公路隧道参数化设计智能辅助系统

公路隧道设计是一项涉及地质、结构、机电、给排水等多专业的复杂系统性工程。传统CAD 辅助设计方式虽已普及，但本质上仍是“电子图板”，设计师需要投入大量精力进行重复性的绘图工作。一旦初始参数（如围岩等级、内轮廓尺寸等）发生变化，所有关联图纸均需手动修改，过程极易出错且效率低下。

一、 引言

参数化设计[1， ，4]通过建立图形与参数之间的关联关系，用参数而非固定的图元来驱动模型。当关键参数改变时，系统能自动更新所有与之关联的图形与数据，从而极大提升 5]作为一个成熟、稳定、高效的开发平台，提供了强大的Windows窗体用于构建丰富的用户界面以及出色的计 访问能力，是开发此类复杂工程应用软件的理想选择。本系统正是基于.NET 框架，深度融合隧道设计规范与工程师经验，开发的一款面向实际隧道工程应用的智能辅助设计系统。

二、系统开发标准和方法

1、开发标准

以交通部现行行业推荐标准《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）、《公路隧道设计规范》第一册 土建工程（JTG 3370.1-2018）、《公路隧道设计规范》第二册 交通工程与附属设施（JTG D70/2-2014）等标准和规范作为隧道专业软件编制的依据。（2）软件开发规范和标准

（1）隧道设计采用的标准和规范软件开发遵循 《计算机软件开发规范GB8566-88》。

2、开发方法

（1）表现层：采用WinForms 技术构建，提供直观、流畅、交互性强的图形用户界面（GUI）。通过选项卡、功能区、图形视图区等控件，清晰组织五大功能模块，使用户能够轻松输入参数、预览效果、导出成果。（2）业务逻辑层：系统的核心“大脑”。包含各设计模块的算法实现，如衬砌几何构造算法、纵断面自动布设算法、通风照明计算公式、三维布尔运算逻辑等。该层接收表现层的参数指令，进行处理计算，并将结果返回。

（3）数据访问层：负责所有数据的持久化与管理。使用文件存储方式，能否方便保存标准图库、材料库、设计参数、成果图纸等信息。（4）图形引擎层：系统图纸生成的核心。通过集成.NET 环境的AutoCAD .NET API 实现对CAD 图形的精准、高效控制和三维模型的创建与操作，确保输出图纸符合工程制图标准。

1、衬砌设计模块：包含暗洞衬砌和明洞衬砌两种类型，暗洞衬砌下分单心圆无仰拱、单心圆有仰拱、三心圆无仰拱、三心圆有仰拱、五心圆无仰拱、五心圆有仰拱等六种类型，明洞衬砌下分单心圆、三心圆、五心圆等三种类型，通过参数设置一键生成建筑限界与内轮廓图、衬砌断面设计图、超前支护设计图、钢拱架设计图、衬砌配筋设计图等五种通用性强的设计图，还包括有仰拱直边墙、无仰拱直边墙、竖井等特殊衬砌类型。

三、系统功能模块

系统采用C/S（客户端/服务器）架构，以.NET Framework 4.8 作为核心开发平台，主要分为以下四个层次：

2、平纵断面设计模块：包含隧道平面布置图绘制和纵断面绘制。根据隧道分段围岩地质信息，智能完成隧道的纵断面衬砌类型选用预设计，自动绘制隧道（地质）纵断面设计图及隧道平面布置图（含横通道、紧急停车带），输入隧道起止桩号参数自动生成隧道主洞三维设计模型。

实现多方式绘制线段、圆弧、多段线、填充、文本、块等几何实体，多段线合并算法，几何实体的相交判定，几何实体集合预览图的创建和显示，几何体及其集合的包围盒的获取。

5、交叉口设计模块：在平面布置图基础上，输入交叉口桩号、交叉口布置、断面尺寸等参数，自动生成主洞车行横通道、斜井等与主洞交叉口的三维设计模型，并对交叉结构进行布尔运算，生成俯视图和剖面图。

