì)工作的計(jì)算和繪圖作為目標(biāo),著眼于與實(shí)際設(shè)計(jì)工作的配合,盡量達(dá)到輔助設(shè)計(jì)的目的。系統(tǒng)在AutoCAD環(huán)境下運(yùn)行,相當(dāng)于給AutoCAD提供了一套強(qiáng)有力的專業(yè)工具,使計(jì)算和繪圖形成一體,同時(shí)給用戶提供了較大的活動(dòng)空間,使用戶能夠在任何時(shí)候?qū)λL制的圖形進(jìn)行編輯。本系統(tǒng)的建立能夠簡(jiǎn)化地鐵限界設(shè)計(jì)工作,提高限界設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量,提高工程建設(shè)信息化管理的水平。參考文獻(xiàn)1中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范GB50157-200