基于ObjectARX的地铁盾构区间平面及纵断面快速出图方法研究

侯高鹏， 张海涛， 周 坤, 4， 冷 彪

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031； 2. 西南交通大学 隧道交通工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031； 3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430063；4. 水下隧道技术国家地方联合工程研究中心, 湖北 武汉 430063)

0 引言

城市轨道交通区间隧道主要采用盾构法施工，盾构隧道线路平面图及纵断面图是盾构隧道线路设计的核心，涉及线路线形，不允许出现任何差错漏碰。盾构区间平面图及纵断面图本身绘制难度一般，但细节较多、绘制过程繁琐且包含大量重复性工作，耗时较长，严重影响设计人员的工作效率，且一旦出错可能导致线路线形问题，影响重大。由于叠加方案调整、多阶段出图等因素，平纵断面设计耗时费力。为提高绘图效率，减少人工耗时，避免图纸差错漏碰，提高制图标准化水平成为盾构隧道线路设计的迫切需求。

在软件应用方面，盾构区间平面图及纵断面图的设计目前仍以AutoCAD为主[1-4]。AutoCAD二次开发可以用于解决盾构区间平面图及纵断面图设计中遇到的一系列问题，其主要目的在于实现参数化、标准化绘图。因此，实现既有数据的快速读取和转化对提高绘图效率、消除绘制漏碰具有重要意义。

目前，应用于地铁盾构区间设计的专业辅助绘图软件还较为少见，但针对隧道领域的CAD二次开发国内已有一些研究。张汉瑞等[3]利用ObjectARX技术，实现了隧道设计断面和实测断面图的绘制以及超欠挖工程量计算和相关的统计功能，但功能较为基础。李妍[5]对地铁线路纵断面计算机辅助设计进行了深入研究，开发了纵断面辅助设计系统(MRPCAD)，实现了坡线设计、编辑、结构线生成及查询变坡点、竖曲线相关信息等功能，对国内地铁纵断面参数化设计做出了探索和拓展。张云鹏[6]基于AutoCAD二次开发对原始测量数据进行处理，实现了隧道断面尺寸图的自动绘制及轨道左右轨面的自动标记，但功能较为简单。张兆杰等[7]运用面向对象的程序设计方法和ADO数据库技术，研发了公路隧道辅助设计系统，实现了建筑限界、内轮廓、衬砌结构及路面设计等参数化设计功能。曾红兵[8]基于ObjectARX开发油气管道盾构隧道参数化设计系统，详细说明使用ObjectARX进行CAD二次开发的数据结构，实现了简单的隧道纵断面图参数化绘制。程韬[9]基于ObjectARX开发了输气管道隧道参数化设计系统，阐明了对AutoCAD图形数据库的访问和修改以及在AutoCAD中创建实体等关键问题的具体操作方法，对开发隧道CAD软件有一定参考价值。目前国内研究现状中针对地铁设计的CAD二次开发研究大多集中在参数化绘制和结构设计计算方面，对于地铁盾构区间平面及纵断面图的绘制、修改，尤其是按照相关规范最终成图的相关研究还较少。

本文提出一种基于ObjectARX的地铁盾构区间平面及纵断面快速出图方法，以Visual Studio 2015为开发工具，使用C#语言进行代码编写，研究一种功能完整、操作便捷的快速标准化辅助绘图应用程序，能够满足地铁盾构区间平纵断面图设计所需的自动标注和修改、快速成图等功能，以期实现快速、标准化、自动化的地铁盾构区间线路平面及纵断面设计。

1 设计流程

地铁盾构区间平面图、纵断面图的辅助设计是基于已有的由线路、地质专业人员提供的平面和纵断面设计图基础资料。首先，考虑平面图和纵断面图共性基础数据的录入，例如： 区间起终点里程、起终点车站名称、联络通道中心线里程、联络通道宽度等，在此基础上，进入平面图或纵断面图处理模块进行后续处理。基本处理流程如图1所示。

图1 软件处理流程

2 平面图处理

2.1 线路中线定位

平面矢量图形处理中，最关键的是对既有线路中线进行定位，即建立中心位置坐标与里程的对应关系，线路边线、起终点及联络通道等关键信息都以此为基准。对线路中线的处理包括： 1)将初始的、由多段不同几何性质的曲线所组成的地铁线路的左、右线线路中线分别合并为2条完整的曲线，即将由多个图元构成的单条线路中线合并为1个图元对象，图元类别为ObjectARX中的Polyline图元，以便于后续处理； 2)点选当前区间左、右线起终点车站有效站台中心位置，结合中心位置里程，建立设计图中左、右线线路中线当前区间各点里程的对应关系。地铁盾构区间线路与站台如图2所示。

