地鐵限界設(shè)計(jì)自動(dòng)成形系統(tǒng)

韓林凱， 溫朋哲， 高士杰

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

地鐵工程設(shè)計(jì)涉及專業(yè)眾多、任務(wù)分工明確、相互配合密切[1]。得益于我國(guó)幾十年來(lái)的地鐵項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累及設(shè)計(jì)規(guī)范的不斷完善，各專業(yè)設(shè)計(jì)逐漸規(guī)范化且設(shè)計(jì)效率不斷提升。

CJJ/T 96—2018《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，標(biāo)志著限界設(shè)計(jì)理念的進(jìn)一步深入。CJJ/T 96—2018是地鐵工程限界設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，也是各地方標(biāo)準(zhǔn)限界篇章內(nèi)容編制的主要參照規(guī)范，給出了A1、A2、B1、B2四種車型車輛、設(shè)備和建筑限界的設(shè)計(jì)原理及計(jì)算公式。相對(duì)于CJJ 96—2003，CJJ/T 96—2018 適用速度等級(jí)提升到120 km/h，并補(bǔ)充了A1型地鐵車輛標(biāo)準(zhǔn)限界；對(duì)直線段設(shè)備限界的計(jì)算公式進(jìn)行了優(yōu)化，在車輛輪廓不變且計(jì)算速度等級(jí)提升的情況下，給出的直線段車輛、設(shè)備限界尺寸減小；同時(shí)對(duì)曲線段設(shè)備限界的計(jì)算公式做了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，使其更加便于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用。為滿足新建地鐵項(xiàng)目限界設(shè)計(jì)的需求，本文對(duì)CJJ/T 96—2018給出的曲線段設(shè)備限界計(jì)算方法進(jìn)行程序化，基于AutoCAD2014 制圖軟件，編制完成地鐵限界設(shè)計(jì)自動(dòng)成形系統(tǒng)。

1 曲線段設(shè)備限界計(jì)算流程

曲線段設(shè)備限界計(jì)算分兩步：先計(jì)算未按軌道超高值進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的曲線設(shè)備限界，再按軌道超高值進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到特定曲線半徑及特定軌道超高條件下的設(shè)備限界[2]。

1.1 無(wú)軌道超高時(shí)的計(jì)算

A1和B1型車輛為受流器受電車輛，A2和B2型車輛為受電弓受電車輛；因此，A1和B1型車輛曲線段應(yīng)按車體、受流器、轉(zhuǎn)向架三類設(shè)備限界控制點(diǎn)分別進(jìn)行加寬計(jì)算，A2和B2型車輛曲線段應(yīng)按受電弓、車體、轉(zhuǎn)向架三類設(shè)備限界控制點(diǎn)分別進(jìn)行加寬計(jì)算。

對(duì)于限界加高，通常在直線段設(shè)備限界給予考慮，可認(rèn)為曲線段設(shè)備限界加高值未考慮超高時(shí)為0。

CJJ/T 96—2018規(guī)定受電弓及接觸軌部位設(shè)備限界不加寬。假設(shè)A點(diǎn)為某一設(shè)備限界控制點(diǎn)（非受電弓和接觸軌部位），其直線段X軸坐標(biāo)為XA，Y軸坐標(biāo)為YA，曲線段X軸坐標(biāo)為X1A，Y軸坐標(biāo)為Y1A，曲線段加寬值為△X，加高量為0；則X1A、Y1A分別滿足

ΔX計(jì)算取決于車型、軌道形式，詳見(jiàn)CJJ/T 96—2018，本文不再贅述。需要注意的，CJJ/T 96—2018中4.2.2、5.2.2、6.2.2、7.2.2給出的加寬公式未對(duì)轉(zhuǎn)向架部分的設(shè)備限界控制點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，其計(jì)算結(jié)果偏大；當(dāng)需要精確計(jì)算時(shí)，建議采用CJJ/T 96—2018 中3.2.4、3.2.5和3.2.6給出的公式。

