地鐵站管網(wǎng)三維輔助設(shè)計(jì)參數(shù)化建模

喬實(shí)　王淑嬙　劉思倫

摘要：通過(guò)分析參數(shù)化建模與三維輔助設(shè)計(jì)關(guān)系以及軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)特點(diǎn)，提出了綜合管網(wǎng)三維信息模型構(gòu)建方法，闡述了該方法相應(yīng)的建模工具的選擇與實(shí)現(xiàn)方法及其功能，設(shè)計(jì)了綜合管網(wǎng)三維信息模型構(gòu)建流程。并將該方法、工具與流程應(yīng)用在寧波軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了綜合管網(wǎng)三維信息化模型構(gòu)建，證明了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：軌道交通；綜合管網(wǎng)；三維輔助設(shè)計(jì)；參數(shù)化建模

中圖分類(lèi)號(hào)：F49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：16723198（2014）02017703

1引言

目前我國(guó)軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中大都面臨設(shè)計(jì)周期短、任務(wù)重、多專(zhuān)業(yè)獨(dú)立工作等問(wèn)題，給車(chē)站管網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)帶來(lái)極大難度，為了提高車(chē)站綜合管網(wǎng)設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，以虛擬仿真為特點(diǎn)的三維輔助設(shè)計(jì)越來(lái)越多地應(yīng)用到優(yōu)化設(shè)計(jì)中。通過(guò)可視化的三維輔助設(shè)計(jì)，可以對(duì)車(chē)站管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)縮短周期、減少任務(wù)量、多專(zhuān)業(yè)協(xié)同的目標(biāo)。現(xiàn)階段三維輔助設(shè)計(jì)主要是基于三維實(shí)體模型，即建立在實(shí)體模型基礎(chǔ)上的虛擬仿真。通常制作三維實(shí)體模型或按需要修改三維實(shí)體模型都需要大量的時(shí)間，繁瑣的建模工作使三維輔助設(shè)計(jì)的效率大打折扣。參數(shù)化建模技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題，所謂參數(shù)化建模就是將管線的尺寸、形狀、空間位置、材質(zhì)屬性等以現(xiàn)三維信息公司研發(fā)的MicroStation等，深圳地鐵3號(hào)線車(chē)站采用了Mircostation建模輔助地參數(shù)的形式來(lái)表示，通過(guò)調(diào)用管線的參數(shù)實(shí)鐵車(chē)站綜合管網(wǎng)設(shè)計(jì)，雖然取得了很好的效果，但由于該軟件涵模型創(chuàng)建，從而顯著地提高建模的效率。目前國(guó)內(nèi)外有眾多學(xué)者在從事參數(shù)化建模的研究，且取得了很多成果。目前比較常用的參數(shù)化建模軟件有AutoDesk公司開(kāi)發(fā)的Revit，Bentley蓋整個(gè)建筑工程各個(gè)方面，成本較高，針對(duì)性不強(qiáng)，僅用于綜合管網(wǎng)設(shè)計(jì)投入成本較大。本文主要研究面向軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)三維輔助設(shè)計(jì)的參數(shù)化建模技術(shù)，針對(duì)綜合管網(wǎng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)提出了車(chē)站綜合管網(wǎng)的參數(shù)化模型的構(gòu)建方法以及應(yīng)用流程，并將此方法應(yīng)用于寧波軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)設(shè)計(jì)中。

2地鐵車(chē)站管網(wǎng)參數(shù)化建模

2.1參數(shù)化建模與三維輔助設(shè)計(jì)關(guān)系

參數(shù)化建模是三維輔助設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，參數(shù)化建模為可視化輔助設(shè)計(jì)提供帶屬性信息的三維實(shí)體模型。三維信息模型才可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修改、二三維一體化聯(lián)動(dòng)、屬性信息瀏覽與編輯等輔助設(shè)計(jì)功能，只有構(gòu)建了參數(shù)化的管網(wǎng)三維模型才能真正實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)站管網(wǎng)可視化的三維輔助設(shè)計(jì)。

