地鐵限界CAD系統(tǒng)設(shè)計及關(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,是工程設(shè)計的重要內(nèi)容。文章在分析限界手工設(shè)計內(nèi)容方法的基礎(chǔ)上,提出了以AutoCAD為平臺進行地鐵限界CAD系統(tǒng)二次開發(fā)的設(shè)計思想和總體框架,并對其關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。
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,對地鐵造價有重要影響。確定一個既能保證車輛運行安全,又不增大隧道空間的經(jīng)濟、合理的斷面是限界設(shè)計的任務(wù)和目的。
計算機技術(shù)迅速發(fā)展,使地鐵設(shè)計工作已經(jīng)達到了100%計算機出圖,實現(xiàn)了“甩掉圖板”的目標。然而,充分發(fā)揮計算機輔助設(shè)計的優(yōu)勢,克服地鐵限界設(shè)計中的缺點,使地鐵限界設(shè)計實現(xiàn)真正的計算機輔助設(shè)計,提高限界設(shè)計的工作效率,保證設(shè)計質(zhì)量,開發(fā)實現(xiàn)一套集計算、設(shè)計、成圖一體化的地鐵限界設(shè)計CAD系統(tǒng),具有重要的現(xiàn)實意義。
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行狀態(tài)下的最大動態(tài)包絡(luò)線。所謂正常運行狀態(tài)是指一系懸掛和二系懸掛在正常彈性范圍內(nèi)、易損件磨耗不過限等。高架或地面線車輛限界易受風(fēng)荷載的影響,在計算時需要考慮,而這一點與隧道內(nèi)是不同的。
設(shè)備限界是車輛在運行途中一系懸掛或二系懸掛發(fā)生故障狀態(tài)時的動態(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
1)當(dāng)前限界設(shè)計流程。地鐵限界設(shè)計的一般入口是:根據(jù)線路設(shè)計的詳細資料,按照規(guī)范中的標準車型或者車輛供應(yīng)商提供的車輛限界,進行限界設(shè)計。所以設(shè)計部門和工務(wù)部門一般不用考慮車輛限界的計算,而是一開始就以車輛限界為起點,計算出隧道內(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)計算其它斷面處的設(shè)備限界,進而與各相關(guān)專業(yè)配合進行建筑限界設(shè)計,最后整理出圖。設(shè)計流程如圖1所示。
2)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)形式采用基于AutoCAD的內(nèi)嵌式二次開發(fā),使用VBA語言。操作系統(tǒng)平臺采用MicrosoftWindows2000/XP;基礎(chǔ)圖形系統(tǒng)平臺采用AutoCAD2004/2005;系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫平臺選用MicrosoftAccessXP/2003;編程工具采用VBA程序設(shè)計語言。
3)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)使用“項目”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“項目級”和“圖紙級”兩個級別。應(yīng)用本系統(tǒng)進行一次設(shè)計,只有一套項目級信息,每個項目對應(yīng)一個項目文件;而該項目中可以包含多個圖紙級文件,對應(yīng)多條數(shù)據(jù)庫記錄和相應(yīng)的.dwg圖形文件。
本系統(tǒng)中,“項目管理”和“車輛限界”子系統(tǒng)標和車輛限界控制點坐標,這些數(shù)據(jù)是《地鐵限界標準》中規(guī)定的默認值。默認數(shù)據(jù)庫中還包含3個空表,當(dāng)成為用戶數(shù)據(jù)庫后可用于記錄項目中的圖紙信息和對應(yīng)的設(shè)備限界、建筑限界數(shù)據(jù)。用戶新建項目后,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目文件。
用戶數(shù)據(jù)庫以項目文件的形式存在,在項目新建時其內(nèi)容與默認數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容是一致的。如果用戶對車輛限界等信息進行修改,用戶數(shù)據(jù)庫會隨之更新并用于后續(xù)的繪圖和設(shè)備限界等計算。用戶新建圖紙后,存儲圖紙信息、設(shè)備限界控制點坐標和建筑限界數(shù)據(jù)的表會相應(yīng)地增加記錄;刪除圖紙時,這些記錄亦被刪除。
在數(shù)據(jù)庫中包含如下6個二維表。
