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利用Civil 3D动态功能完成复杂地形铁路选线
时间:2018-03-14 10:21 点击:
  0、引言 
  AutoCAD Civil 3D软件(以下简称:C3D)是Autodesk公司推出的一款面向土木工程设计的建筑信息模型(BIM)解决方案。能够帮助从事交通运输、土地开发和水利项目的土木工程专业人员保持协调一致,更轻松、更高效地研究设计方案,分析项目性能,并提供相互一致、更高质量的文档,而这一切均在熟悉的AutoCAD环境中进行。 
  C3D软件自2003年8月发布第一个版本以来,一直在不断完善,中国本地化包的提供解决了国内土木工程行业在设计、标注过程中规范和习惯的问题,省去了自定义模板设置大量参数的麻烦;后续推出的C3D软件支持64位操作系统,便于处理更大规模的项目,提高内存密集型任务的性能和稳定性,为复杂地区铁路选线应用提供了性能保障。随着计算机硬件技术的不断提升和C3D功能的不断完善,利用C3D已经可以非常高效、便捷、轻松的完成复杂地区铁路选线任务。同时C3D作为建筑信息模型(BIM)平台的组成部分,以C3D完成的项目只需简单操作就可以建立项目建筑信息模型(BIM),实现项目参数化化、可视化的仿真模型。 
  1、工程概况 
  白杨河矿区位于新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州呼图壁县城南部约60km的低山区。根据《国家发展改革委关于新疆昌吉白杨河矿区总体规划的批复》(发改能源〔2011〕2865号)文件批复“呼图壁县白杨河矿区矿井项目16处,批复总产能2670万吨/年,由于矿区范围内无煤炭消化企业,煤炭主要供应周边电厂及煤化工企业,部分外运”。 
  白杨河矿区矿井多,产煤量大,矿区既有基础设施薄弱,目前通往矿区的路主要为乡村便道。矿区的煤炭外运需修建大能力交通基础设施,考虑矿区煤炭外运量较大,一般二级公路年输送能力约为300~500万吨/年,公路输送能力远远无法满足运输需求,并且后期维修养护成本较高;其次煤矿所在山区每年9月至次年4月为风雪期,风雪会对公路运输造成严重影响并存在诸多安全隐患,无法保证煤炭外运的稳定性;再者该区域内生态环境较脆弱,公路运输会对区域生态环境造成无法承担的影响。综合分析,通过铁路运输受气候条件影响小,输送能力大、稳定、可靠、成本低,对环境影响较小。因此研究修建白杨河矿区至兰新铁路的铁路专用线,解决白杨河矿区煤炭外运的需要。矿区煤炭经矿区专用线、兰新铁路等铁路通道运送至附近电厂及煤化工企业转化。 
  白杨河矿区位于天山北麓,海拔约1500m,沿线需要经过天山北麓低山区、丘陵区和准噶尔盆地冲、洪积平原区三个地貌单元。总地势南高北低,自东南向西北倾斜,相对高差约1000m,兰新铁路至白杨河矿区直线距离约50m,区域自然地形坡度为18-22‰,地势较陡。通过本项目运量分析,考虑运输组织便利性以及与周边路网的协调一致,确定本项目的主要技术标准为:单线、电力牵引、坡度6/16‰均衡坡,货车行车速度80km/h,最小曲线半径600m,到发行有效长850m。 
  本项目航测地形图完成时间已至8月初,如采用传统设计方式,约80km的复杂山区方案选线,稳定线路方案时间约为35-45天。待线路方案稳定后,山区已进入风雪期,风雪会导致后续的初测工作将无法正常开展,只能等待来年,造成近半年的时间浪费。项目部通过对相关技术的咨询和了解,决定引入Civil 3D三维选线方式,快速完成线位方案比选工作,为后去初测工作实施争取时间。 
  2、AutoCad Civil 3D实施应用 
  2.1基础资料准备 
  在C3D中数字地形模型被称为“曲面”,利用C3D进行线路方案设计的基础是需要在C3D中建立地形曲面模型。C3D全面集成了勘测功能,地形曲面模型的方法,可以利用等高线、DEM文件、测量文件、GIS数据等等方式创建地面模型。对于本项目,已测绘了1:2000比例尺地形图,考虑利用既有地形图制作地形曲面模型。航测的地形图导入C3D首先需要建立一个空的曲面模型,然后将地形图的等高线、高程点等要素添加至新建立的曲面中,再给地形曲面模型添加一个外部边界就完成了地形曲面模型的建立,整个地形曲面模型建立过程非常简单、高效、顺利。通过后续使用验证,所建立的地形曲面模型与航测地形图地形基本一致,精度非常高,可以满足方案设计使用需要。 
  2.2走向方案选择 
  铁路线位方案的选择受曲线半径普遍较大、限制坡度较小、运输组织需求、车站布设合理性等因素限制,选线难度较大。特别是山区复杂地形,不同的地质条件、不同的越岭垭口,不同的桥隧配置,不同的站位选择等都会产生大量的方案,这些方案不经过多专业综合细致的比较,很难简单判断某个方案的优劣,传统方案比选往往需要经验丰富的团队花费大量的时间和精力才能完成,细致、复杂、繁琐的工作内容很多,工作量非常大。 