2.2軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)特點(diǎn)分析

軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)參數(shù)化建模前，首先根據(jù)車(chē)站管網(wǎng)綜合圖紙，對(duì)管網(wǎng)特點(diǎn)進(jìn)行分析。車(chē)站綜合管網(wǎng)一般分為風(fēng)、水、電三部分，即暖通空調(diào)專(zhuān)業(yè)、給排水專(zhuān)業(yè)、強(qiáng)弱電專(zhuān)業(yè)，各專(zhuān)業(yè)內(nèi)又有大小排風(fēng)系統(tǒng)、冷凍水管、冷凝水管、消防水管、給水管、污水管、動(dòng)照橋架、通信橋架等管線，對(duì)于眾多類(lèi)型的管線，在建模時(shí)根據(jù)管線名稱設(shè)定不同的ID，并按管線形狀分為圓管與方管。把水管、排氣管等歸為圓管，橋架、通風(fēng)系統(tǒng)等管線劃分為方管。為確保模型真實(shí)性，在建模前重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)說(shuō)明與相關(guān)規(guī)范，充分考慮到管線保溫層厚度、實(shí)際尺寸以及維修空間等參數(shù)。同時(shí)，管網(wǎng)綜合圖紙中管線屬性信息大多以圖形標(biāo)注的形式來(lái)展示，并未賦予在管線輪廓線上，因此圖形標(biāo)注信息以及其他相關(guān)信息參數(shù)化需要依附在指定的載體上。

2.3軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)參數(shù)化建模方法

通過(guò)對(duì)軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)系統(tǒng)分析，將綜合管網(wǎng)三維信息模型構(gòu)建主要分為三部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一部分創(chuàng)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，第二部分二維CAD圖紙參數(shù)化處理與入庫(kù)，第三部分為數(shù)據(jù)庫(kù)信息轉(zhuǎn)化為三維信息模型（見(jiàn)圖1）。

（1）數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)能儲(chǔ)存大量的管網(wǎng)屬性信息與位置信息，是對(duì)管網(wǎng)數(shù)字化信息儲(chǔ)存與管理的重要工具，是實(shí)現(xiàn)二維圖形向三維模型轉(zhuǎn)換的重要組成部分。

（2）基于AutoCAD平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)，將數(shù)據(jù)庫(kù)與AutoCAD平臺(tái)關(guān)聯(lián)，在管網(wǎng)綜合圖上繪制管線中心線，將圖形信息以參數(shù)化的形式賦予中心線上，并將中心線上所有屬性信息全部轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存和管理。

（3）基于ArcGIS平臺(tái)與OpenGL建模技術(shù)結(jié)合，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)信息，以參數(shù)驅(qū)動(dòng)集成圖形模塊實(shí)現(xiàn)三維信息模型生成。

3軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)參數(shù)化建模工具

3.1數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)參數(shù)化建模選用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)作為儲(chǔ)存參數(shù)化信息的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。PostgreSQL是面向目標(biāo)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的所有功能，同時(shí)又具有下一代數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的使用增強(qiáng)功能，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)表進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中包括設(shè)備中心線要素表、管線材質(zhì)庫(kù)表、地鐵線路表、地鐵車(chē)站表、站內(nèi)分層表、車(chē)站軸線表、支吊架表、管線彎頭表、管線中心線要素表、管線碰撞記錄表，通過(guò)數(shù)據(jù)錄入插件，將獲取的參數(shù)化信息錄入到對(duì)應(yīng)的表格中儲(chǔ)存與管理。

3.2數(shù)據(jù)錄入插件

數(shù)據(jù)錄入插件是參數(shù)化建模中重要組成部分，是關(guān)聯(lián)AutoCAD與prostgreSQL，實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)向參數(shù)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的重要工具。該插件以VS2008軟件對(duì)AutoCAD二次開(kāi)發(fā)，插件功能如下：（1）賦予載體屬性信息。管線信息以中心線為載體，點(diǎn)擊中心線可彈出屬性錄入框，可將CAD圖紙中地鐵車(chē)站管線的長(zhǎng)、寬、直徑、高程、材質(zhì)以及維修空間等信息賦予在中心線上（見(jiàn)圖2）。

