涵洞CAD系统必须实现的功能

涵洞CAD系统必须实现的功能

作者： racky

                                                    前言
       在公路设计中，涵洞设计占有较大的工作量，随着公路沿线的地形、地质、水文及农田水利等情况的变化，涵洞设计除考虑排水外，还需满足防洪排泄、农田灌溉、行人通行、车辆通行等多重功能要求。在实际工作中，涵洞设计一般是参照涵洞设计手册和涵洞标准图进行，但由于上述诸多因素的影响，使得在涵洞设计时，虽然有相应的标准图可以套用，但人工修改、涵洞设计图绘制以及工程量的计算工作量仍然很大，从而导致设计效率低下、设计周期长和设计质量难以得到保证。采用计算机进行公路涵洞的辅助设计，能有效地避免人工设计的种种弊端，其高效的计算和绘图能力可使设计者真正摆脱繁琐的、大量的重复性工作，集中精力于方案设计和决策，是从根本上提高设计质量、提高设计效率的有效手段。
      从目前国内现状来看，涵洞设计软件尚有很大的完善和发展空间，如洞口设置功能不完善，图形表现上平凑痕迹明显，设计阶段与出图阶段不分（设计阶段可用三维技术表现涵洞）等。此外，作为道路工程组成部分的涵洞，其设计系统与道路CAD系统的联系应是必不可少的，数据共享，数据交换等功能是一个完善的涵洞设计系统必须考虑的，虽说有的涵洞CAD系统与相关道路CAD系统实现了无缝连接，有的提供了接口函数共开发者二次开发使用，但国内的大部分涵洞CAD软件在这一方面有待提高。因此，开发一个完善的涵洞设计系统是可以成功的。
       公路涵洞设计一般有设计流量计算、涵洞孔径计算、涵洞结构计算、涵洞工程量计算以及涵洞设计图的绘制等内容。由于涵洞是公路中最常见的排水构造物，它的结构布置配筋等内容已很成熟，涵洞结构一般可以参照标准图进行设计。涵洞设计在套用标准图的基础上，一般需根据外业桥涵勘测、水文调查资料、路基填土高度、路基形态及地形、地质情况等资料，选定涵洞类型，并根据孔径（或跨径、净高）、出入洞口的形式等设计参数，然后进行涵洞布置图的绘制、工程量的计算以及必要时的结构力学验算和钢筋图的绘制，从而完成涵洞的设计工作。
                                      必须实现的功能
      由于目前人工进行涵洞设计与绘图大多是参照相应的标准图进行，涵洞作为路基排水的重要构造物，其构造形状及尺寸与涵洞所在桩号处的路基形状、填土高度、地形、地质、水文以及涵洞的使用要求等因素密切相关。由于涵洞与路线的相互位置关系多变（如涵洞轴线与路中线的夹角、涵底标高、涵顶填土高度等因素的任意变化），洞口形式各异，涵洞结构尽管较为简单，但其设计图的布置，各部分尺寸的准确确定、工程量的准确计算却非常繁琐、任意性强、工作量大。所以涵洞设计系统的开发，标准图只能作为参考的依据，用来正确建立设计图图形各部分之间的相互关系，涵洞结构尺寸及斜交角度、填土高度等主要设计与绘图参数必须作为变量处理，才能满足任意角度、任意填土高度设计的需要，以增强系统的适用性。
       对涵洞设计文件，需要正确绘出涵洞设计图，准确计算其工作量，涵洞设计图中的每一部分尺寸及相互关系必须明确，如果这全部由人工给出现任会有庞大的工作量。所以，如何从涵洞设计中最基本的设计参数开始，根据其结构特征和构造要求，由计算机自动生成绘图所需的的细部尺寸及相互关系至关重要。在软件开发中，可利用标准图提供的各种填土高度、跨径、涵身净高等情况下各细部结构的关系建立涵洞结构物的标准尺寸库，用户在设计时，给出基本设计参数，系统可查询标准库，调出相应的数据作为参数缺省值，供用户参考。用户既可以直接选用这些参数，又可以修改其中某些参数以符合用户需求。由于标准库中数据是来自与涵洞标准图，已经满足结构、强度及稳定性的要求，所以，作为缺省值直接选用进行涵洞设计时无需再进行力学和其它验算。而由设计人员自行确定某些参数的涵洞，若其参数与涵洞标准图的相应数据相比有较大改变时，一般要对拟定的涵洞进行结构上的验算，以保证设计成果满足强度和稳定性的要求。
一个完善的涵洞CAD系统，应该具备下列具体的功能要求：
（1）可以设计正交或任意角度斜交的钢筋混凝土盖板涵、箱涵、圆管涵、倒虹吸圆管涵、石拱涵、阶梯式盖板涵等常见涵洞类型。除能绘制单孔涵洞外，还能绘制双孔或多孔涵洞。
