黄河规划设计

堤防CAD系统开发与应用

霍建伟(信息中心) ［摘要］本文主要介绍了堤防CAD系统的开发背景、系统结构、功能组成、技术特点及应用情况。在堤防放淤固堤、帮宽加高、新建堤防、险工等工程类型设计中，系统实现了利用计算机完成堤防工程断面图绘制、工程量计算、生成成果图表等功能的堤防设计一体化解决方案。实际应用表明：采用堤防CAD系统，大大提高了设计的质量和效率，实现了堤防工程设计的自动化、标准化和参数化。［关键词］堤防设计 CAD软件应用 1 概述 1998年长江、松花江(嫩江)大水之后，我国政府加大了大江、大河治理力度，并且利用国际贷款开展大江、大河的干堤加固工程。黄委先后启动了黄河下游防洪项目、“黄河洪水管理”亚行贷款项目、黄河下游2001-2005年防洪工程建设项目、黄河标准化堤防建设项目等，以解决黄河下游堤防质量差、险点隐患多的问题。我单位是上述工程建设项目设计任务的主要承担者，单位相继开展了亚行项目三个核心子项目、下游标准化堤防、中游三门峡库区和小北干流等豫、鲁、晋、陕几个地市局60多项单项工程相关阶段的防洪设计工作。这些任务工作量大，时间要求紧迫，重复性劳动比较多，承担设计任务的处室工作负荷十分繁重。传统的堤防工程设计方法是对照堤防设计标准手工或半自动计算出相应的参数，然后在AutoCAD环境中绘制断面图，然后按照公式手工或半自动计算出各种工程量和布置平面图。由于堤防工程的断面大体相似，断面数量大，传统的设计手段使设计人员将大量的时间花费到简单重复的绘制断面图和工程量计算上，造成工作效率低、人力资源浪费；设计中计算机应用水平很低，设计工作无法参数化、自动化、标准化完成。随着计算机在工程设计中应用的日益普及，为了进一步提高公司计算机应用水平，结合我公司承担的设计任务，成功完成堤防CAD软件的开发，实现了堤防工程的参数化和自动化设计，提高了我公司堤防工程设计的质量和效率，在堤防工程建设中取得了显著的经济效益。 2 系统开发目标按照堤防工程的设计标准和要求，依据测量的原始断面数据和工程设计参数，实现各类堤防工程的CAD参数化、自动化设计，实现堤防工程设计的自动绘制工程断面图、平面布置图，自动计算工程量、生成相应的工程量成果表，自动添加图框、自动生成成果图等，快速准确的完成工程设计，从而实现堤防工程CAD设计的参数化、标准化和自动化，大幅度提高设计水平、效率和成果质量。系统的基本定位是参数化、标准化、自动化。尽量减少用户参与，依据用户的参数设置和工程设计标准，自动完成工程设计，为堤防工程项目设计提供一套快速准确的解决方案。 3 功能需求堤防工程设计主要有放淤固堤、帮宽加高、新建堤防、险工、防护坝等工程类型。这些工程的设计重复性工作比较多，怎样利用计算机使堤防设计从参数选择－绘制断面图－计算工程量－生成成果图－生成成果表形成一套完整的解决方案，这是我们需要解决的问题。依据不同工程类型的需求及设计标准，在堤防CAD软件设计中重点解决了以下问题： (1)绘制断面图依据实际测量的原始断面数据及设计参数，系统自动进行分析和计算，绘制出断面数据文件中对应桩号的断面图序列。断面图中应该包括原始断面、设计断面、标识、水位标注等，还有一些必需的文字标注和高程标注。 (2)布置平面图依据原始地形图及平面数据参数，系统自动进行分析和计算，完成相应的平面图布置。目前这一功能主要用在险工工程的长丁坝情况。 (3)自动添加图框完成断面图绘制后，用户需要为一些桩号的断面图添加标准图框，进而打印出断面图成果图。这里，允许用户预先设置或修改标准图框，然后选出需要出成果图的桩号序列，系统能够自动为选定的桩号添加标准图框，形成基本上能直接打印的成果图。 (4)自动标注高程允许用户在绘制的断面图上选择需要标注高程的点，系统能够自动判断该点所在的断面及其位置，然后计算该点的高程值，自动完成高程标注。 (5)自动计算工程量在绘制断面图形的基础上，依据不同的工程类型，系统能够自动量取和计算工程设计中需要的工程量项目，进而写入工程量表。不同的工程类型，计算的工程量项目也不同。 (6)自动生成成果表依据工程量计算成果及不同的工程类型需求，系统能自动生成最终成果表。成果表主要有设防水位表和工程量表等。工程量表应该包括分项工程量和总工程量，并通过输入相应公式关联起来，允许用户修改；设防水位表主要是断面数据文件中桩号对应的水位数据。 (7)系统辅助功能系统应具有数据格式处理、项目的保存与载入等辅助功能。 (8)特殊功能需求放淤固堤类型需要计算布置平面图时需要的从堤肩出发的三段距离。 4 系统结构与功能模块设计堤防CAD系统主要由放淤固堤、帮宽加高、新建堤防、险工工程、稳定计算五个子系统及公用的设防水位管理与数据处理模块等组成，以设防水位数据、原始断面数据、设计参数、工程量表、工程图等文件库和数据库为基础，从而实现常见堤防工程类型的参数化自动化设计，其系统总体结构如图1所示。图1 系统总体结构图 (1)设防水位管理设防水位管理主要实现对堤防工程设计的设防水位、超高信息、背河浸润线加高出逸情况等基础数据读取计算和编辑修改管理，包括读取黄河防洪文件、读取其它水位信息、格式化数据、写入水位文件等功能。 (2)数据管理数据处理功能主要实现对实际测量的原始断面数据的预处理，使其符合系统读取数据的格式要求。包括数据转换、数据检查、更新数据等模块，数据转换模块把不同的原始测量的断面数据同一转换为系统能处理的标准断面数据格式，数据检查模块根据数据格式的要求对用户选择的数据文件进行合适性检查、诊断，更新数据模块根据数据检查诊断结果对数据文件进行修正和更新。 (3)放淤固堤子系统放淤固堤设计子系统主要依据放淤固堤工程设计标准，辅助完成放淤固堤工程类型的堤防项目参数化设计。包括工程断面图绘制及其成果图的生成，工程量的量取计算及工程量成果表的生成，平面图布置所需的三段距离量取及表格输出，对应桩号设防水位的计算及表格输出等功能。 (4)帮宽加高子系统帮宽加高设计子系统主要依据帮宽加高工程设计标准，辅助完成帮宽加高工程类型的堤防项目参数化设计。包括工程断面图绘制及其成果图的生成，工程量的量取计算及工程量成果表的生成，对应桩号设防水位的计算及表格输出等功能。 (5)新建堤防子系统新建堤防设计子系统主要依据新建堤防工程设计标准，辅助完成新建堤防工程类型的堤防项目参数化设计。包括工程断面图绘制及其成果图的生成，工程量的量取计算及工程量成果表的生成等功能。 (6)险工工程子系统险工工程设计子系统主要依据险工工程设计标准，辅助完成险工工程类型的堤防项目参数化设计。包括工程断面图的绘制，规则的长丁坝平面图布置，工程量的量取计算及合计工程量表的生成等功能。 (7)堤岸防护计算堤岸防护计算功能主要实现坡式护岸的稳定性计算，包括护岸及岸坡基础土的滑动和沿护坡底面的滑动两种，依据用户输入的坝体参数，按水力学稳定性计算方法，找出滑动安全系数及最危险的滑动面。 5 主要开发方法与技术系统的开发方法主要采用探索式快速原型法，紧密结合项目设计，从需求比较清楚的功能开始，待主要功能模块开发完毕后由用户去使用、测试，进而提出新的问题。再根据用户提出的问题和建议，逐步完善现有系统功能，添加新的功能，直到最后交付整个系统。系统主要采用了ActiveX Automation、OLE及可视化界面设计技术。其中，采用ActiveX Automation技术，将AutoCAD强大的绘图功能与系统无缝的结合起来，实现工程断面图和成果图的自动化和参数化绘制；采用OLE技术，充分利用Excel的表格计算处理功能，完成系统数据和Excel的数据交换，实现工程量成果表及其它成果表的自动生成；采用类QQ的界面技术，占用空间小，便于用户操作使用。主要的设计方法和技术路线如图2所示。图2 主要设计方法与技术路线图 6 系统应用情况堤防CAD系统从2002年已经在黄河下游防洪项目、塔里木河干流输水堤设计项目、黄河洪水管理亚行贷款项目、黄河下游2001-2005年防洪工程建设可行性研究项目、黄河标准化堤防建设项目等堤防工程设计过程中发挥了重要的作用，广大水工设计人员和施工设计人员通过使用该软件，大大提高了工作效率和工作质量，同时对标准化堤防建设提供了强有力技术保障，主要表现在： (1) 通过使用堤防CAD软件，在绘制成果图、输出成果表等相同任务的情况下，工程设计效率基本上是原来手工绘图的十几倍，甚至几十倍的提高。 (2) 在工程量计算方面效率也大大提高，原先计算各种工程量需要对照相应的标准手工计算各种参数，现在只需鼠标点击几下就能得到工程量汇总表。 (3) 减少了堤防设计人工干预程度，使原先通过经验设计的部分变成计算机参数化设计，提高了堤防设计的标准化程度。通过该软件的研制开发和应用，为堤防设计的自动化、标准化、智能化和参数化提供了良好的现代化工具，大大提高了生产效益，也改变了传统设计方法，减轻了工程设计人员的劳动，提高了设计质量，同时为实现水利防洪工程的自动化设计提供了一条简单可行的技术手段。