铁路站场曲线地段设计参数审核方法研究.pdf

建筑经济CONSTRUCTION ECONOMY第 44 卷第 S1 期2023 年 7 月Vol.44 No.S1Jul.2023摘要：为适应工作中面向多家设计单位的常态，研究一种站场曲线地段设计参数的通用审核方法。结合近年来提倡的BIM新方法，自主开展BIM应用，梳理出标准化的方法流程，化繁为简，扩展BIM方法应用点。找出的方法可有效检验站场曲线地段设计参数，辅助得出此类问题的核查结果。结论为：二维与三维方法融合适合当前业务特点，在保障工作效率可控的同时，能够促进审核质量提升，适应行业转型发展 要求。关键词：站场；曲线；设计参数；限界；BIM中图分类号：U291.4；TP39文献标识码：A文章编号：1002-851X（2023）S1-0266-05DOI：10.14181/ki.1002-851x.2023S1266Design Parameters Review Method of Railway Station Yard Curve ZonesXIAO Kunxin1，LIU Tuo2（1.Wuhan TieSiYuan Engineering Consulting Co.，Ltd，Wuhan 430063，China；2.Jiqing Highspeed Railway Co.，Ltd，Jinan 250014，China）Abstract：In order to adapt to multiple design teams，a general review method for design parameters of curve zones of stationyards is studied.In combination with theBIM method advocated in recent years，independently carry out BIM application，sort out the standardized method process，simplify the complexity，and expand the application points of BIM method.The method found out can effectively check the designparameters of station yard curve zones，and assist in obtaining the verification results of such problems.The conclusion is that the integration of 2D and 3D methods is suitable for the current business characteristics，which can promote the improvement of review quality and adapt to the requirements of industry transformation and development while ensuring controllable work efficiency.Keywords：station yard；curve；parameters；gauge；BIM1引言车站到发线有效长范围优先设计为直线，困难条件下，在到发线上适当采用曲线（但有效长范围不应为反向曲线），使站型与地形、地物相适应，减少工程量、拆迁量。进一步，为设计出更佳线型组合，在站场范围适当采用曲线并与选线设计相结合，能创造更大的经济 效益。曲线地段的一项设计与审核技术要点是限界加宽。实际项目中各设计单位采用的曲线地段参数设计原则存在差异，以相邻两条到发线曲线地段设计参数为例，有的案例中，设计采用了同心圆形式；有的设计在按同心圆计算后，对曲线半径参数进行了取整处理；还有将相邻两条到发线上共4条缓和曲线长度均取相同参数值的情况。再如曲线地段站台限界加宽设计，加宽值如何从0过渡到最大值，标准化设计成果中有“阶梯”加宽和“圆顺”加宽两种方式，但设计规范中只明确了阶梯加宽办法并推荐采用，而未规定圆顺加宽的具体形式，因此实际项目中有多种圆顺加宽设计办法。