（2）系统应按一涵一图（A3图幅）的工程习惯输出涵洞或通道不知里面图、平面图、洞身断面图、洞口剖面图。每幅图均应自动选用最佳比例、自动排版、不需或只需很少的人工干预。
（3）系统自动计算每一道涵洞或通道的工程数量，并按《公路工程基本建设项目设计文件编制办法》的要求直接生成工程数量表文件。用户可以由系统直接打印符合规格的工程数量表，也可以根据需要用普通的编辑软件对工程数量表进行编辑和修改。
（4）界面友好，系统能够自动提示出入错误，用户能够根据系统提示进行交互操作。
（5）各种尺寸参数输入时，系统通过绘制的涵洞示意图提示输入参数对应的几何位置。
（6）横断面、地面线数据输入时，系统能够即时显示路基横断面及地面线图形。
（7）根据输入的路基参数、涵洞尺寸参数和设计荷载等级，自动布载并进行结构验算及基底应力计算。全部计算过程由计算机自动完成，用户可根据计算结果及时调整设计，并能根据需要生成计算书。此外还需考虑高等级公路的重型振式压路机等施工荷载对涵洞结构的影响，保证涵洞结构在施工期间的安全。
（8）系统应生成任意斜交角度的各种钢筋混凝土结构涵洞的钢筋图（箱涵、盖板涵、管涵），实现任意斜交角度涵洞的快速设计、配筋设计与结构计算紧密接合。
（9）能够与市场上通用的路线CAD系统协调工作或挂接于路线CAD系统，能方便地从这些路线CAD系统中提取涵洞设计所需的横断面、纵断面以及地面线数据。
（10）系统绘制的各种图形，应支持常用的绘图软件，如AutoCAD等，以保证所绘制的图形的通用性，从而实现资源的共享。
                                             数据组织
数据主要分为两大类：原始数据和出图参数。
1．原始数据
原始数据分为涵洞结构数据、路基横断面数据和地面线数据三部分。
（1）涵洞结构数据
       涵洞结构数据为该涵洞各部分的结构尺寸，如孔径、涵台、基础、铺砌、截水墙等尺寸，各部分数据分块填写，个数据块可编以数据代码。如涵洞可分成涵身数据、左洞口数据、右洞口数据等数据块。这样组织的好处是，在路线全线或某路段的涵洞设计中，一些涵洞的部分结构尺寸相同时，可以不填写该部分的具体尺寸，而用前面已填过的数据代码来代替，从而避免数据的重复输入。
（2）路基横断面数据
       涵洞设计中使用的路基横断面数据，是道路设计中路基设计标高、路幅宽度、路拱坡度、路基边坡、路线纵坡、平曲线数据等经超高加宽后得到的综合数据，可通过其他道路CAD系统获得。
（3）地面线数据
      地面线数据为涵洞轴线地面线数据，如果进行了实测，用户可以直接输入；如果没有实测，则通过其它方式获得，如通过其他道路CAD系统获得。
2．出图参数
       出图参数中包括输入输出文件命、图幅布置、图形比例尺、制定绘图的单个涵洞桩号或路段的起终点桩号等内容，是涵洞绘图功能的控制参数。通过这些参数，是设计调试和绘图更加灵活实用。
      此外，又与涵洞设计大多数情况下时参考标准图进行的，因此还有各种数据如钢筋型号、布置数量等需要从有关的规范和标准图集中提取。分析清楚涵洞设计的各种参数后，参考标准图并经各种力学验证的涵洞尺寸值与配筋，通过建立数据库来实现对各种数据进行管理。如对洞口形式，如一字墙护坡、八字墙、直墙式八字墙、一字墙锥坡、跌水井以及档墙等型式，分别根据其基本尺寸的不同定义建立多组数据库，并组成专用数据库，设计时，对于进出洞口型式从数据库中选用即可。
                                  功能模块
        作为一种辅助设计工具，涵洞设计系统的功能主要是完成各类常见涵洞的三视图（立面图、平面图、洞身断面图）、洞口有关剖面图以及钢筋设计图的绘制，并进行力学验算及涵洞工程量的计算。因此根据对涵洞设计要求的分析研究结果，涵洞CAD系统一般将其所需实现的功能分为以下几大功能模块：
（1）路基横断面和地面线数据处理；
（2）涵洞三视图基本尺寸计算；
（3）涵洞洞口基本尺寸计算；
（4）涵洞三视图绘制；
（5）涵洞洞口剖面图绘制；
（6）涵洞主要工程数量计算；
（7）涵洞结构验算；
（8）工程数量表输出；

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