（2）生成帶屬性的彎頭中心線。管線彎頭部分，通過(guò)點(diǎn)擊彎頭相關(guān)聯(lián)的直管中心線，彈出對(duì)話框來(lái)選擇彎頭的連接方式如變彎、變徑和變高，從而自動(dòng)生成帶有關(guān)聯(lián)屬性的彎頭中心線（見(jiàn)圖3）。

（3）提取屬性信息。將CAD圖紙中賦予中心線的屬性信息與線段原始的信息如X、Y坐標(biāo)、長(zhǎng)度等進(jìn)行提取，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)將提取的全部信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)的表格中（見(jiàn)圖4）。

3.3模型生成模塊

三維信息模型的自動(dòng)生成是基于ARCGIS平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ARCGIS平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)是將ARCGIS平臺(tái)中三維分析模塊與OpenGL建模的集成。根據(jù)地鐵車(chē)站管網(wǎng)特點(diǎn)，ARCGIS平臺(tái)中三維分析模塊用于標(biāo)準(zhǔn)直管的參數(shù)化模型構(gòu)建，OpenGL建模用于彎頭連接部分的參數(shù)化模型構(gòu)建。

（1）ARCGIS三維分析模塊。通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)直管的屬性信息，通過(guò)參數(shù)約束驅(qū)動(dòng)模塊從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)直管的三維信息模型的生成，方管以底邊中心線位置、寬和高等參數(shù)，將一個(gè)矩形框按長(zhǎng)度參數(shù)界定的范圍形成方管模型，圓管以軸線點(diǎn)位為圓心，將一個(gè)圓圈按長(zhǎng)度參數(shù)界定的范圍形成圓管模型。

（2）OpenGL建模。通過(guò)在OpenGL建模中創(chuàng)建矢量變彎、變徑、變高的彎頭參數(shù)化模型。將彎頭參數(shù)化模型嵌入ARCGIS平臺(tái)中，同時(shí)通過(guò)ARCGIS的SDK模塊的軟件程序編寫(xiě)，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中彎頭的屬性信息，生成相應(yīng)的彎頭模型（見(jiàn)圖5）。

通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中彎頭表格中中心線的關(guān)聯(lián)信息，將生成的彎頭模型與將方管、圓管模型合成，從而構(gòu)成完整的管網(wǎng)參數(shù)化模型。

4軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)參數(shù)化建模流程設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)圖紙?zhí)攸c(diǎn)分析，為實(shí)現(xiàn)車(chē)站管網(wǎng)三維信息模型構(gòu)建設(shè)計(jì)了相應(yīng)的應(yīng)用流程。

（1）參數(shù)分析。參數(shù)分析包括車(chē)站管線類(lèi)別、管線保溫層、管線最大外徑、管線維修空間等參數(shù)，通過(guò)對(duì)圖紙說(shuō)明與規(guī)范的分析，制作材質(zhì)屬性表（見(jiàn)圖6），并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)錄入圖紙信息時(shí)可以將公稱值換算成實(shí)際值。更能反映現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)狀況，提高圖紙的精確度。

（2）圖紙標(biāo)準(zhǔn)化。在收集地鐵車(chē)站管網(wǎng)圖紙前，由于各設(shè)計(jì)人員習(xí)慣不同，車(chē)站管網(wǎng)圖紙顏色各異，圖層名各不相同，因此制定一份制圖規(guī)范，統(tǒng)一制圖格式和標(biāo)準(zhǔn)，既能加強(qiáng)對(duì)圖紙管理工作，又能為錄入數(shù)據(jù)時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)圖紙便于識(shí)別與錄入。

