铁路物流中心站场坪设计应用研究★

李 智 基

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

0 引言

铁路物流中心站一类的场站往往由于其布置规模较大，场坪设计工作体量巨大，耗费人力资源，严重影响和制约了工程项目设计工作进度。因此，有必要研究一种新的场坪设计方法，以提升该类大型场坪设计的工作效率和成果质量。

1 场坪设计问题分析

国内对场坪设计的研究主要集中在场坪标高设计、场坪地基处理、场坪承载力等方面，对于铁路物流中心场坪具体设计工作研究较少。铁路物流中心作为一类大规模的场站，其设计方法通常采用平面与横断面设计相结合的方法，存在诸多问题：

1)横断面法适用于地形为狭长地带的土地平整方量计算，特别是线路工程的方量计算。场坪宽度通常数百米的物流中心场站若采用横断面法开展设计，操作起来比较繁琐，费时费力，难度较大，设计效率低下。

2)大范围的路基横断面在外业测量时操作较为复杂，测量精度取决于断面的密度及平行度，对外业测量工作的要求更高，勘察工作难度较大。

2 场坪设计解决方案

在分析场坪设计问题的基础上，本次研究拟采用基于参数化网格算法，通过ObjectARX的开发，实现DWG文件中地形数据快速重采样、场坪设计参数化建模、路基边坡建模、土石方计算及成果输出等功能。研究内容主要分以下三部分。

2.1 三维地形数据处理及建模

2.1.1地形数据重采样

通过ObjectARX实现DWG图形数据库的直接访问，根据特定判定算法识别等高线(LWPOLYLINE)和高程控制点(POINT、块参照)等作为地形数据采样依据，用户通过可视化界面对初步采样成果进行过滤，消除异常高程点的影响，可视化基于GDI双缓冲绘图原理实现，动画流畅自然，易于操作。

重采样过程中，高程控制点全部加入采样成果列表，等高线按照5 m间隔重采样。鉴于目前个别项目中存在地形多层重复现象，为提高构建地形三角网的稳定性及效率，程序将对于点位整体进行检测，去除重复点(距离小于0.2 m认为重复)。由于浮点数的运算特性，地形处理过程中设定浮点数计算容许误差为10-5(相当于地形数据有效精度0.1 mm)。

2.1.2地形数据建模

地形建模基于开源CGAL实现，满足Delaunay三角剖分原则，CGAL是Computational Geometry Algorithms Library(计算几何算法库)的缩写，其设计目标是，以C++库的形式，提供方便，高效，可靠的几何算法。计算几何算法库CGAL可用于各种需要几何计算的领域，如计算机图形学，科学可视化，计算机辅助设计和建模，地理信息系统，分子生物学，医学成像，机器人运动规划，网格生成，数值方法等等。它可以提供计算几何相关的数据结构和算法，诸如三角剖分、多边形、多面体、网格生成、几何处理、凸壳算法，搜索结构，插值，形状分析，拟合，距离曲线整理及其应用等。本次研究采用CGAL提供的三角剖分的数据结构和算法，对地形数据进行了建模，为后续场坪设计做好准备。

2.2 场坪数据处理及建模方法

2.2.1场坪模型的建立

场坪数据处理和建模的核心算法在于路基边坡与地面模型的快速求交，凸点椎体建模以及凹点相邻边坡的相交裁剪。场坪路肩需要由用户自主创建，程序拾取路肩线并进行分析。首先进行控制点序列是否符合逆时针排列判定，如果不符合，做一次逆序操作，转换为逆时针序列。相关判定可根据相邻边向量积的方向实现。程序内置边坡参数，用户可根据自身项目修改。

2.2.2边坡模型的建立

边坡模型是在建立地形建模和场坪模型的基础上求交运算而成。对于凸点绘制椎体边坡线按照2°步进，直线边按照1 m步进。边坡线与地面模型求交运算量大，需反复遍历三角网。由于边坡具有连续性，程序搜索过程中，将记录上一次搜索结果，优先由上一次结果的位置开始搜索，该方法显著的提高搜索的效率，实现边坡模型的快速生成。对于凹点的边坡裁剪，令边坡线与该点沿Z轴的角平分面求交即可。

2.3 基于参数化网格的土石方计算法

2.3.1参数化网格计算法

网格法是将设计场坪区域按一定的宽度切割为若干个方格，在方格内测定点的高程及四角高程，结合场坪的高程，计算每个网格根据四角高程的平均值得到方格所在区域的体积，每一个方格的体积之和即得到整个区域的土方工程量。

参数化网格法则是在网格法的基础上，对方格的宽度、场坪的高程分别进行了参数化定义，应用中通过调节网格的宽度大小，得到不同精度的计算结果。网格间距越小，计算精度越高，计算量越大，结果越精确。同时，高精度的计算对地形数据的要求也越高。

2.3.2土石方数量计算

本次研究在地形建模、场坪建模、假定场坪标高的基础上，用户通过调节网格划分的大小，逐个网格计算场坪与地面的高差，分别计算得出每个网格的填挖方量，之后加和得到整个场坪的填挖方量。计算前基于坡脚线外轮廓先对原地形数据进行裁剪以加快后续遍历速度。计算完成后，程序将自动生成土石方计算报告，计算成果Excel文件由libXL库创建。土石方报告包括路肩控制点坐标、分段填挖方统计及汇总、地形最高点、地形最低点、最大填高、最大挖深、网格参数等信息。

3 工程实例

某物流中心站为规划区域二级物流基地，项目主要由铁路作业区、仓储区、配送区、加工区、公路港、海关监管区、商贸服务区(包括停车区、加油站等)和预留区组成。本文以该物流中心场站预可研阶段设计工作为例，通过程序软件建立地形三维模型和物流基地场坪及边坡模型，通过调整场坪的标高和网格参数大小，分析土石方计算输出数据，确定合理场坪标高取值为335 m，占地规模20.3 hm2。

实验首先需要布置物流中心站场平面方案(见图1)，按照占地需求对地形数据、场坪数据进行建模，对边坡参数进行边界分析，计算坡脚、堑顶线，生成满足Delaunay三角剖分原则的场坪三维模型，利用程序输出坡脚、堑顶线，并生成物流基地的三维模型，如图2所示。

根据程序提示输入网格参数值，输入网格参数范围为0.5 m～20 m，网格划分越小，精度越高，计算量也越大。根据实例计算结果分析，最后网格精度确定为2.0×2.0。参数值确定后程序可自动计算土石方工程数量并输出土石方计算报告(见表1)。

表1 实例输出土石方计算报告

项目名称：XX二级物流中心场站

版本：Ewc202004007155742

程序计算得出土石方数量之后，可选择性输出DWG格式的计算过程和成果文件，其中包含地形三维模型、场坪三维模型(线框)、网格数据、边界框及工程数量汇总等信息，填挖方以不同颜色区分如图3所示。

4 结语

通过以参数化网格计算法为核心的物流中心场坪设计模块的开发，能快速完成整个场地的土方量数量计算，并根据输出结果分析，能动态地调整场坪标高并确定合理的工程的填挖方量。经生产实践验证，本方法能有效地提高铁路物流中心场坪设计的自动化程度，缩短设计周期，提高生产效率，有较高的推广应用价值。