参数化隧道断面绘制方法与流程

1.本发明涉及一种隧道断面绘制方法，具体涉及一种参数化隧道断面绘制方法。


背景技术：

2.隧道设计在路桥工程领域应用广泛，路桥工程的隧道设计首先要进行隧道轮廓的绘制。而隧道轮廓的设计往往较为繁琐，为了保证隧道轮廓的各段相邻圆弧均相互相切，设计者需反复调节各段圆弧的半径及圆心的位置。可见，在隧道断面轮廓绘制环节，需要消耗大量的工作时间，如果能建立一种在多种情况下均能快速绘制隧道断面轮廓的方法，将大大提高设计人员的工作效率，节省出隧道的施工工期。
3.目前的隧道断面拟定方法为：采用绘图工具针对不同的隧道限界分别进行隧道断面绘制，绘制工作量大，在绘制某一隧道断面时，任一圆弧参数错误就需要重新绘制该圆弧；在绘制另一隧道断面类型的隧道限界时，又需要重复以上繁琐的工作。当隧道断面大小繁多时，每次均应按照相同绘图步骤进行断面绘制，存在重复劳动量多，绘制工作经常反复的情况，从而，设计工作效率低，占用大量的工期。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：现有的隧道断面绘制方法存在重复劳动量多，绘制工作经常反复的情况，设计工作效率低，占用大量的工期。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.本发明提供了一种参数化隧道断面绘制方法，包括如下步骤：
7.步骤一、根据预设计的隧道断面类型拟定由内到外的多个新的隧道断面轮廓；
8.步骤二、选择其中一个所述新的隧道断面轮廓，将其基本信息转化为标准五心圆轮廓参数；
9.步骤三、根据预设计的隧道断面轮廓基本信息拟定所述标准五心圆轮廓参数，绘制所选择的隧道断面轮廓；
10.步骤四、重复上述步骤二、步骤三，直至所有隧道断面轮廓绘制完成。
11.本发明的有益效果是：本发明的参数化的隧道断面绘制方法首先通过拟定一适用于不同隧道断面的标准五心圆隧道断面轮廓，并且对其进行参数化；在进行其他不同隧道断面绘制时，只需调整相应的参数值，即可实现调整隧道断面轮廓的形状和大小的改变，从而适应不同的隧道限界，有效地解决了设计者对隧道轮廓反复拟定的工作，提高了设计人员的工作效率。此外，采用本发明的方法，其余计算过程逻辑明确，可用计算机算法实现，并可直接通过控制隧道断面轮廓形状、大小的参数，计算出每延米与拟定隧道断面有关的待施工的工程数量，节省了对隧道断面工程数量计算的繁杂工作。
12.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
13.进一步地，所述步骤一，所述由内到外的多个轮廓包括：二衬内轮廓、二衬外轮廓、初支内轮廓、初支外轮廓。
14.采用该进一步方案的有益效果是：明确定义了四个轮廓，逐次绘制后就组合形成了完整的隧道断面，设计工作效率高。
15.进一步地，所述步骤二、标准五心圆轮廓参数包括标准五心圆轮廓各段圆弧的半径、圆心和弧度。
16.采用该进一步方案的有益效果是：通过参数控制相应的隧道断面轮廓，在保证能够准确绘制图形的情况下，节省了参数数量，采用计算机程序绘图时节省了输入参数数量，降低了出错概率。
17.进一步地，所述标准五心圆轮廓各段圆弧包括：位于标准五心圆轮廓顶部的第一圆弧、分别相切于第一圆弧两端的两条第二圆弧、分别相切于两条第二圆弧远离第一圆弧端的两条第三圆弧、分别相切于两条第三圆弧远离第二圆弧端的两条第四圆弧、位于标准五心圆轮廓底部并与第四圆弧相接的第五圆弧。
18.采用该进一步方案的有益效果是：限定了各段圆弧的位置关系，此时只需通过各段圆弧的半径、圆心和弧度三个参数即可完整绘制出轮廓形状，用计算机软件绘图可减小参数输入数量，降低了出错概率；且无需区分隧道断面类型为单心圆还是多心圆，对不同隧道断面类型均通用。
19.进一步地，所述步骤二，对于新的隧道断面轮廓中缺省圆弧的部分，其对应的标准五心圆轮廓参数中的弧度设置为0。
20.采用该进一步方案的有益效果是：能适应不同的隧道限界，实现了一种通用的算法。
21.进一步地，所述步骤三包括如下步骤：1)拟定第一圆弧arc1的圆心q1坐标(x1，h1)、弧度a1和半径r1，在圆心q1(x1，h1)正上方绘制第一圆弧arc1；拟定第五圆弧arc5的半径r5、弧度a5、圆心q5坐标(x1，h1+r5-h5)，h5为第五圆弧arc5最低点距第一圆弧arc1圆心的距离，在圆心q5(x1，h1+r5-h5)正下方绘制第五圆弧arc5；
22.2)拟定第二圆弧arc2的半径r2、弧度a2，在第一圆弧arc1端部向第一圆弧arc1圆心走r2，得两个第二圆弧arc2的坐标q21(x21，h2)、q22q(x22，h2)，分别绘制两条第二圆弧arc2；
23.3)拟定第三圆弧arc3的半径r3、弧度a3，在第二圆弧arc2端部向第二圆弧arc2圆心走r3，得轮廓左侧第三圆弧arc3的圆心q31坐标(x31，h3)、轮廓右侧第三圆弧arc3的圆心q32坐标(x32，h3)，分别绘制两条第三圆弧arc3；