3、洞门设计模块：包含自动绘制洞门立面、纵断面、平面、典型横断面设计图，并可根据输入的明洞长度进行自动调整。4、机电设计模块：根据交互系统参数输入，实现隧道照明亮度计算、灯具自动布置、消防系统水压公式计算、供配电系统公式计算及短路初步校核、隧道机电设施洞内预留预埋自动布置及出图。

四、系统算法应用

1、基本几何操作

实现几何实体及其集合的旋转、平移、缩放、镜像、投影等基本变换操作，文字镜像方向特殊处理，世界坐标系和平面坐标系变换矩阵的创建，几何体从世界坐标系到平面坐标系的正变换和逆变换。

通过拉伸、扫掠等算法实现基本三维实体的构造，实现自相交曲线分段扫掠算法，三维几何体的并集、交集和差集的布尔运算，通过边界表示法（BREP）获取三维实体的边界实体集合，实现三维实体分割、截面、投影等操作。

4、三维实体操作

面向对象继承特性，对隧道设计27 种衬砌类型进行了封装，实现参数设计简便和代码可重用性；隧道设计参数众多，多达70-100 个，通过反射、序列化、数据绑定、深拷贝等技术，实现参数的保存、导入和参数与界面的同步。

实现向量的点乘叉乘和点积叉积、角度和弧度相互转换、文本样式和标注样式的动态创建、视口的创建和适配、Windows 注册表动态读写、系统安装程序Autocad 版本适配等。

对于不同衬砌类型，系统采用统一用户界面，输入衬砌设计参数后，点击相应按钮即可一键生成建筑限界图、内轮廓图、衬砌断面设计图、超前支护设计图、钢拱架设计图、衬砌配筋设计图。在此以有仰拱三心圆衬砌类型为例，如图1、图2 所示分别为为暗洞和明洞的衬砌断面软件界面及输出成果。

隧道衬砌均需要生成延米工程数量表且格式不一，通过总结数量表的规律和利用递归算法、自定义属性、反射等技术，对原始表格理API 进行二次封装，实现了多信息、多层级表格的动态生成。

7、其他算法

6、表格绘制框架五、系统功能实现

1、衬砌设计模块

2、平纵断面设计模块

（1）隧道纵断面设计：通过选取已有图纸的围岩级别信息位置，拾取地面线、路线等图元，输入隧洞起止桩号、拱顶深埋分界值、车道类型、人行横通道桩号列表、车行横通道桩号列表等信息，自动生成隧道分段衬砌类型及施工辅助措施、人行横通道和车行横通道标注、围岩级别、衬砌及明洞长度统计表，如图3 所示为隧道纵断面设计软件界面及输出成果。

（2）隧道平面布置图设计：输入人行横通道和车行横通道桩号，只需选择选择右线多段线，即可准确定位横通道位置，生成示意线、桩号以及编号等横通道标注图元；输入隧道左右线的起止桩号以及断面衬砌参数文件即可生成隧道三维模型，如图 4 所示为隧道平面布置图设计软件界面及输出成果。

图4 隧道平面布置图设计软件界面及输出成果

3、洞门设计模块

该模块支持端墙式洞门和削竹式洞门设计，通过导入洞门衬砌参数自动判断衬砌类型和洞门类型，形成相应输入参数界面，选择立面设计标高和纵断面设计标高位置、立面图地面线和纵断面图地面线，输入相关洞门参数，即可一键绘制洞门立面、平面、纵断面设计图，如图5 所示为洞门设计软件界面及输出成果。

A洞门设计 □ ×

导入村砌影数 有仰拱一心園-路墅式明 选择立面设计标高 x：2291，：1421 选择纵断面设计标高 x：2365，y：1423 绘制立面和平面

隧道左右线进出口选择：左线进口 选择立面地面线 已选取 选择纵断面地面线 已选取 绘制纵断面洞口参数 洞顶水沟坡度离设计线远侧 帕纵向厚度 100 一洞口电缆井长度-左侧 495 洞顶水沟底到二村顶的距离 160 渭顶水沟右边纵向厚度 80洞口电线井长度-右侧 320 洞顶水沟顶到洞门帽檐顶的距离 180 明洞长度 600洞口水沟转角-左侧 45 度 路基参数 洞口左廷长段 150洞口水沟转角-右侧 45 度 路缘带宽度 75 路基边沟克 60 墙厚度绿化平台宽度 硬路肩宽度 300 路基边沟深 100 培趾顶到设计标高的距高土路房光度 75 路基边沟厚度25 墙趾宽度 60墙趾深度 60墙趾底面坡率！： 588