1.2 特定軌道超高時(shí)計(jì)算

設(shè)車體在軌道超高影響旋轉(zhuǎn)后，曲線外側(cè)A點(diǎn)X軸坐標(biāo)為軸坐標(biāo)為曲線內(nèi)側(cè)A點(diǎn)X軸坐標(biāo)為Y軸坐標(biāo)為，則分別滿足[3]

式中：α為軌道超高角，標(biāo)準(zhǔn)軌距h條件下滿足α= sin-1（h1 500） 。

2 自動(dòng)成形系統(tǒng)二次開發(fā)

2.1 二次開發(fā)工具

ObjectARX 是AutoCAD 提供的開發(fā)工具，其編制語(yǔ)言主要以C++為基礎(chǔ)，提供了基于WindowsDLL 的編譯應(yīng)用程序環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)AutoCAD、AutoLISP 和ADS 集成化運(yùn)行[4]；同時(shí)擁有非常豐富的類庫(kù)及相關(guān)的成員函數(shù)，既可以省去基礎(chǔ)編程過(guò)程，又可以將成員函數(shù)與各種類庫(kù)相互組合實(shí)現(xiàn)最終的程序功能，具有良好的應(yīng)用擴(kuò)展性。

ObjectARX 可直接利用C++語(yǔ)言進(jìn)入AutoCAD 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)文檔文件以及AutoCAD 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)快速訪問(wèn)等功能[5]。用戶能夠重新定義并修改Auto-CAD本身的命令，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的設(shè)計(jì)功能。

2.2 程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)成形系統(tǒng)是基于C++語(yǔ)言開發(fā)而成的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要包括：數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算以及CAD繪圖3 個(gè)模塊，能自動(dòng)計(jì)算A1、A2、B1、B24 種車型在不同線路條件下的設(shè)備限界并自動(dòng)繪制成圖、輸出Excel表格文件。見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)備限界計(jì)算系統(tǒng)模塊

2.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)文件的建立和訪問(wèn)功能，通過(guò)創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，將Excel 文件中的設(shè)備限界坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)相關(guān)計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持；同時(shí)負(fù)責(zé)將加寬旋轉(zhuǎn)后的設(shè)備限界坐標(biāo)輸出到Excel文件中。

2.2.2 計(jì)算模塊

負(fù)責(zé)將計(jì)算公式程序化。計(jì)算模塊主要包括：不考慮超高值前提下圓曲線段設(shè)備限界加寬計(jì)算及考慮超高值后圓曲線段設(shè)備限界加寬計(jì)算。用戶可根據(jù)系統(tǒng)提示，輸入曲線半徑及軌道超高值。

2.2.3 CAD繪圖模塊

讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)備限界坐標(biāo)，采用ClineUtil::Add（startPoint,endPoint）命令，通過(guò)設(shè)置繪制直線的起訖點(diǎn)并循環(huán)執(zhí)行該命令，將數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)繪制在AutoCAD 的模型空間中；同時(shí)設(shè)置標(biāo)注命令，可生成標(biāo)注圖層并將各控制點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的標(biāo)注，實(shí)現(xiàn)設(shè)備限界圖的基本繪制。

2.3 界面

系統(tǒng)最終成果為ARX 文件，為提高計(jì)算效率，精簡(jiǎn)程序，根據(jù)4 種車型不同的加寬算法編制成4 個(gè)ARX文件。具體應(yīng)用時(shí)，根據(jù)車型通過(guò)AutoCAD加載應(yīng)用程序的方式加載對(duì)應(yīng)的ARX文件。見(jiàn)圖2。

圖2 加載限界計(jì)算ARX文件

進(jìn)入系統(tǒng)后，對(duì)AutoCAD 進(jìn)行初始化設(shè)置，包括：修改標(biāo)題欄名稱、加載設(shè)備限界計(jì)算菜單等。

