Weichenbau
Im zweiten Baubericht geht es um den vorbildgerechten Bau von Weichen mit dem Gleisplan- und 3D-Editor.
Zum Vorbild
Hier muß zunächst ein Blick auf das Vorbild geworfen werden, da sich gewisse Arbeitsweisen aus dem Bauprinzip der echten Weichen ergeben. Für Weichen der Deutschen Eisenbahn gibt es Standardausführungen mit genormten Abmessungen. Die kleinste Weiche weist einen Abzweigradius von 190m auf, was 40 km/h im abzweigenden Strang bedeutet. Die klassischen Weichenbauformen folgen mit 300m (50 km/h), 500m (60 km/h), 760m (80 km/h) und 1200m (100 km/h). Mit Bau der ICE-Schnellfahrstrecken wurden verschiedene mit bis zu 200 km/h befahrbare Klothoidenweichen entwickelt. Innerhalb der genannten Abzweigradien gibt es jeweils noch einige Unterbauarten, die sich durch die Endneigung des Abzweiggleises unterscheiden. Für den deutschen Raum gibt es also einige dutzend Weichen, die von ganz exotischen Ausnahmefällen abgesehen ausschließlich zum Einsatz kommen. In Original-Gleisplänen sind die Weichenbauformen sogar an den Weichen vermerkt, sonst lassen sich die richtigen Typen anhand von Fotos, Videos oder der zugelassenen Geschwindigkeiten ermitteln.
Genormt ist der Bereich zwischen Zunge und Herzstück. An das Herzstück schließt sich der Langschwellenbereich an (im folgenden Bild vorne), bis der Gleisabstand so groß ist, daß die normalen Gleisschwellen zum Einsatz kommen können. Der Langschwellenbereich ist nicht genormt. Die relative Lage der beiden Gleise kann also je nach Bedarf an die Örtlichkeiten angepaßt werden.
Es kann sogar bereits die nächste Weiche im Bereich der Langschwellen beginnen, wie die EKW auf dem folgenden Bild:
Bogenweichen werden aus den Standardweichen abgeleitet, indem man die Weiche einfach entlang ihrer Achse verbiegt. Der dafür nötige Schwellensatz ist also ebenso wie der gesamte Aufbau identisch zur geraden Weiche. Die Radien der Bogenweichen richten sich nach der Einbausituation, wobei auch der Einbau in Übergangsbögen und Radienwechsel möglich ist. Aus einer Standardweiche lassen sich also beliebig viele verschiedene Bogenweichen ableiten.
Beim Vorbild gibt es natürlich noch mehr zu beachten. Für alle Interessierten wird die Zusi-Doku ein eigenes Kapitel zum vorbildgerechten Gleisbau enthalten, als Grundlage sollte diese Einführung aber zunächst genügen.
Umsetzung in Zusi
Das Zusi-Weichenkonzept sollte vorbildgerecht, flexibel (offen für Erweiterungen) und einfach zu bedienen sein. Um das zu erreichen, werden wie beim Vorbild Standardweichen als Bausatz erstellt und der Editor kann vollautomatisch die für die jeweilige Einbausituation passende Bogenweiche daraus ableiten. Die Bausatzbibliothek kann beliebig erweitert werden, so daß auch Weichenbauarten anderer Länder/Spurweiten usw. vom Anwender erstellt werden können, wenn die Zusi-Standardweichen nicht mehr reichen.
Im einzelnen wird für eine Weiche eine Streckendatei mit der Lage des Fahrwegs inkl. 3D-Modell der statischen Weiche benötigt sowie je ein 3D-Modell der Zungen für beide Endlagen. Außerdem muß ein geometrisch gleiches Weichenmodul für den Gleisplaneditor vorhanden sein. Mit diesem Ansatz lassen sich alle Arten von Weichen mit beliebig vielen Abzweigen erstellen (DKW, Doppelweichen, komplette doppelte Gleisverbindungen usw.).
Die Handhabung für den Streckenbauer wird an zwei Beispielen gezeigt.
1.) Einbau einer 190 1:9 in der Geraden: Im Gleisplaneditor wird eine Gerade angelegt, die Weiche "190 1:9 Links" aus der Bibliothek gewählt und mit der Maus auf das Gleis gezogen. Per Absteckrecher wird mit 3 Mausklicks das Parallelgleis angeschlossen.
In den 3D-Editor exportiert und nach Aufruf von "Bettung erzeugen" stellt sich der Abzweig wie folgt dar:
Man sieht im einzelnen: Der Bereich des Weichenbausatzes, erkennbar an den hier bisher noch etwas dunkleren Schwellen, die automatisch korrekt erzeugte Bettungsschulter inkl. Randweg (diese sind nicht Bestandteil des Weichenbausatzes, sondern werden vom Editor bei Bedarf erzeugt) und den Langschwellenbereich hinter dem Herzstück, bevor die normalen Gleise weiterführen. Der einzige kleine Kompromiß, der gegenüber dem Vorbild nötig ist, betrifft die Erzeugung der Langschwellen. Wie in der Einleitung beschrieben, gibt es dafür keine genormte Ausführung, so daß man zwangsläufig ein Ergebnis generieren muß, wenn man dem Anwender nicht die aufwendige manuelle Erstellung zumuten möchte. Der Editor erkennt durch Analyse der Geometrie die Bereiche der Langschwellen und verkürzt dort beidseitig die normalen Schwellenpolygone entlang der Winkelhalbierenden. Die in Wirklichkeit geraden Schwellen weisen also einen leichten Knick auf. Ein Kompromiß, mit dem man sicherlich leben kann...