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设左线线路中线为L左，在ObjectARX中L左的对象类型为Polyline，通过定位获得的L左上区间起终点车站有效站台中心里程分别为k1、k2，坐标分别为p1、p2。根据两端点沿L左距p1的距离大小设置起终点，即端点距p1距离小者为起点，反之为终点。通过GetDistAtPoint方法获得p1、p2距起始点的长度l1、l2，则设k1、k2间任意里程k处距起始点的长度

l=l1+(k-k1)/(k2-k1)×(l2-l1)。

(1)

则里程k处的坐标p可根据Polyline的GetPointAtDist方法获得。同理，可获得右线线路中线区间内任意一里程点的坐标。

盾构区间内可能存在线路长短链，需要对存在长短链的区间里程进行修正： 设点P位于2处长短链C1、C2之间(沿小里程至大里程方向依次为C1、P、C2)，C1、C2对应的前里程和后里程分别为MC1前、MC1后、MC2前、MC2后。通过GetDistAtPoint方法获得点P、C1、C2距起始点的长度分别为lP、lC1、lC2。则修正后的P点里程

(2)

2.2 平面图绘制

平面图绘制主要包括生成区间线路中线及隧道边线、区间左右线起止点以及里程标注、隧道边线标注、联络通道绘制及标注、线路中线标注、盾构掘进方向标注等。

2.2.1 自动绘图及标注

平面图自动绘制包括绘制隧道边线及联络通道，自动标注内容包括起终点、线路中线、隧道边线、盾构掘进方向及联络通道信息。

2.2.1.1 自动绘制隧道边线

输入盾构区间横断面直径后，根据已获得的线路中线Polyline对象，调用GetOffsetCurves方法，即可生成线路边线。根据区间起终点里程，自动生成垂直于线路中线的辅助直线对区间隧道边线进行截断处理，即完成边线绘制。

2.2.1.2 自动绘制联络通道

根据已知联络通道在左、右线的里程k左、k右，获得左、右线路中线上对应的点坐标p左、p右(如图3所示)，调用Polyline对象的GetOffsetCurves方法可获得左、右线路中线的坐标位置。过2坐标点自动生成辅助直线Line对象，根据联络通道宽度d将辅助直线向两侧分别平移d/2生成联络通道边线Line对象，通过区间2边线Polyline对象的IntersectWith方法与联络通道边线Line对象求交点后，可分别截断面Polyline和Line对象，自动删除多余截断线即可。

图3 联络通道绘制

2.2.1.3 文字标注

文字标注类型分为固定标注和动态标注。固定标注用于自动对区间起终点、联络通道等已知位置进行标注(如图4所示)，标注信息格式、位置固定，无需用户进行交互操作即可对区间内所有重要控制点进行自动标注。动态标注则由用户选择标注位置，自动在选择位置进行指定样式的标注，例如： 隧道掘进方向、隧道中线及边线标注(如图5所示)。

固定标注和动态标注原理基本相同，即根据已确定的标注点计算标注线及标注内容的位置。以隧道边线动态标注为例进行说明，基本步骤如下：

1)当用户选择“隧道边线”标注功能后，光标在线路左线附近点选待标注的大概位置P标注(见图6)，系统将根据用户点选位置与2隧道中线的距离远近自动判断标注对象为左线L左或右线L右。

图4 区间起点里程固定标注

图5 隧道边线动态标注

图6 自动标注示意图

2.2.2 平面图出图

平面图绘制完成后，需要适配给定的制式图框，并根据用户的出图比例在布局空间中快速成图。出图时，制式标准图框根据需要在横向进行自动拉伸，直至图框能完全包含区间线路显示区域；若待显示区域线路曲率较大，不能在一个制式标准图框中完整显示时，则自动平均切分成多个线路区段，分别在不同的标准制式图框中显示，用户也可根据线路具体情况，手动设置切分后的图框数量。经测试，切分功能完全能够满足各种特殊地铁盾构区间的成图需要。具体过程如下：

1)在布局空间中，设置标准图框中用于显示区间设计图的视口区域；分别以区间左、右线起、终点位置连线的中点为区间起点、区间终点(如图7所示)，将视口矩形框旋转使其上下边线与区间起、终点连线平行；将区间左、右线中点里程位置连线的中点作为视口显示的中心位置，将矩形框平移使其中点与区间中点里程位置重合。

图7 原始线路姿态(旋转前)

