鐵路物流中心站場坪設計應用研究★

李 智 基

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

0 引言

鐵路物流中心站一類的場站往往由于其布置規模較大，場坪設計工作體量巨大，耗費人力資源，嚴重影響和制約了工程項目設計工作進度。因此，有必要研究一種新的場坪設計方法，以提升該類大型場坪設計的工作效率和成果質量。

1 場坪設計問題分析

國內對場坪設計的研究主要集中在場坪標高設計、場坪地基處理、場坪承載力等方面，對于鐵路物流中心場坪具體設計工作研究較少。鐵路物流中心作為一類大規模的場站，其設計方法通常采用平面與橫斷面設計相結合的方法，存在諸多問題：

1)橫斷面法適用于地形為狹長地帶的土地平整方量計算，特別是線路工程的方量計算。場坪寬度通常數百米的物流中心場站若采用橫斷面法開展設計，操作起來比較繁瑣，費時費力，難度較大，設計效率低下。

2)大范圍的路基橫斷面在外業測量時操作較為復雜，測量精度取決于斷面的密度及平行度，對外業測量工作的要求更高，勘察工作難度較大。

2 場坪設計解決方案

在分析場坪設計問題的基礎上，本次研究擬采用基于參數化網格算法，通過ObjectARX的開發，實現DWG文件中地形數據快速重采樣、場坪設計參數化建模、路基邊坡建模、土石方計算及成果輸出等功能。研究內容主要分以下三部分。

2.1 三維地形數據處理及建模

2.1.1地形數據重采樣

通過ObjectARX實現DWG圖形數據庫的直接訪問，根據特定判定算法識別等高線(LWPOLYLINE)和高程控制點(POINT、塊參照)等作為地形數據采樣依據，用戶通過可視化界面對初步采樣成果進行過濾，消除異常高程點的影響，可視化基于GDI雙緩沖繪圖原理實現，動畫流暢自然，易于操作。

重采樣過程中，高程控制點全部加入采樣成果列表，等高線按照5 m間隔重采樣。鑒于目前個別項目中存在地形多層重復現象，為提高構建地形三角網的穩定性及效率，程序將對于點位整體進行檢測，去除重復點(距離小于0.2 m認為重復)。由于浮點數的運算特性，地形處理過程中設定浮點數計算容許誤差為10-5(相當于地形數據有效精度0.1 mm)。

2.1.2地形數據建模

地形建模基于開源CGAL實現，滿足Delaunay三角剖分原則，CGAL是Computational Geometry Algorithms Library(計算幾何算法庫)的縮寫，其設計目標是，以C++庫的形式，提供方便，高效，可靠的幾何算法。計算幾何算法庫CGAL可用于各種需要幾何計算的領域，如計算機圖形學，科學可視化，計算機輔助設計和建模，地理信息系統，分子生物學，醫學成像，機器人運動規劃，網格生成，數值方法等等。它可以提供計算幾何相關的數據結構和算法，諸如三角剖分、多邊形、多面體、網格生成、幾何處理、凸殼算法，搜索結構，插值，形狀分析，擬合，距離曲線整理及其應用等。本次研究采用CGAL提供的三角剖分的數據結構和算法，對地形數據進行了建模，為后續場坪設計做好準備。

2.2 場坪數據處理及建模方法

2.2.1場坪模型的建立

場坪數據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，凸點椎體建模以及凹點相鄰邊坡的相交裁剪。場坪路肩需要由用戶自主創建，程序拾取路肩線并進行分析。首先進行控制點序列是否符合逆時針排列判定，如果不符合，做一次逆序操作，轉換為逆時針序列。相關判定可根據相鄰邊向量積的方向實現。程序內置邊坡參數，用戶可根據自身項目修改。

2.2.2邊坡模型的建立

邊坡模型是在建立地形建模和場坪模型的基礎上求交運算而成。對于凸點繪制椎體邊坡線按照2°步進，直線邊按照1 m步進。邊坡線與地面模型求交運算量大，需反復遍歷三角網。由于邊坡具有連續性，程序搜索過程中，將記錄上一次搜索結果，優先由上一次結果的位置開始搜索，該方法顯著的提高搜索的效率，實現邊坡模型的快速生成。對于凹點的邊坡裁剪，令邊坡線與該點沿Z軸的角平分面求交即可。

2.3 基于參數化網格的土石方計算法

2.3.1參數化網格計算法

網格法是將設計場坪區域按一定的寬度切割為若干個方格，在方格內測定點的高程及四角高程，結合場坪的高程，計算每個網格根據四角高程的平均值得到方格所在區域的體積，每一個方格的體積之和即得到整個區域的土方工程量。

參數化網格法則是在網格法的基礎上，對方格的寬度、場坪的高程分別進行了參數化定義，應用中通過調節網格的寬度大小，得到不同精度的計算結果。網格間距越小，計算精度越高，計算量越大，結果越精確。同時，高精度的計算對地形數據的要求也越高。

2.3.2土石方數量計算

本次研究在地形建模、場坪建模、假定場坪標高的基礎上，用戶通過調節網格劃分的大小，逐個網格計算場坪與地面的高差，分別計算得出每個網格的填挖方量，之后加和得到整個場坪的填挖方量。計算前基于坡腳線外輪廓先對原地形數據進行裁剪以加快后續遍歷速度。計算完成后，程序將自動生成土石方計算報告，計算成果Excel文件由libXL庫創建。土石方報告包括路肩控制點坐標、分段填挖方統計及匯總、地形最高點、地形最低點、最大填高、最大挖深、網格參數等信息。

3 工程實例

某物流中心站為規劃區域二級物流基地，項目主要由鐵路作業區、倉儲區、配送區、加工區、公路港、海關監管區、商貿服務區(包括停車區、加油站等)和預留區組成。本文以該物流中心場站預可研階段設計工作為例，通過程序軟件建立地形三維模型和物流基地場坪及邊坡模型，通過調整場坪的標高和網格參數大小，分析土石方計算輸出數據，確定合理場坪標高取值為335 m，占地規模20.3 hm2。

實驗首先需要布置物流中心站場平面方案(見圖1)，按照占地需求對地形數據、場坪數據進行建模，對邊坡參數進行邊界分析，計算坡腳、塹頂線，生成滿足Delaunay三角剖分原則的場坪三維模型，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。

根據程序提示輸入網格參數值，輸入網格參數范圍為0.5 m～20 m，網格劃分越小，精度越高，計算量也越大。根據實例計算結果分析，最后網格精度確定為2.0×2.0。參數值確定后程序可自動計算土石方工程數量并輸出土石方計算報告(見表1)。

表1 實例輸出土石方計算報告

項目名稱：XX二級物流中心場站

版本：Ewc202004007155742

程序計算得出土石方數量之后，可選擇性輸出DWG格式的計算過程和成果文件，其中包含地形三維模型、場坪三維模型(線框)、網格數據、邊界框及工程數量匯總等信息，填挖方以不同顏色區分如圖3所示。

4 結語

通過以參數化網格計算法為核心的物流中心場坪設計模塊的開發，能快速完成整個場地的土方量數量計算，并根據輸出結果分析，能動態地調整場坪標高并確定合理的工程的填挖方量。經生產實踐驗證，本方法能有效地提高鐵路物流中心場坪設計的自動化程度，縮短設計周期，提高生產效率，有較高的推廣應用價值。