PrjInfo。項目信息表(項目名稱、設(shè)計時間、設(shè)計負責(zé)人等); 屬于項目級設(shè)計內(nèi)容,對應(yīng)有項目基本信息、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”屬于圖紙級設(shè)計內(nèi)容,對應(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;項目數(shù)據(jù)和圖紙數(shù)據(jù)都有報表生成功能。程序的運行和用戶的操作都應(yīng)遵循這個原則。根據(jù)以上內(nèi)容,系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。
(4)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計。系統(tǒng)屬于CAD二次開發(fā)軟件,主要功能是計算和繪圖,需要讀寫的數(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,數(shù)據(jù)庫訪問引擎采用比較成熟的DAO技術(shù)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫分為:默認數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)庫。
默認數(shù)據(jù)庫存與程序文件存放在一起,為DefaultA.mdb、DefaultB1.mdb和DefaultB2.mdb3個文件。從文件名可以看出,這3個文件是與車輛類型對應(yīng)的,默認數(shù)據(jù)庫記有某種車輛類型的車輛基本信息、車輛輪廓控制點坐VehiInfo。車輛信息表(車輛類型、車體長度、車輛定距、車體長度等);
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坐標);
DrawingsInfo。圖紙信息表(圖紙名稱、設(shè)計人、線路類型、曲線半徑等);
DrawingsEquip。圖紙設(shè)備限界表(包含設(shè)備限界的控制點坐標);
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是與項目對應(yīng)的,其記錄數(shù)不會發(fā)生改變;DrawingsInfo、DrawingsEquip、DrawingsStr是與圖紙對應(yīng)的,在用戶數(shù)據(jù)庫中會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)計過程,本系統(tǒng)的使用及運行流程如圖3所示。
3系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)
1)DVB工程啟動器[3]。本系統(tǒng)采用VBA開發(fā),VBA與VB存有差別,其差別之一是程序運行時無法得到自身DVB工程文件的運行路徑,會導(dǎo)致程序無法進行自我定位,不能在運行時訪問默認數(shù)據(jù)庫和預(yù)制的設(shè)備圖塊文件,因此程序在運行時需要通過某種外部途徑獲得自己的運行路徑。另外,啟動VBA程序的一般途徑是運行某個宏命令,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行程序的方法。綜合以上兩點,本系統(tǒng)通過一個.exe程序啟動。該程序主要功能是自動加載并運行本CAD系統(tǒng),并初始化配置文件,為VBA程序的運行作準備。入口程序如圖4所示。
該程序使用VisualBasic6.0開發(fā),用戶可以通過該程序的快捷方式或者直接雙擊該.exe文件運行工程啟動器。程序加載后,將列舉系統(tǒng)注冊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的CAD軟件中運行本系統(tǒng),可以點擊“其他”按鈕選擇程序文件。
用戶點擊“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語句運行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”以啟動系統(tǒng)。程序采用以下方式使工程自動運行。
PublicSubRunMacro()
SendKeys“{ESC}”,True
SendKeys“{ESC}”,True
SendKeys“-”,True
SendKeys“V”,True
SendKeys“B”,True
SendKeys“A”,True
SendKeys“R”,True
SendKeys“U”,True
SendKeys“N”,True
SendKeys“”,True
SendKeys“S”,True
SendKeys“T”,True
SendKeys“A”,True
SendKeys“R”,True
SendKeys“T”,True
SendKeys“P”,True
SendKeys“R”,True
SendKeys“O”,True
SendKeys“G”,True
SendKeys“R”,True
SendKeys“A”,True
SendKeys“M”,True
SendKeys“{ENTER}”,True
EndSub
