基于外部分类法的倒虹吸CAD系统研制
杨保军
（1973—），男，河南林州人，高级工程师，博士研究生，主要从事水工结构和水利信息方面的研究。
郑州大学 水利与环境学院，郑州 450001
河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016
王宗敏
郑州大学 水利与环境学院，郑州 450001
王春磊
河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016
姚高岭
河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016
根据南水北调工程设计的需要，使用ObjectARX等工具，研制了倒虹吸结构设计与钢筋图绘制CAD系统（SCCAD），实现了常用型式、任意孔数的倒虹吸（箱型）从荷载输入到内力计算、配筋计算、抗（限）裂验算，以及全部钢筋图AutoCAD绘制、钢筋表计算等全过程的自动化设计。借鉴外部分类法，对倒虹吸管段型式和钢筋型式进行了分类，编制了大量的几何形状和钢筋型式封装类，既方便了系统的研制，也使软件具有复用性、可移植性和可扩展性。本系统在南水北调中线工程中应用，取得了良好的经济效益和社会效益，同时为水利工程CAD系统开发提供了一条可参考的思路。
南水北调中线工程从丹江口水库引水至北京、天津，干线总长1273.72km，穿越了沙颍河、黄河、海河等流域大小河流几百条。各河流在总干渠左岸的流域面积小于20km2时修建河虹吸，大于20km2时修建渠倒虹，工程中倒虹吸建筑物很多，仅沙颍河流域就有近百座。随着国民经济的增长，长距离输水工程很多。作为输水工程的主要建筑物，倒虹吸设计质量和进度对工程质量和进度有着重要影响。
传统上进行倒虹吸设计时，一般采用结构内力和配筋计算软件计算，采用AutoCAD等软件手工绘制钢筋图，工作效率很低。为了实现自动化设计，国内前几年也出现了一些相关的系统软件，如武汉理工大学、长安大学的涵洞CAD系统［1，4］，北京航空航天大学倒虹吸结构设计自动化系统［2］，天津大学倒虹吸辅助设计系统［3］等。总体上说，这些软件存在功能不全面、通用性差、不可移植的缺点。水利方面的倒虹吸软件偏重于计算，绘图功能弱；交通方面的软件仅适用于水平管段，对复杂管段不适用；同时随着《水工钢筋混凝土结构设计规范》（SL191—2008）替代原96规范，也需要与新规范配套的软件。因此，研制功能完善的倒虹吸CAD系统（尤其要具备绘制钢筋图功能），就显得十分迫切。
1 系统总体架构
1.1 功能分析
系统的总体目标是：真正符合工程设计需要，减少工作量，缩短设计周期，提高工作效率。为此，系统应具有以下功能。
（1）交互界面为Microsoft标准的图形用户界面（GUI）。
（2）完成任意孔数的箱涵，从荷载输入到内力、配筋、抗（限）裂等计算。
（3）实现常用的各种管段（不只是水平管段）钢筋图绘制、钢筋表输出等功能。
（4）系统应采用软件复用的设计思想统筹各模块，提高AutoCAD二次开发的效率。
1.2 开发环境
SCCAD系统选择Windows XP操作系统，图形支撑系统为AutoCAD2008，编程环境采用Visual Studio 2003，二次开发工具采用ObjectARX2008。
图1 系统总体结构图
1.3 总体结构
ObjectARX是Autodesk公司为AutoCAD配置的面向对象的开发工具。它使用面向对象的C++应用程序开发机制，以动态链接库的形式与AutoCAD共享地址空间［5］，并可被其直接调用，具有较高的程序开发与执行效率。系统应用ObjectARX开发AutoCAD应用程序，在AutoCAD环境中以CAD命令的形式调用执行各模块。系统总体结构图见图1。
2 技术路线及功能实现
2.1 技术路线
（1）使用面向对象的C++应用程序开发机制，采用AutoCAD命令的调用方式，以对话框为人机交互界面。
（2）使用理论成熟的力法或位移法计算结构内力，根据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191—2008）规定，采取承载力极限状态计算配筋，正常使用极限状态验算截面和配筋。
（3）应用外部分类法，将各种管段和各种型式钢筋分门别类，方便系统实现、管理、维护。
（4）钢筋图绘制时，建立结构纵剖面、平剖面、横剖面等通用的剖面绘制类，编写不同型式钢筋的通用类，实现系统的复用性、可移植性。
2.2 功能实现
2.2.1 外部特征分类法
倒虹吸在纵剖面上呈︺形，管段间分缝以防止开裂及不均匀沉降。常见的倒虹吸不仅总体布置有差别，而且各管段结构也有变化，同时钢筋型式也有几十种。分类能使事物高度有序化，从而极大地提高我们的认识效率和工作效率［6］。分类法一般分为两种，一是依据事物的外部特征进行分类，称之为外部分类法；另一种是根据事物的本质特征进行分类。借鉴外部分类法，将倒虹吸管段分为进出口段、渗控段、弯管段、斜管段和水平段5种，对各管段作为独立的模块进行编程，将钢筋分为直线形、圆弧形、折线形等，各单一管段或钢筋结构形式上的差异设变量控制，管段及钢筋分类见图2。通过以上分类，不仅在结构上涵盖了倒虹吸的所有形式，而且也方便编程开发。
