地鐵限界設計自動成形系統

韓林凱， 溫朋哲， 高士杰

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392）

地鐵工程設計涉及專業眾多、任務分工明確、相互配合密切[1]。得益于我國幾十年來的地鐵項目經驗積累及設計規范的不斷完善，各專業設計逐漸規范化且設計效率不斷提升。

CJJ/T 96—2018《地鐵限界標準》的實施，標志著限界設計理念的進一步深入。CJJ/T 96—2018是地鐵工程限界設計的主要依據，也是各地方標準限界篇章內容編制的主要參照規范，給出了A1、A2、B1、B2四種車型車輛、設備和建筑限界的設計原理及計算公式。相對于CJJ 96—2003，CJJ/T 96—2018 適用速度等級提升到120 km/h，并補充了A1型地鐵車輛標準限界；對直線段設備限界的計算公式進行了優化，在車輛輪廓不變且計算速度等級提升的情況下，給出的直線段車輛、設備限界尺寸減??；同時對曲線段設備限界的計算公式做了進一步簡化，使其更加便于工程設計應用。為滿足新建地鐵項目限界設計的需求，本文對CJJ/T 96—2018給出的曲線段設備限界計算方法進行程序化，基于AutoCAD2014 制圖軟件，編制完成地鐵限界設計自動成形系統。

1 曲線段設備限界計算流程

曲線段設備限界計算分兩步：先計算未按軌道超高值進行旋轉的曲線設備限界，再按軌道超高值進行旋轉得到特定曲線半徑及特定軌道超高條件下的設備限界[2]。

1.1 無軌道超高時的計算

A1和B1型車輛為受流器受電車輛，A2和B2型車輛為受電弓受電車輛；因此，A1和B1型車輛曲線段應按車體、受流器、轉向架三類設備限界控制點分別進行加寬計算，A2和B2型車輛曲線段應按受電弓、車體、轉向架三類設備限界控制點分別進行加寬計算。

對于限界加高，通常在直線段設備限界給予考慮，可認為曲線段設備限界加高值未考慮超高時為0。

CJJ/T 96—2018規定受電弓及接觸軌部位設備限界不加寬。假設A點為某一設備限界控制點（非受電弓和接觸軌部位），其直線段X軸坐標為XA，Y軸坐標為YA，曲線段X軸坐標為X1A，Y軸坐標為Y1A，曲線段加寬值為△X，加高量為0；則X1A、Y1A分別滿足

ΔX計算取決于車型、軌道形式，詳見CJJ/T 96—2018，本文不再贅述。需要注意的，CJJ/T 96—2018中4.2.2、5.2.2、6.2.2、7.2.2給出的加寬公式未對轉向架部分的設備限界控制點進行區分，其計算結果偏大；當需要精確計算時，建議采用CJJ/T 96—2018 中3.2.4、3.2.5和3.2.6給出的公式。

1.2 特定軌道超高時計算

設車體在軌道超高影響旋轉后，曲線外側A點X軸坐標為軸坐標為曲線內側A點X軸坐標為Y軸坐標為，則分別滿足[3]

式中：α為軌道超高角，標準軌距h條件下滿足α= sin-1（h1 500） 。

2 自動成形系統二次開發

2.1 二次開發工具

ObjectARX 是AutoCAD 提供的開發工具，其編制語言主要以C++為基礎，提供了基于WindowsDLL 的編譯應用程序環境，能夠實現AutoCAD、AutoLISP 和ADS 集成化運行[4]；同時擁有非常豐富的類庫及相關的成員函數，既可以省去基礎編程過程，又可以將成員函數與各種類庫相互組合實現最終的程序功能，具有良好的應用擴展性。

ObjectARX 可直接利用C++語言進入AutoCAD 數據結構內核，實現文檔文件以及AutoCAD 圖形數據庫快速訪問等功能[5]。用戶能夠重新定義并修改Auto-CAD本身的命令，實現個性化的設計功能。

2.2 程序系統結構

自動成形系統是基于C++語言開發而成的計算機輔助設計系統，主要包括：數據庫、計算以及CAD繪圖3 個模塊，能自動計算A1、A2、B1、B24 種車型在不同線路條件下的設備限界并自動繪制成圖、輸出Excel表格文件。見圖1。