图5 洞门设计软件界面及输出成果

4、机电设计模块

通过输入左右洞起终点桩号，选择车道类型，输入左右线人行横通桩号、车行横通桩号、洞内变电所预留预埋桩号、基本照明桩号、加强照明桩号、风机桩号等必要信息，即可一键生成机电设计图模型视图，然后再生成布局空间的通用图，如图 6 所示机电设计软件界面及输出成果。

图6 机电设计软件界面及输出成果

5、交叉口设计模块

交叉口设计模块基于隧道平面模块完成，直接在平面布置图的路线多段线上实时绘制，生成左右洞多段线成功后，输入右线斜井桩号右线轴线与斜井夹角角度、左线斜井两段坡度等参数即可绘制斜井交叉口的三维设计图、剖面图和平面图。如图 7 所示为交叉口设计软件界面及输出成果。

图7 交叉口设计软件界面及输出成果

六、 系统优势与创新点

1、全参数化驱动，效率倍增

系统采用全参数化驱动方式，将设计师从繁重的重复性绘图工作中彻底解放，使其能够专注于方案设计、优化及创新。衬砌及相关图纸绘制均可通过调整参数快速响应，将修改时间从传统的“小时级”大幅压缩至“分钟级”，极大提升了设计效率和项目整体推进速度。

系统深度融合了内置知识库，集成了行业设计规范、标准图集及专家经验，并将其固化为智能算法。这一机制不仅有效保证了设计成果的统一性和规范化，也显著减少了人为差错，提升了设计标准化。

3、三维可视化，设计直观

系统提供三维可视化设计环境，尤其在处理车行横通道、斜井等与主洞交叉口复杂场景时，依托三维模型与实时布尔运算，使设计过程更加直观、结果更加精确。这不仅提升了设计质量，还有效改善了专业协同与多方沟通的效率。

七、 结论与展望

本文所阐述的公路隧道参数化设计智能辅助系统是 款面向工程实践、旨在解决行业痛点的专业软件。它成功地将参数化设计理念应用于隧道工程设计全流程，通过集成化、智能化的手段，实现了设计过程的自动化、标准化和协同化，显著提升了设计效率和质量。未来，本系统可进一步与BIM 技术深度结合，实现从设计、施工到运维的全生命周期管理。同时，可引入人工智能算法，如基于地质大数据智能推荐支护参数，或利用机器学习优化通风照明方案，使系统变得更加“智慧”，持续推动隧道工程设计行业的科技进步与产业升级。

参考文献

[1] 饶 丹 ， 向 柏 霖 ， 秦 粮 凯 ， 等 . 某 公 路 隧 道 三 维 模 型 参 数 化 构 建 研 究 [J]. 山 西 建筑，2025，51（07）：134-137.DOI：10.13719/j.cnki.1009-6825.2025.07.029.

[2]王亚东. 基于 BIM 技术的隧道参数化设计及支护的二次开发研究[D]. 太原科技大学， 2023. DOI：10.27721/d.cnki.gyzjc.2023.00043

[3]张兆杰，田志宇，林国进.基于.NET 的隧道参数化设计研究[J].北方交通，2019，（09）：87-90.DOI：10.15996/j.cnki.bfjt.2019.09.023.

[4]包鹤立.明挖隧道主体结构参数化设计研究[J].中国

[5]王昀.公路隧道辅助设计系统[D].交通大学，201

课题来源：科研项目《公路隧道参数化设计智能辅助系统》（项目编号：KJ-24GE31C1-1）