加載工程前,啟動器程序?qū)⒆陨泶翱陔[藏,完成上述操作后,該程序自動退出。
2)圖形繪制技術(shù)[4,5]。本系統(tǒng)大部分的運算工作是通過各種算法計算各控制點坐標,將這些控制點按規(guī)則繪圖就形成各種限界圖形。系統(tǒng)結(jié)合AutoCAD的畫圖工具,實現(xiàn)了自動繪圖功能,以下是系統(tǒng)繪圖功能的相關(guān)技術(shù)。
要畫圖必須先確定畫圖的起點,可以讓程序把點移動到開始點,即設(shè)置當(dāng)前點,以下為設(shè)置當(dāng)前繪制起點函數(shù)MoveTo(ptCurrent為當(dāng)前點):
PublicFunctionMoveTo(ptNewAsPoint)
ptCurrent=ptNew
EndFunction
VBA里內(nèi)置了畫線段語句AddLine,確定了線段的起點和終點之后就可以連接這兩點畫線段。因為AutoCAD里點的定義方式是三維的(X,Y,Z),但斷面是二維的(X,Y),故要把每點的Z值設(shè)為0。以下是通過兩點繪制線段函數(shù)LinePoints(ptStart為起點,ptEnd為終點)。
PublicFunctionLinePoints(ptStartAsPoint,ptEndAsPoint)
DimpSAsPoint
DimpEAsPoint
pS=ptStart
pE=ptEnd
DimapStart(2)AsDouble
DimapEnd(2)AsDouble
apStart(0)=pS.X:apStart(1)=pS.Y:apStart(2)=0
apEnd(0)=pE.X:apEnd(1)=pE.Y:apEnd(2)=0
ThisDrawing.ModelSpace.AddLineapStart,apEndEndFunction
為了能連續(xù)地畫線,可以把前一線段的終點設(shè)為后一線段的起點,這樣可以提高畫線效率,并且不用重新設(shè)置線段的起點即設(shè)置當(dāng)前繪制起點函數(shù)MoveTo只在畫圖形的第一點及中間打斷的線段的第一點調(diào)用。以下為連續(xù)畫線段函數(shù)LineTo:
PublicFunctionLineTo(ptEndAsPoint)
LinePointsptCurrent,ptEnd
ptCurrent=ptEnd
EndFunction
為了方便標注及在AutoCAD繪圖窗口的觀察,限界圖紙上要把控制點突出表示。本系統(tǒng)選用在各控制點畫點并標注的方式顯示各控制點(用戶可以選擇點樣式)。VBA里內(nèi)置了畫點語句AddPoint,以下是畫點函數(shù)DrawPoint:
PublicFunctionDrawPoint(ptAsPoint)
DimapThis(2)AsDouble
apThis(0)=pt.X:apThis(1)=pt.Y:apThis(2)=0
ThisDrawing.ModelSpace.AddPoint(apThis)
EndFunction
某些時候限界坐標是左右對稱的,此時為了節(jié)省空間,系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫里只存儲了橫坐標為正值(即Y軸右邊的點),在繪圖時先把Y軸右邊點的橫坐標變成負值(有些點坐標已為負值,這些特殊點橫坐標不做變化),縱坐標值不變,這樣可以得到限界上的所有點,然后繪圖。以下為反轉(zhuǎn)(橫)坐標函數(shù)ReverseX:
PublicFunctionReverseX(ptAsPoint)AsPoint
DimptNewAsPoint
ptNew.X=-pt.X
ptNew.Y=pt.Y
ReverseX=ptNew
EndFunction
通過以上各繪圖函數(shù),再將各種規(guī)則寫入代碼,就可以實現(xiàn)自動繪圖功能。圖5為A型車地下圓形隧道區(qū)間的限界設(shè)計結(jié)果,圖中內(nèi)容全部自動生成(代碼略)。
4結(jié) 語
與現(xiàn)有的同類軟件相比,本系統(tǒng)大膽地將實現(xiàn)完整設(shè)計工作的計算和繪圖作為目標,著眼于與實際設(shè)計工作的配合,盡量達到輔助設(shè)計的目的。系統(tǒng)在AutoCAD環(huán)境下運行,相當(dāng)于給AutoCAD提供了一套強有力的專業(yè)工具,使計算和繪圖形成一體,同時給用戶提供了較大的活動空間,使用戶能夠在任何時候?qū)λL制的圖形進行編輯。本系統(tǒng)的建立能夠簡化地鐵限界設(shè)計工作,提高限界設(shè)計的效率和質(zhì)量,提高工程建設(shè)信息化管理的水平。
參考文獻
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3 MicrosoftCorporation.VisualBasic6.0中文版程序員指南,北京:北京希望電腦公司,1999.706～725
4 王鈺.用VBA開發(fā)AutoCAD2000應(yīng)用程序,北京:人民郵電出版社,1999.66～109
5 張帆,鄭立楷,王華杰.AutoCADVBA開發(fā)精彩實例教程.北京:清華大學(xué)出版社,2004.36～76