點(diǎn)擊限界計(jì)算菜單欄中【新建項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)】按鈕，新建數(shù)據(jù)庫(kù)文件，點(diǎn)擊該文件【打開】按鈕即可鏈接至該數(shù)據(jù)庫(kù)文件。點(diǎn)擊限界計(jì)算菜單欄中的【導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)】按鈕，選擇要導(dǎo)入的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，該文件內(nèi)容為原始設(shè)備限界坐標(biāo)點(diǎn)及相應(yīng)坐標(biāo)值。點(diǎn)擊限界計(jì)算菜單欄中【繪制加寬后限界】按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)繪制未考慮超高值時(shí)的設(shè)備限界圖；如要考慮設(shè)置超高值，則可點(diǎn)擊限界計(jì)算菜單欄中【增設(shè)超高值】按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)繪制增設(shè)超高值后的設(shè)備限界圖。點(diǎn)擊限界計(jì)算菜單欄中【標(biāo)注控制點(diǎn)點(diǎn)號(hào)】按鈕即可將各控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)號(hào)標(biāo)注于“標(biāo)注”圖層中。點(diǎn)擊限界計(jì)算菜單欄中【Excel 輸出坐標(biāo)】按鈕即可將系統(tǒng)計(jì)算后加寬的設(shè)備限界坐標(biāo)輸出為Excel文件。見(jiàn)圖3。

圖3 限界計(jì)算菜單項(xiàng)

3 應(yīng)用實(shí)例

以A2型車輛為例，計(jì)算其在曲線半徑300 m、軌道超高120 mm條件下的設(shè)備限界坐標(biāo)值。見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)操作流程

步驟1：加載“HLK 限界計(jì)算項(xiàng)目-A2.arx”程序，新建項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)入A2型車輛直線段區(qū)間設(shè)備限界Excel 數(shù)據(jù)文件，系統(tǒng)將自動(dòng)繪制直線段設(shè)備限界。見(jiàn)表1和見(jiàn)圖5。

表1 直線段設(shè)備限界控制點(diǎn)坐標(biāo)mm

圖5 直線段設(shè)備限界

步驟2：根據(jù)命令欄提示輸入曲線半徑值300 m，點(diǎn)擊繪制加寬后限界，生成設(shè)備限界。見(jiàn)圖6。

圖6 曲線半徑300 m設(shè)備限界

步驟3：根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)置超高值，此處設(shè)置超高為120 mm，系統(tǒng)自動(dòng)繪制圖形。見(jiàn)圖7。

圖7 曲線半徑300 m且超過(guò)120 m設(shè)備限界

步驟4：添加坐標(biāo)點(diǎn)號(hào)。

步驟5：將加寬旋轉(zhuǎn)后的設(shè)備限界坐標(biāo)輸出到Excel文件，得到曲線半徑300 m、超高120 mm情況下設(shè)備限界控制點(diǎn)坐標(biāo)，見(jiàn)表2和表3。

表2 曲線外側(cè)設(shè)備限界控制點(diǎn)坐標(biāo)mm

表3 曲線內(nèi)側(cè)設(shè)備限界控制點(diǎn)坐標(biāo)mm

續(xù)表3

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通行業(yè)快速發(fā)展，新技術(shù)、新規(guī)范的實(shí)施對(duì)工程設(shè)計(jì)提出了新的要求。地鐵限界設(shè)計(jì)自動(dòng)成形系統(tǒng)以最新地鐵限界設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，可精確計(jì)算并繪制曲線段設(shè)備限界并輸出曲線段設(shè)備限界控制點(diǎn)坐標(biāo)表格，實(shí)現(xiàn)了地鐵工程限界設(shè)計(jì)的程序化，提高了限界設(shè)計(jì)效率；下一步將進(jìn)一步完善此程序，使其能夠計(jì)算并繪制緩和曲線段設(shè)備限界。