  C3D软件具有稳定的平台、协调一致的数字化模型、简易的操作、强大的智能、动态数据链接更新功能,丰富的分析对比和文档表格统计选线,便于我们在整个项目的各个阶段进行设计方案进行调整,同时分析比较做出更合理的选择,从而选择最佳的线路方案。 
  利用C3D软件的诸多特性,可以极大简化本阶段方案设计和比选的工作量。C3D允许在一个曲面上添加任意多个线路方案,通过对现有现有方案的复制和修改,很便捷设计出新的方案,省去了重新建立新方案从头设计的重复工作量,提高了设计效率。各设计方案平面设计完成的同时,纵断面设计,横断面布置也以根据调整实时更新,直观的就可以判断出个方案的优缺点。传统的方案比较需要相关各专业根据线路方案计算本专业工程数量,然后提交总体统一制表汇总,在进行综合比较。当方案调整时又要参与的相关专业重复工作。工作量繁重、效率低、易出错。而采用C3D软件在方案设计完成时,主要工程数量统计利用数据动态关联功能已自动完成了,通过工程数量统计的对比,直接可以判定各方案的优缺点。
  本次研究线路从南部山区至兰新铁路主要分为沿雀儿沟走向方案和沿呼图壁河走向方案,两方案所经区域自然条件差异较大,造成两方案工程情况迥异,增加了方案比较难度。利用C3D在地形曲面模型上完成两个方案的平、纵断面设计、横断面设计工作,生成工程数量表。通过两方案直观对比及所生产的工程数量表比较,很快确定沿呼图壁河走向方案更具优势。沿呼图壁河走向方案确定后,在该走向方案基础上又衍生出很多局部方案,利用C3D也迅速完成了局部方案的比选,确定了线路大致走向。 
  3.3平、纵、横动态功能完成方案优化 
  线路走向方案确定后,需要对该方案诸多细节进行优化设计。细化优化工作牵扯多专业配合,要求精度高,特别是不良地质、桥隧相连,陡坡挂线等段落更是重点难点所在,需要反复研究。 
  C3D中的线路设计最大的优点就在于其动态关联性,完成线路平面设计、纵断面设计、装配后即可生成道路三维模型,在此基础上可以迅速查看各桩位的横断面,查询任意一点的相关参数,得到相关工程数量等等。尤其动态数据关联的特性使得在调整线路平面或者纵断面时所有的相关数据都可以及时得到更新,使得设计者能够实时的掌握每一步修改产生的结果,判断修改的优劣,这对于线路方案的优化调成效率非常高。 
  图2 走向方案比较 
  C3D的平、纵、横动态关联,实时更新功能,极大的缩短了重点难点地段方案研究所需的时间,当方案优化调整后,相关专业的修改往往在十几分钟至一两个小时内就可以完成,相比于传统手段,设计精度和速度有了质的飞跃。 
  3.4 项目实施 
  C3D可以批量完成项目图纸和表格,方便快捷。但所出图纸、表格不符合国内规范和习惯,利用C3D虽然可以以自定义的方式实现国内规范的图纸和表格,但是需要自定义大量规范、模板和格式,工作量较大。好在C3D还提供了设计数据导出功能,所有的设计数据都可以导出成标准的LandXML文件。通过编写简单的数据转换软件就可以将LandXML文件中的设计数据、计算数量等设计信息转换成符合我们需要的文件格式,在传统工具中快速完成图纸设计工作,最终完成整个项目设计工作。 
  4、体会和思考 
  随着我国铁路的建设,特别是高速客运铁路、重载铁路的大规模建设,如果采用传统的测设方法,中间环节多、精度低、出错率高、效率低、耗时费力,是影响设计周期和设计质量的重要因素。另一方面,最佳线路的选择必须通过做大量方案的比选才可以得到,由于每一次线路方案的调整,传统方案必须重新做一次数据采集、数量计算等工作,很难做到同等设计深度和真正的多方案比选,铁路设计的传统工作方法到了需要改变以适应市场新的需求的时候了。 
  C3D高精度的数字地面模型,相关设计数据和工程数量动态关联、智能更新等功能很大程度的提高了工作效率,降低了错误率,保证设计文件质量。并且C3D支持基于工程设计的工作流程,操作非常简单,易上手。只要掌握了工作流程,很快就能够将其应该到我们的设计中来。本文就利用C3D软件短时间完成了选线工作,从而保证了该项目后续工作项目顺利进行。 
  C3D除了是优秀的土木工程设计软件外,也是Autodesk公司所搭建的建筑信息模型(BIM)平台的主要组成部分,是一款面向土木工程行业的建筑信息模型(BIM)解决方案。C3D能够创建协调一致、包含丰富数据的模型,帮助您在设计阶段及早进行分析,实现设计方案外观、性能和成本的可视化及仿真,并且更精确地制作设计文档。用C3D完成的项目设计,为后续建立建筑信息模型(BIM)奠定坚实基础。 
  参考文献: 
  [1]《铁路线路BIM与数字化选线技术》 中国铁道出版社 2014.6 
  [2]《Civil 3D应用宝典》 同济大学出版社 2013.6 
  [3]基于Civil 3D的道路工程设计方案比选 江西水利科技 2010.9
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