AutoCAD约束功能在铁路施工图中的应用

文｜郴州市城市规划设计院 王树华

1 前言

在铁路工程的设计和施工中，为实现标准化管理，一般类型构筑物基本都采用通用图进行设计和施工。在传统的绘图过程中，对于重复出现但结构尺寸不同的构筑物（诸如隧道断面、桥梁墩身等）需要根据结构物尺寸进行重复绘制，而这类重复出现的构筑物可认为是仅存在尺寸属性各异的同构类型。AutoCAD 的约束功能提供了参数化绘图的途径：对于同构类型的构筑物只需要前期在基本图形中添加几何约束和尺寸约束，利用几何约束限制图元之间的位置关系，通过尺寸约束来动态调整构筑物整体和细部尺寸，以达到同构类型构筑物一次绘制，全型通用，参数控制，动态调整的效果。

在一些特殊位置的确定问题上，AutoCAD 约束功能也具备常规图解法甚至解析法无法比拟的快捷和高效。通过几何约束建立图元之间宏观上的位置关系，再通过尺寸约束来给定特殊位置的控制参数从而动态的获得各图元精确的位置响应。

2 制图原理

如图1所示，如要绘制两个矩形A 和B，其尺寸各异，旋转角也不一致，传统绘图需绘制两次，而且一旦尺寸或者位置发生变化就需单独绘制一次。

图1 无约束状态下的传统绘图

在约束状态下，A、B 两种矩形可视为同构类型，仅存在尺寸和位置差异，可通过动态输入尺寸约束参数来获得不同尺寸、位置参数下的图形。如图2所示，位于矩形右下角的固定约束/点重合约束用以确保在动态调整过程中固定矩形转角基点以及定义矩形右下角端点与水平线右端点重合；水平线的水平约束用于确保水平线在动态调整过程中水平线水平；矩形内角尺寸约束用以确保在动态调整过程中矩形内角为90°而不变形；矩形的宽高尺寸约束用以动态输入需要调整的矩形宽高值；矩形转角尺寸约束用以动态输入需要调整的矩形转角值。

图2 带约束的通用绘图

通过图1和图2的对比可以看出，在约束状态下，通过前期设定约束，同构类型的重复绘制可以简化为约束参数的输入，极大的简化了绘图过程，为图形后期的调整和修改预留了空间。

3 应用实例

3.1 桥梁工程

以大同至张家口高速铁路智家堡御河特大桥144～200 号墩为例，仅简支梁空心墩就有3 个墩型共计26 种墩高，逐一绘制不仅工作量大，而且易出错。空心墩可归纳为图3所示同构类型，墩型主要由参数B、L、H、n1、n2、T1、T2、t0、Δx1、Δy1、Δx2、Δy2决定，各级支护形式的参数见表1。

图3 大张高铁简支梁空心墩墩型参数示意

利用约束绘制空心墩通用墩型图的步骤如下：

①绘制空心墩墩顶控制断面，并建立几何约束和尺寸约束，如图4所示。

图4 墩顶控制断面约束

②绘制空心墩内、外坡比图，并对坡比图建立约束，方便后期调整坡比，如图5所示。

图5 墩身坡比约束 图6墩身侧立面约束

③绘制任意一种墩型侧立面图，绘制任意高度截面线（红色粗实线），并建立约束。值得注意的是：图6侧立面的墩身外坡比需与图5中的坡比图建立平行约束；墩顶宽度需与图4中的截面宽度B 建立尺寸约束，尺寸约束表达式引用图6中的截面宽度变量；墩身与截面线相交处所有相交线段两两建立重合约束，如图6所示。

④绘制与图6对应的墩身正立面图及截面线，并绘制空心段轮廓，结合图3和表1建立几何及尺寸约束，截面线处约束的处理同图6，以上过程如图7所示。

表1 空心墩墩型参数表（单位：m）

图7 墩身正立面约束

⑤绘制任意截面内外、轮廓线，并利用“线段等长”约束建立起与横截面的尺寸关联。设定好约束的任意截面输出图如图8所示。

利用图5至图8，可以在尺寸约束参数中修改墩高、墩身坡比来获得任意墩高的墩身尺寸和轮廓，而截面输出图则可以通过修改截面高度的尺寸约束参数来动态更新任意墩型任意墩高位置上的截面图，达到了绘制一次图纸即可获得表1中所有墩型尺寸与任意截面高度尺寸的组合情况。

图8 墩身任意横截面动态输出

3.2 图解结构物特定位置

以大同至张家口高速铁路智家堡御河特大桥跨大秦铁路48+80+48m 连续梁转体结构施工为例，如图9所示：牵引索应与绕线半径的圆相切且为反力座AB 边的中垂线；反力座的位置在设计图上仅给出了其角点A、B 点分别距承台边GE、EF 的垂直距离，故需确定A、B 点分别距承台边EF、GE 的垂直距离，才能确定反力座方向。

从图9可知，牵引力反力座位置的确定可归纳为：已知一条定长直线AB，其A、B 端点在固定直线AD、DB 上滑动（如图10示），现要找一位置，使得AB 线段中垂线CT 与一固定圆⊙O 相切。该位置求解如采用常规图解，因图元间关联层次较多，难以建立起的位置响应关系；若采用解析几何法将变得异常复杂，且对于其代数解的作图也是非常困难的。

图9 转体承台牵引索及反力座布置

该问题通过约束来解决比较快捷，按AB 线段的一般位置建立好几何约束后，通过添加线段TC 与AB 间角度约束来实现TC 恰好为AB 中垂线的条件。如图10所示，作图步骤如下：

图10 图解反力座位置的约束布置

①依据图9承台位置，绘制直线AD、DB，其距承台边GE、EF 的垂直距离分别为550mm、558mm。为AD 直线添加水平约束、固定约束；为DB 直线添加竖直约束、固定约束。

②依据图9在⊙O 圆心的位置绘制点O，对点O 设置固定约束；捕捉⊙O 的圆心与点O 设置重合约束，并对该弧设置半径约束R。

③在AD 线段上任取一点A，BD 线段上任取一点B，使得AB 为反力座宽度1450mm，对于线段AB，在A 点处与线段AD 建立重合约束，在B 点处于线段DB 建立重合约束。

④捕捉线段AB 中点C，向⊙O 做切线CT。在C 点处建立与线段AC 的重合约束；在T 点处建立与⊙O 的相切约束。

⑤对线段AC 建立尺寸约束，并输入AB 线段的半长725mm，以锁定在变化过程中AB 总长；对∠TCB 建立角度约束，并输入90°，以确保TC ⊥AB。即完成AB方向及T 点位置的寻找。

4 结论

约束功能的引入大大简化了绘图工作，其使得图纸上的图元间具有更多的关联性，为图纸的修改和完善预留了空间，极大的方便了图纸的后期维护管理。由于约束功能遵循“先一般后特殊”的参数化作图思路，只要在建立约束时充分考虑图元间的位置和参数响应的逻辑关系，理论上是可以演绎同构型下所有的位置、尺寸组合情况的，这也使得很多特定条件下的问题在建立一般条件后通过修改关键位置的参数从而得以解决。