Bei der Gestaltung des Weichenbausatzes sind technisch praktisch keine Grenzen gesetzt. Wenn man etwas näher herangeht, sieht man, daß sogar die Verjüngung des Schienenfußes dargestellt ist, die die definierte Biegung der Zunge sicherstellt (in Bildmitte). Die Bausätze können mit etwas Geschick so gestaltet werden, daß ganze Weichenfamilien mit einer gemeinsamen (recht kleinen) Textur auskommen. Die aus den Standardweichen abgeleiteten Bogenweichen erhalten zwar ein neues Mesh, benötigen aber keine andere Textur, so daß der Ressourcenbedarf der Weichen insgesamt sehr gering ausfällt.
2.) Einbau einer Gleisverbindung im überhöhten Bogen: Im zweiten Beispiel wird der wohl komplizierteste Fall beschrieben: Eine Weichenverbindung zwischen zwei Gleisen, die in einem überhöhten Bogen liegt, der auch insgesamt noch rund 10 Promille Gefälle aufweist. Da die Weiche in sich starr ist, wird das vom Innengleis weglaufende Zweiggleis aufgrund der Überhöhung zwangsläufig nach oben geführt. Um den verwerfungsfreien Anschluß an das kurvenäußere Gleis herstellen zu können, muß dieses vor der Weiche mit Hilfe einer Rampe auf ein erhöhtes Niveau gebracht werden. Beim Vorbild wird immer so verfahren, daß das kurveninnere Gleis auf dem normaen Niveau bleibt, während das äußere Gleis angehoben wird.
Der Gleisplaneditor bietet eine Funktion, die diesen Höhenausgleich automatisch berechnet, so daß man als Anwender fast nichts von der komplizierten Einbausituation merkt.
Zunächst sei der Einbau einer einzelnen Bogenweiche in einen vorhandenen Gleisbogen erläutert. Die blauen Marker kennzeichnen Seite und Stärke der Überhöhung. Die Bogenweiche wird durch einfaches Aufziehen der Standardweiche auf den Gleisbogen mit der Maus eingebaut. Der Editor biegt die Weiche "on-line" je nach Einbausituation, so daß sich sofort die vorbildgerecht abgeleitete Bogenweiche ergibt. Durch die Lage in der Überhöhung wird der abzweigende Strang nach oben gezwungen. Die sich dadurch ergebende Höhenabweichung gegenüber dem Grundniveau wird automatisch anhand der Geometrie von Weiche und Gleisbogen errechnet und durch orange Marker dargestellt.
Nun zur vollständigen Weichenverbindung, die im folgenden Bild zu sehen ist. Der Einbau der Bogenweichen erfolgt zunächst wie oben beschrieben, wobei sich die Gegenweiche am rechten Bildrand auf Wunsch am Verbindungsgleis festsaugt, so daß sich der sonst etwas komplizierte, paßgenaue Einbau der einmündenden Weiche sehr unkompliziert darstellt.
Nach dem Einbau der einzelnen Weichen ergeben die Höhenabweichungen noch kein schlüssiges Ergebnis, da zunächst nur jede Weiche isoliert betrachtet wird. Wenn alle Gleise ihre endgültige Lage erreicht haben, markiert man ein Ausgangselement, typischweise die tiefer liegende Weiche, und ruft die Funktion "Höhenlagen anpassen" auf. Diese beläßt das markierte Element in seiner Lage und paßt alle Nachbarn in der Höhenlage an. An den Übergängen wird also immer eine identische Höhenlage hergestellt und die Nachbarelemente werden solange verfolgt, bis alle Höhendifferenzen in entsprechenden Rampen auf Null abgebaut sind.
Beim Export in den 3D-Editor sieht man das Ergebnis (etwas gezoomt, um die ganze Ausfahrt im Blick zu haben):
Die Weichen sind korrekt in die Bogenlage verbogen und mit passender Überhöhung versehen worden. Außerdem liegt die ganze Ausfahrt noch im Gefälle, wie man am linken, ebenen Ladegleis erkennen kann. Das rechte Gleis wird in einer Rampe angehoben, so daß im Bereich der hinteren Weichenverbindung ein paßgenauer Übergang in der Weichenebene erfolgt. Die mathematischen Formeln hinter dieser Transformation sind übrigens weitaus komplexer, als man auf den ersten Blick glauben würde. Ohne die speziellen Funktionen des Gleisplaneditors wäre man kaum in der Lage, solche Weichen in auch nur annähernd zumutbarem Zeitrahmen zu erzeugen.
Besondere Anforderungen an das 3D-Modell bestehen für ein erfolgreiches Verbiegen nicht. Der Algorithmus kann also jedes beliebige 3D-Objekt gemäß der jeweiligen Biegeparameter transformieren. Wenn das Mesh so grob ist, daß sich zu starke Knicke ergeben würden, wird das Mesh automatisch verdichtet.
Das Biegen geht daher mit einer EKW genauso einfach wie mit normalen Weichen. Links im Gleisplaneditor, rechts das Ergebnis
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