李 智 基

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

0 引言

鐵路物流中心站一類的場(chǎng)站往往由于其布置規(guī)模較大，場(chǎng)坪設(shè)計(jì)工作體量巨大，耗費(fèi)人力資源，嚴(yán)重影響和制約了工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作進(jìn)度。因此，有必要研究一種新的場(chǎng)坪設(shè)計(jì)方法，以提升該類大型場(chǎng)坪設(shè)計(jì)的工作效率和成果質(zhì)量。

1 場(chǎng)坪設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

國(guó)內(nèi)對(duì)場(chǎng)坪設(shè)計(jì)的研究主要集中在場(chǎng)坪標(biāo)高設(shè)計(jì)、場(chǎng)坪地基處理、場(chǎng)坪承載力等方面，對(duì)于鐵路物流中心場(chǎng)坪具體設(shè)計(jì)工作研究較少。鐵路物流中心作為一類大規(guī)模的場(chǎng)站，其設(shè)計(jì)方法通常采用平面與橫斷面設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，存在諸多問(wèn)題：

1)橫斷面法適用于地形為狹長(zhǎng)地帶的土地平整方量計(jì)算，特別是線路工程的方量計(jì)算。場(chǎng)坪寬度通常數(shù)百米的物流中心場(chǎng)站若采用橫斷面法開(kāi)展設(shè)計(jì)，操作起來(lái)比較繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難度較大，設(shè)計(jì)效率低下。

2)大范圍的路基橫斷面在外業(yè)測(cè)量時(shí)操作較為復(fù)雜，測(cè)量精度取決于斷面的密度及平行度，對(duì)外業(yè)測(cè)量工作的要求更高，勘察工作難度較大。

2 場(chǎng)坪設(shè)計(jì)解決方案

在分析場(chǎng)坪設(shè)計(jì)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，本次研究擬采用基于參數(shù)化網(wǎng)格算法，通過(guò)ObjectARX的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)DWG文件中地形數(shù)據(jù)快速重采樣、場(chǎng)坪設(shè)計(jì)參數(shù)化建模、路基邊坡建模、土石方計(jì)算及成果輸出等功能。研究?jī)?nèi)容主要分以下三部分。

2.1 三維地形數(shù)據(jù)處理及建模

2.1.1地形數(shù)據(jù)重采樣

通過(guò)ObjectARX實(shí)現(xiàn)DWG圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的直接訪問(wèn)，根據(jù)特定判定算法識(shí)別等高線(LWPOLYLINE)和高程控制點(diǎn)(POINT、塊參照)等作為地形數(shù)據(jù)采樣依據(jù)，用戶通過(guò)可視化界面對(duì)初步采樣成果進(jìn)行過(guò)濾，消除異常高程點(diǎn)的影響，可視化基于GDI雙緩沖繪圖原理實(shí)現(xiàn)，動(dòng)畫(huà)流暢自然，易于操作。

重采樣過(guò)程中，高程控制點(diǎn)全部加入采樣成果列表，等高線按照5 m間隔重采樣。鑒于目前個(gè)別項(xiàng)目中存在地形多層重復(fù)現(xiàn)象，為提高構(gòu)建地形三角網(wǎng)的穩(wěn)定性及效率，程序?qū)?duì)于點(diǎn)位整體進(jìn)行檢測(cè)，去除重復(fù)點(diǎn)(距離小于0.2 m認(rèn)為重復(fù))。由于浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算特性，地形處理過(guò)程中設(shè)定浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算容許誤差為10-5(相當(dāng)于地形數(shù)據(jù)有效精度0.1 mm)。

2.1.2地形數(shù)據(jù)建模

地形建模基于開(kāi)源CGAL實(shí)現(xiàn)，滿足Delaunay三角剖分原則，CGAL是Computational Geometry Algorithms Library(計(jì)算幾何算法庫(kù))的縮寫(xiě)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是，以C++庫(kù)的形式，提供方便，高效，可靠的幾何算法。計(jì)算幾何算法庫(kù)CGAL可用于各種需要幾何計(jì)算的領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，科學(xué)可視化，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和建模，地理信息系統(tǒng)，分子生物學(xué)，醫(yī)學(xué)成像，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，網(wǎng)格生成，數(shù)值方法等等。它可以提供計(jì)算幾何相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，諸如三角剖分、多邊形、多面體、網(wǎng)格生成、幾何處理、凸殼算法，搜索結(jié)構(gòu)，插值，形狀分析，擬合，距離曲線整理及其應(yīng)用等。本次研究采用CGAL提供的三角剖分的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模，為后續(xù)場(chǎng)坪設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

2.2 場(chǎng)坪數(shù)據(jù)處理及建模方法

2.2.1場(chǎng)坪模型的建立

場(chǎng)坪數(shù)據(jù)處理和建模的核心算法在于路基邊坡與地面模型的快速求交，凸點(diǎn)椎體建模以及凹點(diǎn)相鄰邊坡的相交裁剪。場(chǎng)坪路肩需要由用戶自主創(chuàng)建，程序拾取路肩線并進(jìn)行分析。首先進(jìn)行控制點(diǎn)序列是否符合逆時(shí)針排列判定，如果不符合，做一次逆序操作，轉(zhuǎn)換為逆時(shí)針序列。相關(guān)判定可根據(jù)相鄰邊向量積的方向?qū)崿F(xiàn)。程序內(nèi)置邊坡參數(shù)，用戶可根據(jù)自身項(xiàng)目修改。