2)将区间最外侧线路边线向外平移距离d，通过IntersectWith方法，判断平移后的隧道边线分别与平移旋转后的矩形框上下边线是否有交点。若有交点，表明图框无法完整显示区间，则自动对区间按里程长度进行2等分分割，并在分割处设置搭接。搭接长度为固定值l搭接，l搭接是由调研大量成图惯例并测试成图效果后得出的。按相同方法对各分割线路区段进行分析，若仍不满足要求，则将等分数加1再进行分割处理，直至当前分割后形成的各线路区段中平移形成的隧道边线与平移旋转后的矩形框上下边线均无交点，此时表明当前分割结果能够完整显示在视口(Viewport)中。

3)根据区段分割的区段数量，在布局空间中将标准图框自动复制n-1份。对各标准图框中的视口，计算出对应模型空间待显示线路区段与水平方向的夹角，将其值赋给视口的TwistAngle属性，将区段中点坐标赋值给ViewCenter属性。

3 纵断面图处理

纵断面图成图过程相对平面图更加复杂，对于原始纵断面图，需要对比例尺、区间断面图区域、线路要素表头和线路要素进行缩放及定位等处理，同时增加指定盾构区间的标注功能。

3.1 缩放

由于出图要求的x、y方向比例与原始图纸往往不同，需要对原始纵断面图纸的x、y方向进行不同比例缩放以达到出图要求。其处理方法为： 1)根据用户输入的原始图纸及出图要求的x、y方向比例分别计算出缩放系数。2)获得待缩放区域内的所有实体(Entity)，生成新的块表记录并加入块表中。3)针对新块表中加入的块(即为须进行缩放处理的对象)，建立新块表的BlockReference对象，通过该对象的ScaleFactors属性设置x、y方向的缩放比例。4)缩放完成后，炸开块，对产生畸变的文字调整其Width、Height等属性，使文字显示比例正常。

3.2 里程、高程定位

在初始化模块中读入的区间起终点车站里程等基础数据，经过软件内置的数据校核功能检验无误后分配至纵断面处理模块，然后通过纵断面高程、里程定位建立区间里程数据与图纸中图元的对应关系。

1)高程定位(垂直方向)。高程定位以标尺为基准进行设置。用户点选标尺上的高程读数点H0(x0,y0,z0)，并输入其对应的高程h0，又由3.1节中已知图纸y方向缩放比例为Sy，则可通过式(3)计算图上任一点Hn(xn,yn,zn)的对应高程hn。

hn=h0+(yn-y0)/Sy。

(3)

2)里程定位(水平方向)。由用户点任意2处已知里程的标志点P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2, 选图中z2)，其对应里程分别为m1、m2，则纵断面图中里程为mn的点Pn，可通过式(4)计算其在图上的对应水平坐标xn。

(4)

3.3 文字标注

快速文字标注是提高出图效率的关键步骤之一，标注内容主要包括区间起终点里程、起终点车站、隧道边线、轨面线、联络通道、变坡点及轨面标高。以变坡点及轨面标高自动标注为例，标注变坡点及轨面标高时要求对区间范围内轨面线上所有变坡点及对应轨面点进行高程标注。标注时，首先查找当前区间里程范围内的所有变坡点；找到变坡点后计算变坡点高程，同时计算过变坡点竖向直线与轨面线的交点，计算出交点高程，如图8所示；然后,在曲线要素区域对应位置同时标注出变坡点高程和轨面高程。

图8 变坡点

3.4 线路要素处理

标准出图时，制式标准图框中显示的线路要素和表头区域高度与实际待处理纵断面图的线路要素和表头区域高度并不一致，需要进行竖向缩放处理，即根据用户框选的表头和线路要素所有实体(Entity)生成新的块表，记录后对块进行竖向缩放并对块中文字进行处理，处理方法同3.1节。

3.5 多视口成图

纵断面原始图纸一般包含连续的多个区间，而单个制式标准图框出图结果只包含一个盾构区间。在布局空间的标准出图中，标尺、纵断面主视图、表头、线路要素显示区域的相对位置与模型空间中不同，需要将模型空间中的相应内容分别显示到同一个制式标准图框中的对应视口中(见图9)。同时，制式标准图框及相应视口随盾构区间里程长度沿水平方向伸长或缩短，以刚好显示指定盾构区间。