（3）管網(wǎng)二維圖形的參數(shù)化處理。在CAD圖中創(chuàng)建對(duì)應(yīng)圖層，繪制對(duì)應(yīng)管網(wǎng)中心線，其中繪制管網(wǎng)中心線分為兩個(gè)部分，一是標(biāo)準(zhǔn)直線段管網(wǎng)中心線繪制，繪制該段管線的中心線，將管線的屬性信息包括長(zhǎng)、寬（直徑）、高程、材質(zhì)等填入對(duì)應(yīng)的屬性框中，二是彎頭部分中心線繪制，點(diǎn)擊彎頭兩端的管線中心線，會(huì)彈出對(duì)話框，根據(jù)實(shí)際圖紙情況選擇對(duì)應(yīng)的變高、變徑、變彎選項(xiàng)，自動(dòng)生成彎頭中心線。

（4）參數(shù)化信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)繪制好的中心線的地鐵車(chē)站管網(wǎng)綜合圖紙按建筑層（站廳層、站臺(tái)層、站臺(tái)板下層）分別導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（5）三維信息模型生成。通過(guò)讀取關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)中的管線屬性信息和彎頭屬性信息，自動(dòng)生成管網(wǎng)三維信息模型。

5實(shí)例研究

該參數(shù)化建模方法已成功應(yīng)用在對(duì)寧波軌道交通1號(hào)線19個(gè)車(chē)站以及2號(hào)線部分車(chē)站管網(wǎng)三維信息模型構(gòu)建中。以下介紹福明路站構(gòu)建管網(wǎng)三維信息模型流程（見(jiàn)圖7）。

（1）統(tǒng)一制圖規(guī)范。在建模前，與參與設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員協(xié)商，制定了一份共同認(rèn)可的制圖規(guī)定，統(tǒng)一了管網(wǎng)綜合圖紙的各管線顏色與名稱、管線所在的圖層名稱等（見(jiàn)圖8）。

（2）屬性信息輸入。將福明路站綜合管線按不同專(zhuān)業(yè)管線進(jìn)行分類(lèi)，分別在各個(gè)專(zhuān)業(yè)圖上繪制中心線，使用數(shù)據(jù)錄入插件數(shù)據(jù)錄入功能，將管線屬性信息輸入到屬性錄入框中。

（3）信息入庫(kù)。將完成屬性錄入的圖紙整合在一起，使用數(shù)據(jù)錄入插件導(dǎo)入功能，將車(chē)站所有管線的信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

（4）綜合管網(wǎng)模型生成。模型生成模塊通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中管線的信息，生成了福明路站綜合管網(wǎng)模型（見(jiàn)圖9），在屬性框中每根管線都有對(duì)應(yīng)的名稱、ID、長(zhǎng)、寬、高、高程、空間位置、材質(zhì)、實(shí)際尺寸、保溫層、維修空間等參數(shù)信息，在三維環(huán)境中可任意管線的參數(shù)信息進(jìn)行瀏覽與編輯，同時(shí)編輯內(nèi)容保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

6結(jié)論

本文針對(duì)軌道交通車(chē)站綜合管網(wǎng)特點(diǎn)提出了綜合管網(wǎng)三維信息模型構(gòu)建方法，研發(fā)了基于AutoCAD平臺(tái)的屬性錄入插件以及三維GIS技術(shù)與OpenGL建模技術(shù)相結(jié)合的三維模型生成模塊，實(shí)現(xiàn)了車(chē)站各專(zhuān)業(yè)管線的參數(shù)化建模。該模型在設(shè)計(jì)階段為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)可修改的三維信息實(shí)體模型輔助設(shè)計(jì)，同時(shí)在施工階段直觀反映圖紙信息為施工人員提供三維施工指導(dǎo)，并且在運(yùn)行維護(hù)階段還可以為管理者提供管線設(shè)備檢修、三維資產(chǎn)管理等，在整個(gè)軌道交通車(chē)站建設(shè)中都能發(fā)揮其作用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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