CN113806846B - 基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面优化方法，所述的优化方法包括：根据工程特点与设计机场等级，采用跑道中心线控制法，利用BIM技术快速创建相应的等级/规范要求下的三维净空限制面；通过综合比选对净空条件进行评价并快速计算为满足净空条件所需削坡土石方工程量；参考土石方工程量、工程建设难度条件，确定最终的场址与所对应的机场跑道中心线。本发明可实现数据准确快捷查询，参数化设计辅助方案决策，与地势设计相关联动态更新土石方工程量，同时进行数字化交付。
Description
技术领域
本发明属于优化方法技术领域，尤其是涉及基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面优化方法技术领域。
背景技术
净空设计具有复杂性和多样性，其对于飞行安全意义重大。净空设计优劣所产生的影响贯穿于机场选址、设计(涵盖可研、初设、施工图设计)以及运维阶段；同时与总图、地势、岩土、排水、通导、灯光等多个专业相关联。因此，净空设计是机场工程建设中不可忽视的重要方面。
在选址阶段，通常会有三个或五个方案需要进行比选，不同跑道中心位置对应不同的净空面，净空设计与地势设计相互影响。净空范围的变化致使跑道方位与高程改变，反之跑道高程以及挖方边坡坡度的变化也会导致净空范围的改变。其次，机场的不同用途与机型变化对净空的要求更加严格和多样，同时多跑道机场净空的三维叠加与交互也给设计和管理带来了一定的挑战。因此，为满足净空要求，在机场设计的选址阶段往往需要修整边坡、平整场地、削平山头、抬高或降低某处地势。净空要求导致的地势变化会带来诸如干扰设施拆除、飞行程序调整和额外的土方工程等不利影响，进而直接影响到方案的决策和工程概预算的编制。可见，在机场跑道设计中，净空设计是不可缺少的重要因素之一。
传统设计方法利用净空评价直角坐标系分区域推导不同飞行区指标下对应的函数，在所属区域内依据平面位置(X、Y坐标)计算高程(Z值)，通过逐一与现状地形和构筑物作比较进而对净空条件进行判别和评价，此方法难以直观、统一、高效的处理净空限制同机场各专业设计之间的关系，且费时费力、精度较低、难以变更。
所以，准确快速的设计并显示机场三维净空面对飞机飞行安全以及机场周边区域的规划与发展极其重要。
发明内容
本发明正是为了解决上述问题缺陷，提供一种基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面优化方法。
本发明采用如下技术方案实现。
基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面优化方法，本发明所述的优化方法包括：
根据工程特点与设计机场等级，采用跑道中心线控制法，利用BIM技术快速创建相应的等级/规范要求下的三维净空限制面；
所述的采用跑道中心线控制法为三维净空限制面与原始地形面、地势设计面相关联，根据三维净空限制面与原始地形面计算净空处理土石方，根据地势设计面与原始地形面计算场区地面土石方；
通过综合比选对净空条件进行评价并快速计算为满足净空条件所需削坡土石方工程量；
参考土石方工程量、工程建设难度条件，确定最终的场址与所对应的机场跑道中心线；不仅体现净空设计与其他专业的联动特性,而且能够快速优化迭代生成三维三维净空限制面，并最终生成向政府规划部门申报审批的三维净空限制面图。
本发明所述的净空限制面包含除内水平面、锥形面、进近面、内进近面、过渡面、内过渡面、复飞面、起飞爬升面外，还包含基准旋转平面。
本发明所述的跑道中心线控制法为，跑道基准点为跑道中心线中点。旋转以跑道中线为基准，平移与升降以跑道基准点为基准。跑道中线位置可通过桩号控制，此方法不影响地势设计过程中既有的横、纵断面形式。
本发明所述的综合比选包含初选场址比选、预选场址经济技术对比、推荐首选场址三个步骤；比选的指标包括不同方案的土石方工程量、净空障碍物情况。
本发明所述的综合比选具体为，将不同的备选场址依次按照上述两步骤进行对比，获得不同场址下的最佳跑道中心线位置，获得净空障碍物分析情况：净空处理土石方，形成最终报告。对比过程中，不同平面间的叠加计算过程可以通过数字分析软件实现；不同平面包括净空限制面、原始地形面、地势设计面。
本发明所述的数字分析软件为Civil 3D。
本发明所述的跑道中心线控制法即固定跑道基准点(跑道中心线中点)，旋转跑道中线，跑道中线位置可通过桩号控制；平移与升降也以跑道基准点为基准，包括跑道真方位的初步优化步骤：
跑道真方位的初步优化：
固定跑道基准点：跑道中心点，在满足风保障率的前提下，在基准旋转平面内初定跑道真方位角，加载原始地形面、设计地势面和三维净空限制面用于计算土石方工程量；参照土石方工程量：场区地面土石方、净空处理土石方，将土石方工程量总和最小所对应的跑道真方位角暂定为跑道真方位。
本发明所述的跑道中心线控制法包括跑道平面位置优化步骤：
跑道平面位置优化：
偏移跑道中心点位置：X、Y、Z坐标，参照场区和净空处理土石方总量，将其值最小时所对应的跑道中心点位置确定跑道中心点的相对坐标。
本发明所述的跑道中心线控制法包括跑道真方位再优化步骤：跑道真方位再优化：
固定跑道中心点的相对坐标，再调整跑道真方位。计算场区土石方和净空处理总量最小，将其值最小时所对应的跑道中心点位置与跑道真方位角确定跑道中心点最终位置。
本发明所述的跑道中心线控制法步骤中，跑道真方位的初步优化步骤、跑道平面位置优化步骤、跑道真方位再优化步骤三个步骤依序进行。