圖1 設備限界計算系統模塊

2.2.1 數據庫模塊

實現數據庫文件的建立和訪問功能，通過創建新的數據庫文件，將Excel 文件中的設備限界坐標數據傳至數據庫中，為后續相關計算提供基礎數據支持；同時負責將加寬旋轉后的設備限界坐標輸出到Excel文件中。

2.2.2 計算模塊

負責將計算公式程序化。計算模塊主要包括：不考慮超高值前提下圓曲線段設備限界加寬計算及考慮超高值后圓曲線段設備限界加寬計算。用戶可根據系統提示，輸入曲線半徑及軌道超高值。

2.2.3 CAD繪圖模塊

讀取數據庫中的設備限界坐標，采用ClineUtil::Add（startPoint,endPoint）命令，通過設置繪制直線的起訖點并循環執行該命令，將數據表中的數據繪制在AutoCAD 的模型空間中；同時設置標注命令，可生成標注圖層并將各控制點進行對應的標注，實現設備限界圖的基本繪制。

2.3 界面

系統最終成果為ARX 文件，為提高計算效率，精簡程序，根據4 種車型不同的加寬算法編制成4 個ARX文件。具體應用時，根據車型通過AutoCAD加載應用程序的方式加載對應的ARX文件。見圖2。

圖2 加載限界計算ARX文件

進入系統后，對AutoCAD 進行初始化設置，包括：修改標題欄名稱、加載設備限界計算菜單等。

點擊限界計算菜單欄中【新建項目數據庫】按鈕，新建數據庫文件，點擊該文件【打開】按鈕即可鏈接至該數據庫文件。點擊限界計算菜單欄中的【導入Excel數據】按鈕，選擇要導入的目標數據庫文件，該文件內容為原始設備限界坐標點及相應坐標值。點擊限界計算菜單欄中【繪制加寬后限界】按鈕，系統將自動繪制未考慮超高值時的設備限界圖；如要考慮設置超高值，則可點擊限界計算菜單欄中【增設超高值】按鈕，系統將自動繪制增設超高值后的設備限界圖。點擊限界計算菜單欄中【標注控制點點號】按鈕即可將各控制點對應點號標注于“標注”圖層中。點擊限界計算菜單欄中【Excel 輸出坐標】按鈕即可將系統計算后加寬的設備限界坐標輸出為Excel文件。見圖3。

圖3 限界計算菜單項

3 應用實例

以A2型車輛為例，計算其在曲線半徑300 m、軌道超高120 mm條件下的設備限界坐標值。見圖4。

圖4 系統操作流程

步驟1：加載“HLK 限界計算項目-A2.arx”程序，新建項目數據庫，導入A2型車輛直線段區間設備限界Excel 數據文件，系統將自動繪制直線段設備限界。見表1和見圖5。

表1 直線段設備限界控制點坐標mm

圖5 直線段設備限界

步驟2：根據命令欄提示輸入曲線半徑值300 m，點擊繪制加寬后限界，生成設備限界。見圖6。

圖6 曲線半徑300 m設備限界

步驟3：根據實際需求，設置超高值，此處設置超高為120 mm，系統自動繪制圖形。見圖7。

圖7 曲線半徑300 m且超過120 m設備限界

步驟4：添加坐標點號。

步驟5：將加寬旋轉后的設備限界坐標輸出到Excel文件，得到曲線半徑300 m、超高120 mm情況下設備限界控制點坐標，見表2和表3。

表2 曲線外側設備限界控制點坐標mm

表3 曲線內側設備限界控制點坐標mm

續表3

4 結語

近年來，我國軌道交通行業快速發展，新技術、新規范的實施對工程設計提出了新的要求。地鐵限界設計自動成形系統以最新地鐵限界設計標準為依據，可精確計算并繪制曲線段設備限界并輸出曲線段設備限界控制點坐標表格，實現了地鐵工程限界設計的程序化，提高了限界設計效率；下一步將進一步完善此程序，使其能夠計算并繪制緩和曲線段設備限界。