图2 倒虹吸管段及钢筋分类图
2.2.2 数据交互输入
本系统的数据输入分为两部分。
（1）尺寸参数输入，包括倒虹吸的孔数、孔宽高、顶底板厚以及洞节长度等，也包括配筋直径及间距数据输入。尺寸参数输入对话框见图3。
（2）荷载参数输入，尺寸参数输入完成后，进入荷载参数输入对话框。包括洞顶底、左右侧及内壁的线性均布荷载和集中荷载输入。输入完成后可以即时显示计算简图。
上述数据保存为独立的数据文件，实现了计算模块和钢筋图模块间既独立又联系的关系。
2.2.3 内力及配筋计算
内力及配筋等计算是系统的主要内容，系统中计算截面为垂直管轴线的横断面。按照结构力学中的力法［7］进行内力计算，并绘制内力图。按照承载力极限状态计算配筋面积，按照正常使用极限状态进行关键部位的抗（限）裂计算。
图3 尺寸参数输入对话框
2.2.4 钢筋图绘制
钢筋图绘制是系统的核心内容，主要包括各剖面图绘制、钢筋布置和钢筋表计算。分析各种剖面型式的异同，对共性剖面封装为通用类，供各管段模块调用，其余剖面在本模块内实现。根据钢筋型式的分类，对每种型式钢筋编写通用封装类，可供所有模块调用。例如图4中的（7）号筋为折线钢筋类对象，（14）号筋为圆弧点筋类对象，钢筋绘制函数定义如下：
void DrawGjA（AcGePoint3d Pt1，AcGePoint3d Pt2，AcGePoint3d Pt3，AcGePoint3d Pt4，double kuan，CString bianhao，int gjzhijing，double gjjianju，double baohuceng，int FirType，int SecType，double BackAngle，int zuoyou，int shangxia，BOOL outORin，AcDbBlockTableRecord*pB，BOOL gangjin）；其中Ptn为齿墙的四个角点，zuoyou、shangxia表示位于管段的左右和上下，outORin表示为内层还是外层钢筋。
void DrawDonut_Curve（AcGePoint3d Pt，double diamdbl，double startangle，double yuanxinjiao，int intcolor，CString bianhao，int gjzhijing，int gjjianju，int shangxia，AcDbBlockTableRecord*pBlockTableRecord）；其中pt为右端端点，diamdbl 为圆弧半径，startangle为右端切线水平角度，yuanxinjiao圆心角度，shangxia为钢筋标注位于上侧下侧。
钢筋表包含钢筋编号、直径、单根长、根数及总长等数据。钢筋最大编号为出现的钢筋型号的最大数，其他数据的确定依赖于钢筋封装类，封装类中包含钢筋直径、单根长及根数等属性，在需要时从该钢筋类的对象中读取，并输出到钢筋表中。
3 实例应用
系统在南水北调中线工程河南段应用。内力、配筋计算结果满足工程要求，钢筋图绘制满足施工图要求，极大提高了设计质量和效率。
4 结语
本系统从工程设计需求出发，结合南水北调工程实际进行研制，实现了倒虹吸涵洞智能化设计。经过工程实例应用，证明系统功能齐全、可靠性高，取得了良好的经济效益和社会效益。它不仅适用于水利倒虹吸，同时也适用于公路、铁路桥涵，具有很大的推广应用价值。
在计算机普及的今天，CAD技术已被广泛应用于工程设计中，但由于多种原因造成了CAD在水利行业的发展严重滞后。希望SCCAD系统的开发思路能够起到“抛砖引玉”的作用，今后能有更多的水利CAD软件出现，实现水利设计者真正从“体力劳动”到“脑力劳动”的转变！
参考文献
［1］王长波，杨克俭.基于ObjectARX的涵洞CAD系统的开发［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2002，26（5）：78-81.
［2］张孟玫，施法中.倒虹吸涵洞结构设计CAD系统的设计与实现［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2003，15（4）：509-511.
［3］王云仓.倒虹吸计算机辅助设计系统开发与应用［J］.河北水利水电技术，2001（1）：49-51.
［4］潘兵宏，赵一飞，杨少伟.基于部件的涵洞CAD系统［J］.长安大学学报（自然科学版），2004，24（2）：41-44.
［5］邵俊昌，李旭东.AutoCAD ObjectARX2000开发技术指南［M］.北京：电子工业出版社，2000.
［6］亚里士多德（Aristotle）.工具论［M］.北京：中国人民大学出版社，2003.
［7］赵更新等.结构力学［M］.北京：中国水利水电出版社和知识产权出版社，2004.