24.4)绘制第四圆弧分别与第三圆弧、第五圆弧相接。
25.采用该进一步方案的有益效果是：用计算机软件绘图可减小参数输入数量，降低了出错概率；且通用于不同的隧道限界。
26.进一步地，所述步骤4)包括：拟定第四圆弧arc4的半径r4，以圆心q5(x1，h1+r5-h5)，半径r5-r4向左下角、右下角绘制弧a，以圆心q31(x31，h3)，半径r3-r4向左下角绘制弧b1，以圆心q32(x32，h3)半径r3-r4向右下角绘制弧b2，弧b1与弧a的交点、b2与a的交点分别为两条第四圆弧arc4的圆心，绘制第四圆弧arc4分别与第三圆弧arc3、第五圆弧arc5相接。
27.采用该进一步方案的有益效果是：适用于不同的仰拱过渡方式，例如尖角过渡，r4设置为0，第三圆弧与第五圆弧直接相接；即使是圆角过渡，也能使设计者少拟定输入一个第四圆弧的弧度参数，减少错误概率，提高了设计效率。
28.进一步地，在预设计的隧道断面类型中仰拱过渡方式为尖角过渡的情况，第四圆弧的半径r4设置为0，第三圆弧与第五圆弧直接相接。
29.采用该进一步方案的有益效果是：适用于不同的仰拱过渡方式。
30.进一步地，在预设计的隧道断面类型为三心圆的情况下，步骤2)中，第二圆弧的半径r2＝r1，弧度a2＝0。
31.采用该进一步方案的有益效果是：不会画出第二圆弧的轮廓，但仍能采用原先标准五心圆轮廓参数，通用性好。
32.进一步地，在预设计的隧道断面类型为单心圆的情况下，步骤2)、3)中，第二圆弧的半径r2＝r1，第二圆弧的弧度a2＝0，第三圆弧的半径r3＝r1，第三圆弧的弧度a3＝0。
附图说明
33.图1为本发明的隧道断面轮廓示意图。
34.图2为本发明的五心圆轮廓示意图。
35.附图中，各附图标记所代表的技术特征如下：
36.1-二衬内轮廓；2-二衬外轮廓；3-初支内轮廓；4-初支外轮廓；arc1-第一圆弧；arc2-第二圆弧；arc3-第三圆弧；arc4-第四圆弧；arc5-第五圆弧。
具体实施方式
37.以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
38.本发明参见图1-2。
39.实施例一，如图1-2所示：
40.本发明提供了一种参数化隧道断面绘制方法，包括如下步骤：
41.步骤一、根据预设计的隧道断面类型拟定由内到外的多个新的隧道断面轮廓；
42.注：隧道断面类型包括以下几种：矩形，拱形(马蹄形)，圆形，椭圆形。隧道断面类型决定衬砌结构的受力状态和断面面积利用率，具体选择何种取决于实际工况和施工方法，是工程师预设计的，从而在绘制隧道断面的工作中是已知的。
43.进一步地，所述步骤一，所述由内到外的多个轮廓包括：二衬内轮廓1、二衬外轮廓2、初支内轮廓3、初支外轮廓4。
44.采用该进一步方案的有益效果是：明确定义了四个轮廓，逐次绘制后就组合形成了完整的隧道断面，设计工作效率高。
45.步骤二、选择其中一个所述新的隧道断面轮廓，将其基本信息转化为标准五心圆轮廓参数；
46.注：用标准五心圆轮廓参数表达新的隧道断面轮廓基本信息，参数确定则轮廓确定，调整参数值即可实现调整隧道断面轮廓的形状和大小，从而适应不同的隧道限界。
47.进一步地，所述步骤二、标准五心圆轮廓参数包括标准五心圆轮廓各段圆弧的半径、圆心和弧度。
48.采用该进一步方案的有益效果是：通过参数控制相应的隧道断面轮廓，在保证能够准确绘制图形的情况下，节省了参数数量，采用计算机程序绘图时节省了输入参数数量，
降低了出错概率。
49.进一步地，所述标准五心圆轮廓各段圆弧包括：位于标准五心圆轮廓顶部的第一圆弧arc1、分别相切于第一圆弧arc1两端的两条第二圆弧arc2、分别相切于两条第二圆弧arc2远离第一圆弧arc1端的两条第三圆弧arc3、分别相切于两条第三圆弧arc3远离第二圆弧arc2端的两条第四圆弧arc4、位于标准五心圆轮廓底部并与第四圆弧arc4相接的第五圆弧arc5。
50.注：第五圆弧arc5对应隧道的初支仰拱或二衬仰拱的内外轮廓，第四圆弧arc4对应仰拱过渡方式(即隧道断面两侧壁与仰拱的过渡方式，是由设计者选择的)，在所述四个隧道断面轮廓中，每个轮廓的仰拱过渡方式不一定相同，且不同隧道断面的仰拱过渡方式也不尽相同。如果是圆弧过渡，则第四圆弧arc4与第五圆弧arc5相切；如果是尖角过渡，则第四圆弧arc4的半径为0，第三圆弧arc3与第五圆弧arc5直接相接，形成一个尖角；如果是底座过渡，第四圆弧arc4就是一个底座形状；等等。根据用户选择的过渡类型不同，第四圆弧arc4的形状不同。
51.采用该进一步方案的有益效果是：限定了各段圆弧的位置关系，此时只需通过各段圆弧的半径、圆心和弧度三个参数即可完整绘制出轮廓形状，用计算机软件绘图可减小参数输入数量，降低了出错概率；且无需区分隧道断面类型为单心圆还是多心圆，对不同隧道断面类型均通用。
