在AutoCAD上开发盾构隧道管片设计程序

孙公伟 · 发表于 2022-12-13 04:51:01

盾构隧道是用管片拼装而成的。管片拼装就位以后，在土压力的作用下会形成结构受力性能非常好的圆形隧道。

广州地铁盾构隧道洞口

某核电排水隧洞管片模型

由于管片外形规则，具备参数化设计可能性，因此在设计过程中可以编写程序自动生成管片模型。但在轨道交通工程领域这一需求并不强烈，因为列车限界统一，因此轨道交通工程领域管片尺寸高度统一。然而在水电工程领域各型机组需水量变化大，隧洞直径变化多样。
此种需求近期在某核电排水隧洞初步设计中达到顶峰，该项目采用了两机一洞、一机一洞两种隧洞，因此有两种不同直径的隧洞，因此尝试编制一个管片生成器，方便设计工作的开展。

管片生成器程序界面

首先寻找开发平台。事实上在开展本项工作之前就已经在AutoCAD VBA平台上编制过类似的软件，但这次编制再用VBA明显对事后发布不利，因此曾经尝试在Python上寻找开发平台，很可惜经过接近一周的寻找与大量测试代码的编写，发现除了令计算机多了一堆臃肿程序外，并没有多大进展，过程记录如下：

pyautocad：俄罗斯人编写的开源接口，pyautocad，功能尚可，但看到此包从2015年至今未有更新，便感觉其前景岌岌可危。
ezdxf：直接对dxf文件进行操作，ezdxf，很不错的接口，更新也快，更重要的是它让我看到摆脱AutoCAD平台的可能，但花了点时间阅读资料后发现由于三维实体涉及专利授权，因此它全部是对二维图元的操作。
freeCAD：可以代替AutoCAD的开放平台，freeCAD，强大到被制裁的俄罗斯人把他当作AutoCAD的替代品，但光是建立运行环境就让人望而生畏，资料又少。正准备咬牙强行学习其文档时猛然想到，如果为了运行一个小程序而要同事下载个五六百兆的程序，别人会怎么想？

来到这一步时，甚至在想不如还是用pyANSYS吧，APDL我在行，可是ANSYS的科学安装更复杂……
于是退回到AutoCAD平台，面前至少放着四种二次开发模式：VBA、ObjectARX、ObjectARX .Net Wrapper和AutoLisp。当然是挑熟悉的来做，那么只剩下VBA和ObjectARX .Net Wrapper，前者封装似乎很麻烦，于是就选择后者。
再者，.Net平台的GUI编写实在太舒服，所见即所得，至于python的tkinter之流，我呸……而且AutoCAD的资料很丰富AutoCAD开发者文档，相对而言找资料比较容易。果然免费的是最贵的。
由于在VBA上写的程序，最后遇到的问题是无法对实体边缘进行倒角，因此花了不少时间找资料，最后利用Brep解决了这个问题，如何在AutoCAD.NET中对Solid3d对象进行倒角（ChamferEdges），但此举对自己后面的编程思路构成了误导，令我哭笑不得。原因是如果我想不计后果的获得一个Solid3d的每一条边的几何数据，我可以很简单的Clone一个，然后循环Explode它，Explode到只剩下简单直线、圆弧这种简单对象，再去读它的几何数据。我竟然忘记了这种简单的方法，苦苦用奇怪的Brep去求边界，真的……无语。
而且更悲哀的是，用了三四天东拼西凑想出来的ChamferEdges方法，竟然在程序里面完全用不上！后面用Solid3d.BooleanOperation顺带着就实现了ChamferEdges的效果。
扯远了，回到程序本身，先谈GUI。GUI最大的问题就是需要面对管片大量的参数，输入界面需要具备动态调整的可能，于是简单的用DataSet和DataGridView空间快速实现了这一目标。首先添加一个DataSetSegment.xsd，添加一个Parameter数据表，添加下面的结构并设置Name为主键。