有的标准化设计成果计算精细，同时，计算工作量较大，如：赵振刚将内侧加宽曲线分为五段，通过*基金项目：山东省交通科技项目（2022B30）作者简介：肖坤鑫，高级工程师，主要从事铁路站场工程咨询工作。铁路站场曲线地段设计参数审核方法研究*肖坤鑫1，刘托2（1.武汉铁四院工程咨询有限公司，湖北 武汉 430063；2.济青高速铁路有限公司，山东 济南 250014）第 44 卷第 S1 期267MATLAB软件进行计算，较为复杂。而施工图审核单项工作时间短、节奏快，需在较短时间内对设计交付成果的技术合理性作出认定。若无适宜的审核方法，当设计成果越精细，审核工作量越大，引起审核意见交付延迟，甚至影响审核质量。为此，有必要梳理曲线计算基本原理，进而制定一种新的通用审核方法，对不同设计成果中呈现出的多种计算办法进行验证，快速准确地完成工点核查。且当原设计加宽边界与设计规范推荐的加宽边界不完全相符时，有必要对设计可行性进行深入 验证。当前，设计提供的电子资料以不可编辑版为主；即使设计提供可编辑版图纸，有时为验证设计成果的正确性，审核单位有必要采用设计软件，根据设计标注参数，独立重构设计图。数字化也正是整个行业未来发展过程中的重要一环，因此基于数字化的审核方法是现阶段研究的重点内容之一。其中，BIM方法的应用，可减少设计差错，充分优化设计，体现施工图审核工作的本质要求。因此，响应技术政策，积极探索技术转型，为构建BIM和传统施工图审核方法融合发展模式做出尝试：挖掘BIM方法的优越性，在推广应用新方法的同时，提升施工图审核质量。2曲线地段参数计算基本原理2.1曲线全加宽值计算引起曲线地段限界加宽的原因：车辆转向架中心的连线始终是一条直线段，因此与线路中线不重合；车辆因线路外轨超高而引起车体倾斜。W1=40500R+H1500hW2=44000R（1）W1曲线内侧全加宽值；W2曲线外侧全加宽值；R曲线半径；H计算点自轨面算起的高度；h外轨超高。加宽值与车辆构造强相关，公式（1）是按车体长度26m、转向架中心销距18m推导得到的。通过公式可计算得出曲线地段的最大加宽值。根据设计规范与设计手册，该公式不仅适用于分析曲线地段建筑限界加宽，也适用于相邻两线间距分析（线间无建筑时）、作业安全空间分析、设备与相邻线路间距分析。各篇参考文献对计算原理无争议，设计差异主要存在以下三个方面：参数如何取值、曲线如何分段、不同段落之间如何过渡衔接。2.2角度计算在AutoCAD中，拾取曲线切线边上的两点，通过Python程序调用反正切函数，可计算该切线边的方位角初值，但该数值取值范围始终在-/2到/2之间。即：设AutoCAD中有甲、乙两个点位，无论先选甲点再选乙点，还是先选乙点再选甲点，反三角函数计算值始终一样，不符合铁路线路顺势延展的特点。对此，宜将角度初值转换到0到2之间，设拾取的起点横坐标、起点纵坐标、终点横坐标、终点纵坐标分别为qdx、qdy、zdx、zdy，设角度变量为jd，程序步骤见表1。进而可以推算圆曲线转角。铁路曲线转角一般小于180度。2.3曲线拟合铁路工程中的圆曲线两端配设缓和曲线时，采用三次抛物线线型。常用软件AutoCAD不具备绘制缓和曲线的自带命令，为克服此问题，审核工作中，可采用两种方式构建：一种是应用Civil 3D软件生成曲线；另一种是编写二次开发程序，拟合缓和曲线。拟合时，可采用支距法，分别计算圆曲线两端的缓和曲线。以直缓点（或缓直点）为原点，以切线方向为X轴、垂直于X轴方向为Y轴。支距法拟合缓和曲线示意见图1，缓和曲线上任意一点在该坐标系中的坐标值计算详见公式（2）。x=l-l540R2l02+l93456R4l04-y=l36Rl0-l7336R3l03+l1142240R5l05-（2）表1切线方位计算步骤条件判断计算式1若jd初值小于0jd=jd（-1）2若zdyqdy且zdxqdxjd=jd3若zdyqdy且zdxqdxjd=+jd4若zdyqdy且zdxqdxjd=-jd5若zdyqdy且zdxqdxjd=2-jd肖坤鑫，等铁路站场曲线地段设计参数审核方法研究建 筑 经 济2023年268x缓和曲线上任意一点P在该坐标系中的横坐标；yP点在该坐标系中的纵坐标；lP点到直缓点（缓直点）的曲线长；R该缓和曲线衔接的圆曲线半径；l0缓和曲线总长度。