三維仿真技術(shù)在軌道交通地下管線遷移設(shè)計的應(yīng)用

張苗亞，吳敦

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江寧波 315042)

1 引言

城市的軌道交通工程是施工周期長、投資規(guī)模大、影響廣泛的綜合性項目。由于軌道線路一般都是沿街道進行工程鋪設(shè)，而且經(jīng)過的地區(qū)都是在人流密集的城市區(qū)域，而現(xiàn)行的城市的“生命線”，包括電力管線、排水管線以及電信和燃氣等管線均密集分布在此街道區(qū)域。軌道交通地下站施工期間對開挖范圍內(nèi)的地下市政管線必會造成重大影響，所以需要尋找一種可行的技術(shù)手段來輔助地下管線遷移設(shè)計，保障軌道交通工程的順利施工。

寧波市軌道交通2號線一期工程柳汀街站地處市中心繁華地段，工程周邊建筑密集，地形比較平坦，地下管線種類繁多、走向錯綜復(fù)雜，遷移設(shè)計比較復(fù)雜，僅僅采用二維管線遷移設(shè)計，方案需多次修改調(diào)整，因此工作量較大。若通過三維仿真技術(shù)對站點管線遷移設(shè)計方案及周邊環(huán)境進行三維模擬，可以更直觀、準確進行方案調(diào)整，高效率優(yōu)化方案設(shè)計。因此對地下管線三維模型的可視化和空間分析的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 技術(shù)路線與工作內(nèi)容

借助地理信息技術(shù)(GIS)和三維仿真技術(shù)，以航空影像、DEM數(shù)據(jù)和三維城市建筑模型為基礎(chǔ)，可以構(gòu)建軌道交通地下車站與地下管線之間的立體空間關(guān)系，由此可以圍繞全方位地上地下空間三維信息，對各站點地下管線遷移方案進行三維模擬，輔助軌道交通地下管線遷移設(shè)計。

主要的工作內(nèi)容有:

(1)管線三維建模:管線建模范圍為軌道交通2號線一期工程柳汀街站，主要以設(shè)計院提供的設(shè)計圖為制作依據(jù)。管線類型主要分為排水、給水、燃氣、電力、電信和熱力等。建模內(nèi)容包括圍繞地下車站建設(shè)進行的各類改線、保留和廢除管線模型;地下管線相關(guān)的建(構(gòu))筑物特征點及附屬物點模型。

(2)建筑三維建模:站點周邊100 m內(nèi)城市建筑、車站主體等建筑設(shè)施。

(3)地形三維建模:以車站為中心且覆蓋整體三維模型的制作范圍。三維地形模型主要反映城市道路、橋梁、河流等地形要素的分布情況及地勢復(fù)雜程序。地下管線模型可通過與原始地面道路模型比較，分析管線遷移設(shè)計方案可行性。

(4)三維仿真平臺搭建:整合各類三維模型數(shù)據(jù)，以平臺為載體，輔助設(shè)計。

3 建設(shè)實施

3.1 資料利用

(1)二維管線遷移設(shè)計圖

管線遷移設(shè)計方案圖內(nèi)容包括:車站范圍內(nèi)的各種改線、保留和廢除管線的分布情況及相關(guān)屬性數(shù)據(jù);已建井、電桿和新建井、電桿的分布情況及屬性數(shù)據(jù);一期車站主體實施范圍。管線圖為1∶500比例尺。

(2)數(shù)字正射影像圖和數(shù)字高程模型

利用地面分辨率為0.05 m的真正射影像及高程格網(wǎng)間距為2.5 m的數(shù)字高程模型生成三維地形模型，用以反映軌道交通建設(shè)站點區(qū)域地上空間的地形分布情況。

(3)基礎(chǔ)地形圖

市區(qū)1∶500比例尺的數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)作為建設(shè)站點周邊的地上現(xiàn)狀建筑三維模型制作的基礎(chǔ)資料。

3.2 數(shù)據(jù)建設(shè)

(1)數(shù)據(jù)命名規(guī)范

Shpfile格式的地下管線成果數(shù)據(jù)由入庫程序自動生成三維模型，Shpfile表字段名稱必須符合程序規(guī)范要求。

Shpfile點表字段命名規(guī)則 表1

Shpfile線表字段命名規(guī)則 表2

(2)地下管線模型制作

地下管線模型是三維仿真平臺建設(shè)的核心內(nèi)容，主要包括遷移、保留、廢除管線和管點模型。管線模型制作流程如下:

①用管線系統(tǒng)軟件和ArcGIS軟件對設(shè)計院提供的管線圖進行標準化;

②通過管線自動化入庫程序?qū)⒍S管線設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維地下管線模型，模型包括三維管線模型、搜索數(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù)庫三類成果數(shù)據(jù);

圖1 管點管線數(shù)據(jù)發(fā)布流程圖

地下管線模型制作必須考慮設(shè)計圖中各大類管線數(shù)據(jù)標高規(guī)定，并結(jié)合自動化程序標高原則進行適當(dāng)計算，以保證管線模型高度的精確性。

(3)三維建筑模型制作

模型制作是根據(jù)基礎(chǔ)地形圖和高程測量數(shù)據(jù)在3ds Max場景中創(chuàng)建三維建筑模型，并通過表面影像測量采集制作貼圖材質(zhì)，賦于建筑模型各個側(cè)面。