Parameter数据表结构

然后添加一个DataGridView控件，简单设置一下列名。

DataGridView控件

然后用下面代码生成默认的管片几何参数：
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;segment_project_name&#34;, &#34;项目名称&#34;, &#34;TW7、8号机组排水隧洞工程&#34;, &#34;&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;segment_assembly_type&#34;, &#34;管片拼装类型&#34;, &#34;A&#34;, &#34;型&#34;, &#34;A型为标准环模式，B型为左中右环模式&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;tunnel_radius_outer&#34;, &#34;隧道外部半径&#34;, &#34;3850&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;tunnel_radius_inner&#34;, &#34;隧道内部半径&#34;, &#34;3400&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;segment_wedge&#34;, &#34;楔形量尺寸&#34;, &#34;40&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;只考虑双面楔&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;segment_width&#34;, &#34;管片宽度尺寸&#34;, &#34;1500&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;segment_chamfer&#34;, &#34;管片边缘倒角尺寸&#34;, &#34;5&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;groove_up_positions&#34;, &#34;管片上端槽角点坐标数据&#34;, &#34;0,0,2,2,2,12,12,16,12,56,2,60,2,95,12,105,0,105&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;以最下侧角点为原点，逆时针排序，注意以半角逗号隔开&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;groove_up_radius&#34;, &#34;管片上端槽角点1所在半径&#34;, &#34;3750&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;以最下侧角点所在半径定位&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;groove_low_positions&#34;, &#34;管片下端槽角点坐标数据&#34;, &#34;0,0,0,-55,14,-55,4,-45,4,-28,2,-25,2,-2&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;以最上侧角点为原点，逆时针排序，注意以半角逗号隔开&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;groove_low_radius&#34;, &#34;管片下端槽角点1所在半径&#34;, &#34;3450&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;以最上侧角点所在半径定位&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;circular_tenon_positions&#34;, &#34;管片环向卡榫凸榫角点坐标数据&#34;, &#34;0,0,20,15,20,150,0,165&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;以最下侧角点为原点，逆时针排序，注意以半角逗号隔开&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;circular_tenon_radius&#34;, &#34;管片环向卡榫凸榫角点1所在半径&#34;, &#34;3517&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;以最下侧角点所在半径定位&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;circular_groove_positions&#34;, &#34;管片环向卡榫凹槽角点坐标数据&#34;, &#34;0,0,20,15,20,158,0,173&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;以最下侧角点为原点，逆时针排序，注意以半角逗号隔开&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;circular_groove_radius&#34;, &#34;管片环向卡榫凹槽角点1所在半径&#34;, &#34;3513&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;以最下侧角点所在半径定位&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;segment_number&#34;, &#34;管片分块数量&#34;, &#34;6&#34;, &#34;块&#34;, &#34;只考虑1K+2L+nB的管片分块组合&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;k_angle_front&#34;, &#34;K块前端角度&#34;, &#34;22&#34;, &#34;°&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;k_angle_back&#34;, &#34;K块后端角度&#34;, &#34;18&#34;, &#34;°&#34;, &#34;管片后端外侧左右侧控制点与圆心连线所形成的夹角&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;b_angle&#34;, &#34;B块角度&#34;, &#34;67.5&#34;, &#34;°&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;guide_rob_radius&#34;, &#34;导向棒半径&#34;, &#34;26&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;guide_rob_location_radius&#34;, &#34;导向棒所在半径&#34;, &#34;3625&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;guide_rob_triangle_width&#34;, &#34;导向棒三角区宽度&#34;, &#34;14&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;guide_rob_triangle_height&#34;, &#34;导向棒三角区高度&#34;, &#34;2&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;guide_rob_length&#34;, &#34;导向棒长度&#34;, &#34;600&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;bolt_type&#34;, &#34;螺栓类型&#34;, &#34;A&#34;, &#34;型&#34;, &#34;A为弯螺栓，B为直螺栓&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;bolt_hole_radius&#34;, &#34;螺栓开孔半径&#34;, &#34;25&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;注意是螺栓开孔半径，需要在螺栓半径的基础上考虑适当裕量&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;bolt_hole_arc_angle&#34;, &#34;螺栓孔弧夹角&#34;, &#34;90&#34;, &#34;°&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;bolt_hole_arc_radius&#34;, &#34;螺栓孔弧半径&#34;, &#34;380&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;hand_hole_radius&#34;, &#34;手孔半径&#34;, &#34;60&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;hand_hole_angle&#34;, &#34;手孔夹角&#34;, &#34;36&#34;, &#34;°&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;bolt_position_radius&#34;, &#34;螺栓定位半径&#34;, &#34;3580&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;bolt_position_angle&#34;, &#34;螺栓定位角度&#34;, &#34;0&#34;, &#34;°&#34;, &#34;第一枚纵向螺栓与3点方向的夹角，一般设置为0°&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;tunnel_direction_bolt_number&#34;, &#34;纵向螺栓数量&#34;, &#34;16&#34;, &#34;枚&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;circle_direction_bolt_distance&#34;, &#34;两枚环向螺栓的距离&#34;, &#34;800&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;grouting_hole_positions&#34;, &#34;注浆孔截面角点坐标数据&#34;, &#34;0,0,50,0,45,10,40,10,40,80,30,80,30,300,0,300&#34;, &#34;mm&#34;, &#34;以最左下侧角点为原点，逆时针排序，注意以半角逗号隔开&#34;);
segment.Parameter.AddParameterRow(&#34;grouting_hole_placement&#34;, &#34;注浆孔布置数据&#34;, &#34;3395,0,0,3395,45,0,3395,112.5,0,3395,180,0,3395,247.5,0,3395,315,0&#34;, &#34;mm，°，mm&#34;, &#34;柱坐标，中轴为原点，3点方向为0°，数据格式（radius,angle,z），注意以半角逗号隔开&#34;);
于是很容易的就获得了一个能够编辑、输入输出数据的程序界面：