2.2.2邊坡模型的建立

邊坡模型是在建立地形建模和場(chǎng)坪模型的基礎(chǔ)上求交運(yùn)算而成。對(duì)于凸點(diǎn)繪制椎體邊坡線按照2°步進(jìn)，直線邊按照1 m步進(jìn)。邊坡線與地面模型求交運(yùn)算量大，需反復(fù)遍歷三角網(wǎng)。由于邊坡具有連續(xù)性，程序搜索過(guò)程中，將記錄上一次搜索結(jié)果，優(yōu)先由上一次結(jié)果的位置開(kāi)始搜索，該方法顯著的提高搜索的效率，實(shí)現(xiàn)邊坡模型的快速生成。對(duì)于凹點(diǎn)的邊坡裁剪，令邊坡線與該點(diǎn)沿Z軸的角平分面求交即可。

2.3 基于參數(shù)化網(wǎng)格的土石方計(jì)算法

2.3.1參數(shù)化網(wǎng)格計(jì)算法

網(wǎng)格法是將設(shè)計(jì)場(chǎng)坪區(qū)域按一定的寬度切割為若干個(gè)方格，在方格內(nèi)測(cè)定點(diǎn)的高程及四角高程，結(jié)合場(chǎng)坪的高程，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格根據(jù)四角高程的平均值得到方格所在區(qū)域的體積，每一個(gè)方格的體積之和即得到整個(gè)區(qū)域的土方工程量。

參數(shù)化網(wǎng)格法則是在網(wǎng)格法的基礎(chǔ)上，對(duì)方格的寬度、場(chǎng)坪的高程分別進(jìn)行了參數(shù)化定義，應(yīng)用中通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)格的寬度大小，得到不同精度的計(jì)算結(jié)果。網(wǎng)格間距越小，計(jì)算精度越高，計(jì)算量越大，結(jié)果越精確。同時(shí)，高精度的計(jì)算對(duì)地形數(shù)據(jù)的要求也越高。

2.3.2土石方數(shù)量計(jì)算

本次研究在地形建模、場(chǎng)坪建模、假定場(chǎng)坪標(biāo)高的基礎(chǔ)上，用戶通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)格劃分的大小，逐個(gè)網(wǎng)格計(jì)算場(chǎng)坪與地面的高差，分別計(jì)算得出每個(gè)網(wǎng)格的填挖方量，之后加和得到整個(gè)場(chǎng)坪的填挖方量。計(jì)算前基于坡腳線外輪廓先對(duì)原地形數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪以加快后續(xù)遍歷速度。計(jì)算完成后，程序?qū)⒆詣?dòng)生成土石方計(jì)算報(bào)告，計(jì)算成果Excel文件由libXL庫(kù)創(chuàng)建。土石方報(bào)告包括路肩控制點(diǎn)坐標(biāo)、分段填挖方統(tǒng)計(jì)及匯總、地形最高點(diǎn)、地形最低點(diǎn)、最大填高、最大挖深、網(wǎng)格參數(shù)等信息。

3 工程實(shí)例

某物流中心站為規(guī)劃區(qū)域二級(jí)物流基地，項(xiàng)目主要由鐵路作業(yè)區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)、配送區(qū)、加工區(qū)、公路港、海關(guān)監(jiān)管區(qū)、商貿(mào)服務(wù)區(qū)(包括停車區(qū)、加油站等)和預(yù)留區(qū)組成。本文以該物流中心場(chǎng)站預(yù)可研階段設(shè)計(jì)工作為例，通過(guò)程序軟件建立地形三維模型和物流基地場(chǎng)坪及邊坡模型，通過(guò)調(diào)整場(chǎng)坪的標(biāo)高和網(wǎng)格參數(shù)大小，分析土石方計(jì)算輸出數(shù)據(jù)，確定合理場(chǎng)坪標(biāo)高取值為335 m，占地規(guī)模20.3 hm2。

實(shí)驗(yàn)首先需要布置物流中心站場(chǎng)平面方案(見(jiàn)圖1)，按照占地需求對(duì)地形數(shù)據(jù)、場(chǎng)坪數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，對(duì)邊坡參數(shù)進(jìn)行邊界分析，計(jì)算坡腳、塹頂線，生成滿足Delaunay三角剖分原則的場(chǎng)坪三維模型，利用程序輸出坡腳、塹頂線，并生成物流基地的三維模型，如圖2所示。

根據(jù)程序提示輸入網(wǎng)格參數(shù)值，輸入網(wǎng)格參數(shù)范圍為0.5 m～20 m，網(wǎng)格劃分越小，精度越高，計(jì)算量也越大。根據(jù)實(shí)例計(jì)算結(jié)果分析，最后網(wǎng)格精度確定為2.0×2.0。參數(shù)值確定后程序可自動(dòng)計(jì)算土石方工程數(shù)量并輸出土石方計(jì)算報(bào)告(見(jiàn)表1)。

表1 實(shí)例輸出土石方計(jì)算報(bào)告

項(xiàng)目名稱：XX二級(jí)物流中心場(chǎng)站

版本：Ewc202004007155742

程序計(jì)算得出土石方數(shù)量之后，可選擇性輸出DWG格式的計(jì)算過(guò)程和成果文件，其中包含地形三維模型、場(chǎng)坪三維模型(線框)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)、邊界框及工程數(shù)量匯總等信息，填挖方以不同顏色區(qū)分如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以參數(shù)化網(wǎng)格計(jì)算法為核心的物流中心場(chǎng)坪設(shè)計(jì)模塊的開(kāi)發(fā)，能快速完成整個(gè)場(chǎng)地的土方量數(shù)量計(jì)算，并根據(jù)輸出結(jié)果分析，能動(dòng)態(tài)地調(diào)整場(chǎng)坪標(biāo)高并確定合理的工程的填挖方量。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，本方法能有效地提高鐵路物流中心場(chǎng)坪設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度，縮短設(shè)計(jì)周期，提高生產(chǎn)效率，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。