52.进一步地，所述步骤二，对于新的隧道断面轮廓中缺省圆弧的部分，其对应的标准五心圆轮廓参数中的弧度设置为0。
53.注：由于新的隧道断面轮廓是根据预设计的隧道断面类型拟定的，预设计的隧道断面类型决定了是单心圆或多心圆，例如是三心圆，则至少左右各存在一处缺省圆弧的部分，该段圆弧的弧度设置为0，本实施例中，具体为以上所述第二圆弧arc2，第二圆弧arc2的弧度设置为0；如果是单心圆，则第二圆弧arc2、第三圆弧arc3的弧度均为0。在绘图中，弧度参数设置为0的就不会画出弧，因此仍按照五心圆算法计算绘制即可。参见上一个注释段，第四圆弧arc4为过渡段，所以不计入三心圆的圆弧数量，在名称上忽略第四圆弧arc4而统称为三心圆、单心圆，是本领域的通用习惯。
54.采用该进一步方案的有益效果是：能适应不同的隧道限界，实现了一种通用的算法。
55.步骤三、根据预设计的隧道断面轮廓基本信息拟定所述标准五心圆轮廓参数，绘制所选择的隧道断面轮廓；
56.注：隧道断面轮廓基本信息，是根据实际使用工况，例如交通空间需求，以及土建参数等计算拟定的有关隧道断面形状、大小的参数，包括各段圆弧半径、弧度、圆心，在绘制隧道断面的工作中是已知的参数。在隧道设计中，根据计算拟定的隧道断面轮廓基本信息，绘制隧道断面形状，再进行复核，反复调节参数，修改绘图，复核，直至绘制的隧道断面轮廓满足实际使用工况，完成隧道设计中隧道断面绘制的工作。根据所绘制的隧道断面轮廓，计算出每延米与拟定隧道断面有关的待施工的工程数量。
57.进一步地，所述步骤三包括如下步骤：1)拟定第一圆弧arc1的圆心q1坐标(x1，h1)、弧度a1和半径r1，在圆心q1(x1，h1)正上方绘制第一圆弧arc1；拟定第五圆弧arc5的半径r5、弧度a5、圆心q5坐标(x1，h1+r5-h5)，h5为第五圆弧arc5最低点距第一圆弧arc1圆心
等，在本说明书中指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便理解本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的部分、元件或整体必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
73.此外，如果出现了次序描述用语，例如：“第一”、“第二”等，在本说明书中的用途是为了便于理解或简化描述，例如，为了区分多个具有相同类型或功能的技术特征，而又不得不单独提及时，本说明书可能采用前缀或后缀次序描述用语的方式将其区分。因此，不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
74.在本发明中，如果采用了结构相对作用关系描述用语，例如：“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，除非另有明确的规定和限定，否则应做广义的理解。例如，“安装”、“相连”、“连接”等，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系；“固定”可以是形成一体的固定，也可以是通过紧固件可拆卸的固定；可以是直接固定，也可以是通过中间媒介固定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况、所处的语境、前后文的文意连贯性等理解上述描述用语在本发明中的具体含义。
75.在本发明中，如果出现了含有附属或连接含义的描述用语，例如，第一特征在第二特征“上”或“下，除非另有明确的规定和限定，否则不应做限定性的理解，例如，“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，也可以是第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况、所处的语境、前后文的文意连贯性等理解上述描述用语在本发明中的具体含义。
76.进而，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
77.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述，并不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例、示例以及不同实施例、示例的特征进行结合和组合，这些结合或组合都应归入本发明所概括的范围之内。
78.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在其公开渠道可以获得的信息范围内，结合本技术文件所给出的技术启示，可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。