根据工作精度要求和计算机硬件条件确定计算步长，计算缓和曲线上的点位并用线段连接，实现对曲线的拟合。宜将圆曲线及其两端缓和曲线连成整体。3到发线曲线地段设计参数审核一般默认圆曲线两端配置等长的缓和曲线。为适应现场条件，圆曲线两端缓和曲线长度可以不相等、分别计算。3.1A站设计参数初步分析A站原设计参数如表2所示，相邻各条曲线设计为同心圆。审核时，线路专业负责正线参数审核，站场专业则以一条正线曲线参数为已知，验算相邻到发线的各项参数。通过本步骤的检查，深入理解设计构思。以更靠近圆心的一侧为“内侧”。主要设计参数之间的关系如公式（1）、（3）所示。审核分析以下参数：与缓和曲线相邻直线段的间距、曲线超高值、计算点自轨面算起的高度H，曲线地段限界全加宽值、目标曲线半径、目标曲线的缓和曲线长度。R外-R内D直+Wl内224R内-l外224R外WW=W1+W2（3）R内内侧曲线半径；R外外侧曲线半径；D直与缓和曲线相邻直线段的间距；W曲线地段内侧与外侧限界全加宽值之和；l内内侧圆曲线的缓和曲线长度；l外外侧圆曲线的缓和曲线长度。进行迭代计算，确定出目标曲线的缓和曲线长度之后，再计算目标曲线半径，以符合“同心圆”的特征。对A站参数初步验证结果如下：道与4道圆曲线两端均配置等长缓和曲线，与缓和曲线相邻的直线地段间距取5m、4道曲线超高值取20mm、计算点自轨面算起的高度H取3850mm，曲线地段内侧与外侧限界全加宽值之和为0.1m，外侧圆（4道）缓和曲线长度取整为75m，外侧圆曲线半径为1805.1m。主要参数均与设计值基本 相符。3.2限界检查为方便计算，设计可将圆曲线半径R值取整。设计还可将正线、站线缓和曲线长度取相同参数，如：直线地段正线、站线间距6.5m，而正线、站线缓和曲线长度取相同参数110m，此时，与直线地段纵向紧邻的曲线地段间距并非6.5m，应精确到毫米位。且“3.1”中的计算检验了曲线全加宽地段设计参数的合理性，但未验证加宽渐变段间距是否合理。此外，公式（3）中采用了近似值。对此，为更严谨地验证设计值，采取以下措施：将三维方法与二维方法充分融合，使轨迹模型充分形象化，对两者进行间距检测。基于建模服务于施工图审核的思路，适当简化建模；对精度要求提高时，则根据具体情况进一步细分加宽段落、细化建模。依照设计成果，快速建立模型参照线是一个必要环节。通过建立参照线，便于对照现有设计规范与设计手册；也便于与设计成果相对照。通过二次开发程序，拟合创建带缓和曲线的圆曲线，将其导入Revit，以之为底图，生成“模型线”，将其作为参照线。参照线是二维视图与三维视图的联系纽带，其平面视图与CAD平面图相符，详见图2。表2A站曲线地段部分参数表编号Rl左l右TLJD9 16 561800m100m100m196.14m391.61mJD49 16 561805.1m75m75m184.05m367.44m图2A站到发线局部布置及建模参照线示意图（平面视图）图1支距法拟合缓和曲线第 44 卷第 S1 期269考虑各种不利条件，将机车车辆基本限界全加宽轮廓沿4道设计线位放样，将超级超限装载限界全加宽轮廓沿道设计线位放样，建立列车轨迹模型。两线间还应保证一定的安全空间，因此，使其中一条轨迹轮廓额外增加500mm后再进行放样。即：将合理的安全余量固化到放样轮廓族中。建立的模型如图3所示。经Revit软件检查，两条轨迹模型无碰撞，表明A站曲线地段设计参数符合空间安全需求，能保证4道上的列车与道上的列车之间，最小间距不小于 500mm。首先肯定设计成果具备可实施性，但从便于工务养护维修的角度考虑，缓和曲线长度宜取10m的整数倍，且宜在保证旅客舒适度的前提下，适当缩短缓和曲线长度。通过数值计算、三维模拟、二维校核三种方式，多次拟合与分析后，提出以下优化参数：道两端缓和曲线长度建议取90m，4道两端缓和曲线长度建议 取60m。为提高建模效率，可尽量使模型参数化，建立并不断积累、完善族库以供调用。如：将线路中线至轮廓边缘的距离转化成为“关联参数”，以便套用加宽公式。修改关联参数时，驱动轨迹模型尺度发生改变。4站台限界加宽审核4.1案例说明某线引入B站，引起B站站台局部改建。圆曲线半径为1200m，圆曲线两端未配置缓和曲线，设圆直点里程为D，部分原设计参数如图4、表3所示。