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具体过程为： 1)确定制式标准图框类型，在模型空间中分别选择标尺、纵断面主视图、表头、线路要素显示区域，对各显示区域进行定位和缩放，以适应图框类型； 2)提供相应功能对指定图层快速增加或快速统一修改图元，以满足出图内容和格式要求； 3)加载制式标准图框，框选出图框中用于显示模型空间图元的区域； 4)计算盾构区间纵断面显示长度(水平方向)，当区间显示长度大于或小于图框中纵断面主视图显示区域的长度时，对图框自动进行横向拉伸或收缩以适配区间长度； 5)在标准图框中自动创建4个视口，分别用于显示模型空间中的标尺、盾构区间纵断面、表头、线路要素显示区域； 6)设置各视口中的视图位置，使视口显示对应区域内容，完成成图操作。

4 应用实例

苏州地铁4号线苏北区间(苏州火车站站—北寺塔站)采用盾构法施工，盾构直径6.2 m。区间左线起点里程为左DK9+388.703，终点里程为左DK10+730.950；右线起点里程为右DK9+328.703，终点里程为右DK10+854.870。左线盾构掘进方向为小里程到大里程，右线盾构掘进方向为大里程到小里程。区间内包含2处联络通道，其中一处带泵房，在左右线上的里程分别为左DK9+767.942、右DK9+770.000； 另一处在左右线上的里程分别为左DK10+303.848、右DK10+320.000。要求根据原有平面图、纵断面图生成标准A2框图。

4.1 平面图出图

苏北区间原始平面图如图10所示。其中仅有线路中线，缺少隧道边线、联络通道边线、起终点位置标注、中线和边线标注以及掘进方向标注等。

经过生成线路边线、自动标注、创建A2图框、插入视口等处理后，自动生成2幅标准设计图，如图11所示。其中，图11(c)局部放大图中显示了自动生成的隧道边线、线路中线和边线、掘进方向、终点位置的自动标注结果。

(a) 平面图

4.2 纵断面图出图

图12为包含苏北区间的地铁线路右线纵断面图的原始图。其水平及垂直比例、线路要素区域高度不满足出图要求，需要增加区间起终点里程、起终点车站、隧道边线、轨面线、联络通道、变坡点及轨面标高等标注。

经过断面图比例调整、线路要素比例调整、生成区间隧道边线、自动标注区间隧道等操作后，定位标尺、区间纵断面、线路要素、表头等区域； 然后在布局空间中创建标准图框，在图框中选择待插入视口区域范围后，系统自动计算分配各视口范围，当盾构区间纵断面显示区域视口范围的水平长度小于或大于实际长度时，将自动缩放制式标准图框。最终生成的纵断面图如图13所示。

4.3 效果分析

经测试，使用传统的人工绘图方法进行设计出图，平面图一般需50 min以上，纵断面图则需120 min以上，且绘制过程中易出现漏误，影响后续区间设计。经设计单位人员测试，使用本软件对插件的平面及纵断面图进行自动绘图和标注、快速成图等操作，平面图绘制时间缩短至10 min以内，纵断面图绘制时间缩短至15 min以内,且纵断面绘图比例可调节、线路要素生成方便。平面及纵断面快速成图方法大大简化了绘制工作量，避免了差错漏碰，成图效果统一美观，最终成图与人工制图在形式上并无差异，图纸复核及修订与人工制图方法相同。

(a) 标准图1

看原图，扫文末二维码。

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由于重新出图工作量小、耗时短，如需修改设计参数调整图纸，软件可根据修改的任意参数便捷地完成重新出图。

5 结论与讨论

本文对地铁盾构区间平面及纵断面图快速出图方法进行了研究,结论如下。

1)从地铁盾构区间设计需求的实际出发，分析了区间平面及纵断面图的设计步骤，对基于ObjectARX的AutoCAD二次开发进行了研究，提出了地铁盾构区间平面及纵断面图的自动绘制及标注、快速成图方法。

2)针对平面及纵断面图研发出快速出图功能，平面图可自动根据平面线形或指定出图数量，在布局空间生成一张或多张图纸。纵断面图采用自动多视口成图方法，有效避免了对纵断面图中原始连续多个区间的切分操作，实现了根据单个区间长度自适应成图的功能，为满足复杂、精细的出图需求提供了有力支持。软件成果表明： 灵活的自动标注功能可显著提升制图、成图效率，节约人工成本；结合视口旋转、切分的自动成图方法可以有效解决特殊线路区间的出图、成图困难问题。

3)软件应用效果良好，经设计人员测试，平面图出图效率提高5倍以上，纵断面图出图效率提高10倍以上，且制图漏误率低于5%，成图标准化程度极高，能极大降低人工工时，节约人工成本。

软件部分功能可用于矿山法和明挖法隧道，下一阶段可扩展至对矿山法和明挖法隧道、隧道红线及与周边建构筑物关系等自动成图，以进一步提高软件的适用性。