本发明的有益效果为，采用跑道中心线控制法，不影响因旋转而产生的平面位置改变，其次可通过调整地形桩号的高程属性实现跑道地势的变化，不影响地势设计过程中固有基准点与既有横、纵断面形式。借助三维建模数字软件(例如但不限于Civil 3D)可在3min内完成多种类型三维净空限制面拼接，支持参数化修改和动态更新，适用于多种类型、不同等级的机场净空分析。三维净空面可查询任意点高程，具备等高线生成和高程分析功能，并能与地势设计方案关联，精确计算场平土方和净空处理土石方工程量，用于辅助方案决策。本发明能够进一步完善BIM正向设计体系，有助于形成建模、出图、计量模板，辅助多专业精细化三维场景模型构建。综上，本发明可实现数据准确快捷查询，参数化设计辅助方案决策，与地势设计相关联动态更新土石方工程量，同时进行数字化交付。
下面结合附图和具体实施方式本发明做进一步解释。
附图说明
图1为三维净空限制面设计组成图；
图2为三维净空限制面在机场跑道设计流程中的应用图；
图3为符合设计规范的初始净空限制面图；
图4为净空各结构面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
本实施例提供一种基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面快速优化方法，初始净空三维立体面与土石方工程量的计算通过Civil 3D的程序接口控制在Civil 3D上进行操作,以往期工程项目某机场为例，对机场跑道位置的确定作进一步说明。
1.根据机场等级与设计规范，如附图1所示设计搭建初始净空限制面，包含内水平面、锥形面、进近面、内进近面、过渡面、内过渡面、复飞面、起飞爬升面、基准旋转平面(图中黑色区域)。
2.跑道真方位的初步优化，参照土石方工程量，即场区地面土石方、净空处理土石方。加载原始地形面、设计地势面和三维净空限制面(附图2)。固定基准点(跑道中心点)，在满足风保障率的前提下，在基准旋转平面内确定跑道真方位角(初定)，对两平面(三维净空限制面与原始地形面)进行布尔运算，暂定跑道真方位。
X0：相对于原跑道中心点东西方向的偏移量，向东为正。
Y0：相对于原跑道中心点南北方向的偏移量，向北为正。
Z0：跑道两端点高程的平均值。
Sp：为跑道两端点连线的坡度值，下坡为负。
原跑道中心点为预可研阶段跑道中心点。
3.根据上一步的真方位，进行跑道平面位置优化，偏移X，Y，Z，参照场区和净空处理土石方总量最小。确定跑道中心点的相对坐标。
4.跑道真方位再优化。固定跑道中心点的相对坐标，再调整跑道真方位。场区土石方和净空处理总量最小。
5.确定跑到真方位为158°，平面位置相对偏移(+41，-25)。优化后需要进行验证。验证内容包括风力负荷，空域条件，场地地形条件和土石方工程量，以及环境保护与城市规划要求。
6.获得相对最优方案的净空障碍物分析情况(表1)，形成最终报告。
表1.净空障碍物分析情况
以上所述的仅是本发明的部分具体实施例，方案中公知的具体内容或常识在此未作过多描述。应当指出，上述实施例不以任何方式限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (4)
1.基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面优化方法，其特征在于，所述的优化方法包括：
根据工程特点与设计机场等级，采用跑道中心线控制法，利用BIM技术创建相应的等级/规范要求下的三维净空限制面；
所述的采用跑道中心线控制法为三维净空限制面与原始地形面、地势设计面相关联，根据设计三维净空限制面与原始地形面计算净空处理土石方，根据地势设计面与原始地形面计算场区地面土石方；
通过综合比选对净空条件进行评价并计算为满足净空条件所需土石方工程量；所述的综合比选包含初选场址比选、预选场址经济技术对比、推荐首选场址三个步骤；
基于土石方工程量确定最终的场址与所对应的机场跑道中心线；
所述的跑道中心线控制法即固定跑道基准点，旋转跑道中线，跑道中线位置通过桩号控制；平移与升降也以跑道基准点为基准，包括跑道真方位的初步优化步骤：
跑道真方位的初步优化：
固定跑道基准点：跑道中心点，在满足风保障率的前提下，在基准旋转平面内初定跑道真方位角，加载原始地形面、设计地势面和三维净空限制面用于计算土石方工程量；参照土石方工程量：场区地面土石方、净空处理土石方，将土石方工程量最小所对应的跑道真方位角暂定为跑道真方位；
所述的跑道中心线控制法包括跑道平面位置优化步骤：
跑道平面位置优化：
偏移跑道中心点位置：X、Y、Z坐标，参照土石方工程量，将其值最小时所对应的跑道中心点位置确定跑道中心点的相对坐标；
所述的跑道中心线控制法包括跑道真方位再优化步骤：固定跑道中心点的相对坐标，再调整跑道真方位；计算土石方工程量最小，将其值最小时所对应的跑道中心点位置与跑道真方位角确定跑道中心点最终位置。
2.根据权利要求1所述的基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面优化方法，其特征在于，所述的净空限制面包含除内水平面、锥形面、进近面、内进近面、过渡面、内过渡面、复飞面、起飞爬升面外，还包含基准旋转平面。
3.根据权利要求1所述的基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面优化方法，其特征在于，综合比选的指标包括不同方案的土石方工程量、净空障碍物情况。
4.根据权利要求1所述的基于跑道中心线控制法的机场三维净空限制面优化方法，其特征在于，所述的跑道中心线控制法步骤中，跑道真方位的初步优化步骤、跑道平面位置优化步骤、跑道真方位再优化步骤三个步骤依序进行。
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