默认管片几何参数界面

然后利用ReadXml与WriteXml，读写数据简直不要太容易：
dsSegment.ReadXml(ofdMain.FileName);
dsSegment.WriteXml(sfdMain.FileName,System.Data.XmlWriteMode.WriteSchema);
至此，还在python里面玩pd.read_csv？我呸……
然后我们开始切管片吧，不过要先跟AutoCAD建立会话，方法如下：
// 获取当前文档并建立会话
Document acDoc = Application.DocumentManager.MdiActiveDocument;
Database acCurDb = acDoc.Database;

// 锁定文档、建立会话，开始建模
using (DocumentLock docLock = acDoc.LockDocument())
{
using (Transaction acTrans = acCurDb.TransactionManager.StartTransaction())
{
      // 绘制几何模型

      // 向会话提交数据变更
      acTrans.Commit();
}
}
不知道什么版本开始突然AutoCAD .Net接口要求DocumentLock docLock = acDoc.LockDocument()才能正常工作，而且还不声不响，比如官网Create Solids (.NET)就没提到这个要求。
using Autodesk.AutoCAD.Runtime;
using Autodesk.AutoCAD.ApplicationServices;
using Autodesk.AutoCAD.DatabaseServices;
using Autodesk.AutoCAD.Geometry;
[CommandMethod(&#34;CreateWedge&#34;)]
public static void CreateWedge()
{
// Get the current document and database, and start a transaction
Document acDoc = Application.DocumentManager.MdiActiveDocument;
Database acCurDb = acDoc.Database;
using (Transaction acTrans = acCurDb.TransactionManager.StartTransaction())
{
      // Open the Block table record for read
      BlockTable acBlkTbl;
      acBlkTbl = acTrans.GetObject(acCurDb.BlockTableId, OpenMode.ForRead) as BlockTable;
      // Open the Block table record Model space for write
      BlockTableRecord acBlkTblRec;
      acBlkTblRec = acTrans.GetObject(acBlkTbl[BlockTableRecord.ModelSpace], OpenMode.ForWrite) as BlockTableRecord;
      // Create a 3D solid wedge
      using (Solid3d acSol3D = new Solid3d())
      {
         acSol3D.CreateWedge(10, 15, 20);
         // Position the center of the 3D solid at (5,5,0)
         acSol3D.TransformBy(Matrix3d.Displacement(new Point3d(5, 5, 0) -Point3d.Origin));
         // Add the new object to the block table record and the transaction
         acBlkTblRec.AppendEntity(acSol3D);
         acTrans.AddNewlyCreatedDBObject(acSol3D, true);
      }
      // Open the active viewport
      ViewportTableRecord acVportTblRec;
      acVportTblRec = acTrans.GetObject(acDoc.Editor.ActiveViewportId, OpenMode.ForWrite) as ViewportTableRecord;
      // Rotate the view direction of the current viewport
      acVportTblRec.ViewDirection = new Vector3d(-1, -1, 1);
      acDoc.Editor.UpdateTiledViewportsFromDatabase();
      // Save the new objects to the database
      acTrans.Commit();
}
}
没关系，坑这种东西趟多了，我们就变成SUV了。搞管片大概分8步（与手绘过程基本一致）：

生成一条管
按楔形量切出粗胚
在环面切出环向止水槽、凹凸榫
将管切分为若干管片
在每一管片上切出纵向止水槽、凹凸榫
在每一管片上切出纵向螺栓
在每一管片上切出环向螺栓
在每一管片上切出注浆吊装孔

在这里面的关键问题，其实能手绘出来，程序实现就很容，稍微有点难度的只不过是：

利用空间椭圆线作为Path，利用Solid3d.CreateSweptSolid生成止水槽Cutter
利用Matrix3d.AlignCoordinateSystem，实现Align三点对齐的方法（需了解向量叉乘）
利用Solid3d.TransformBy，实现实体的空间移动、旋转等操作
利用Entity.Explode，求取特殊控制点

如果大学高等数学学得好，上面的操作会相当简单，只不过是不同操作的复杂叠加。大致就是这样了。

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