4.2限界加宽检查限界检查遵循两种逻辑，第一种是以设计规范之“矛”，检测设计成果之“盾”；第二种是检测设计初步成果是否有自相矛盾之处。沿第一种逻辑，以建筑限界为轮廓，沿设计中心线放样生成模型，其中，轨迹加宽段落划分依照设计规范中的阶梯加宽法而定；站台模型则根据原设计轮廓建立。详见图5。经软件检查，发现问题线索：原设计采用的加宽办法与设计规范推荐的办法存在差异，两者的加宽界限存在交叉。用二维方法体系对存在问题进行再次验证：在AutoCAD中重构设计线，且依照设计规范上的加宽要求生成一条加宽边界，结论与上一步检验相符。加宽边界交叉示意见图6。4.3运行模拟为排除设计采用的加宽方法存在安全隐患的可能，选择以机车车辆限界为轮廓，并且附加必要的安全图3A站两线模型轴测图图4B站曲线地段局部布置及建模参照线示意图表3B站曲线地段局部设计参数范围/位置（m）股道中心线至站台边缘距离（m）小里程站台端（D+4）1.81D+41.81（D+4）（D+22）1.811.78，线性过渡D+221.78（D+22）（D+27）1.781.75，线性过渡D+271.75图5B站曲线地段局部模型轴测图肖坤鑫，等铁路站场曲线地段设计参数审核方法研究建 筑 经 济2023年270图6加宽边界交叉示意图余量后，沿设计中心线进行放样，生成轨迹模型，见图7。为模拟曲线超高引起的加宽，建模过程中应载入旋转后的轮廓。为适当简化，每一子段落的旋转量，取该子段落内断面上需要的最大旋转量。经软件检查，无碰撞，则表示符合安全要求。通过检验得知，B站曲线地段站台限界加宽虽与设计规范推荐的标准有差异，但未突破运行安全要求。原设计方案可实施，但为提高旅客舒适度，结合原设计成果，提出以下优化建议：圆曲线两端各增设20m缓和曲线，小里程端直缓点与相邻道岔间的直线段长度不小于20m，符合规范要求。大里程端未见平面控制因素。修改后缓直点里程比原设计圆直点里程增加9.9m，设缓直点里程为D，优化后的设计参数见表4。5结语站线中心线至相邻设备间的距离检测也是站场设计与审核中的常见场景，但可转化为前文所述两种典型场景。其中，站线至移动设备间的距离检测可参照A站案例；站线至固定设备间的距离检测可参照B站 案例。表4B站曲线地段局部优化参数范围/位置（m）股道中心线至站台边缘距离（m）小里程站台端（D+3）1.81D+31.81（D+3）（D+8）1.811.78，线性过渡（D+8）（D+22）1.78D+221.78（D+22）（D+27）1.781.75，线性过渡D+271.75若设计方已采用BIM方法，并提供BIM设计成果，则在相应的核查过程中可节省建模时间，且有助于进一步优化核查方法；通过适当的二次开发技术，提高建模效率，将进一步释放出三维方法的优势。BIM方法能有效减少曲线地段设计参数审核盲区。逐步丰富与扩展应用点，发挥数字化审核在深广度和精细度上的优势，有助于构建和逐步完善数字化成果交付与审核系统。参考文献1 赵振刚.铁路建筑限界曲线加宽通用计算方法研究J.高速铁路技术，2021（3）：71-78+90.2 国家铁路局.TB 10099-2017.铁路车站及枢纽设计规范S.北京：中国铁道出版社，2017.3 铁道第四勘察设计院.铁路工程设计技术手册：站场及枢 纽M.北京：中国铁道出版社，2004.4 魏方华.基于数字化设计系统的铁路站场BIM自动化建模研究J.铁道标准设计，2019（4）：1-3+16.5 中铁上海设计院集团有限公司.新建铁路淮北至宿州至蚌埠城际铁路施工图（咨询稿）第八篇站场R.上海：中铁上海设计院集团有限公司，2020.6 中铁第一勘察设计院集团有限公司.东平车站平面布置 图R.西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2021.7 中铁二院工程集团有限责任公司.武隆中间站站房换边方案平面布置R.成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2015.8 尹辉增.工程测量（第二版）M.北京：中国铁道出版社，2014.9 夏春玲.工程测量（下册）M.北京：中国铁道出版社，2015.图7B站运行模拟模型（局部）轴测图