(4)三維地形模型制作

地形模型是通過平臺地形入庫工具進行模型制作，制作完成后的地形數(shù)據(jù)不改變原有的數(shù)據(jù)精度。

(5)管線模型數(shù)據(jù)更新

根據(jù)管線遷移設(shè)計方案的審查意見，在原有的管線模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)進行持續(xù)更新修改，隨時為設(shè)計院或施工方提供最新的三維設(shè)計方案。

模型主要更新內(nèi)容為:更新管線設(shè)計調(diào)整范圍內(nèi)的三維模型，并同步更新相關(guān)屬性信息。

更新方法是首先確定設(shè)計更新范圍，然后按照更新范圍修改shpfile數(shù)據(jù)，最后利用自動化入庫程序生成新的三維管線模型。

(6)成果主要指標和規(guī)格

①圓管管線模型繞周長面數(shù)要求不小于10個面數(shù)。

②管線材質(zhì)是通過標準色值顯示或管線材質(zhì)匹配兩種方式來實現(xiàn)，在平臺中根據(jù)需要進行轉(zhuǎn)換顯示。其中標準色值顯示方式是采用標準RGB色值來表現(xiàn)渲染效果，并且色值均按照設(shè)計圖中同類二維地下管線色值進行設(shè)置。

3.3 平臺建設(shè)

由地理信息技術(shù)(GIS)和3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合的三維仿真應(yīng)用平臺，主要集成了三維地下管線模型、地形模型和三維建筑模型，模型數(shù)據(jù)是通過平臺固定的數(shù)據(jù)組織方式、壓縮方式進行整合，以實現(xiàn)對軌道交通車站地下管線遷移方案的空間分布展現(xiàn)。

關(guān)鍵性技術(shù)如下:

(1)管線自動生成技術(shù)

平臺提供了與Oracle、SQL大型數(shù)據(jù)庫的接口，通過綁定shpfile文件字段中X、Y坐標及高程值自動生成三維管線模型，并且實現(xiàn)各類管線的屬性數(shù)據(jù)查詢及顯示。

(2)海量數(shù)據(jù)集成技術(shù)

在平臺搭建與數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，通過有效的技術(shù)手段實現(xiàn)多類型數(shù)據(jù)的無縫集成，并實現(xiàn)三維海量數(shù)據(jù)的瀏覽、更新、查詢、統(tǒng)計等管理功能。

圖2 柳汀街站地下管線遷移設(shè)計方案鳥瞰圖

3.4 輔助設(shè)計與應(yīng)用

集成了各類三維模型數(shù)據(jù)的三維仿真平臺，可應(yīng)用于車站地下管線遷移設(shè)計方案審查，通過三維模擬方式全方面瀏覽分析方案的可行性，為軌道交通管線遷移方案優(yōu)化提供更直接、可靠的依據(jù)。

(1)三維瀏覽顯示

通過平臺定制的三維瀏覽工具實現(xiàn)地上地下整體空間的三維瀏覽，可對三維地下管線進行任意的角度觀察，查看管線遷移設(shè)計是否合理性。

(2)遷移方案對比

通過設(shè)置配置文件顯示圖層內(nèi)容，可對平臺中管線模型進行雙屏瀏覽對比。圖3為柳汀街站地下管線遷移前現(xiàn)狀管布局與遷移設(shè)計后管線布局。

圖3 柳汀街站地下排水管線遷移前后布局對比

(3)空間量算

通過量測工具設(shè)計人員可以測量空間任意兩點間的距離。

(4)地下管線分析

通過管線分析工具可以讓設(shè)計人員更準確的查看各管線的相對位置，為優(yōu)化方案設(shè)計提供可靠依據(jù)。如水平凈距分析、垂直凈距分析、緩沖分析、橫斷面分析等。

(5)管線屬性查詢、統(tǒng)計

設(shè)計人員通過屬性查詢工具可查詢?nèi)我獾墓芫€屬性信息。也可利用統(tǒng)計工具對管線的點性質(zhì)、管徑、材質(zhì)、埋深等屬性進行分段統(tǒng)計或者分類匯總。

(6)創(chuàng)建管道

設(shè)計人員在查看方案時對需修改的管線可通過管道創(chuàng)建工具進行條件創(chuàng)建，用以作為二維設(shè)計圖更改時的參考依據(jù)。

4 結(jié)語

地下管線遷移設(shè)計是軌道交通建設(shè)順利開工的前期工作之一，基于軌道交通管線遷移的特點，通過三維仿真技術(shù)在設(shè)計人員進行方案設(shè)計時同步建設(shè)三維模型數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)集成后的地下管線仿真平臺進行更直觀的全方位方案審核，輔助設(shè)計人員進行方案調(diào)整，有助于提高管線遷移設(shè)計的效率，保障軌道交通站點施工的順利實施。

通過對柳汀街站三維地下管線輔助設(shè)計項目的實踐，若要建設(shè)一個為城市建設(shè)、規(guī)劃部門、專業(yè)管線單位提供穩(wěn)定、成熟、高效、可擴展并可持續(xù)開發(fā)應(yīng)用的城市地下管線三維空間虛擬現(xiàn)實仿真信息平臺，還需在數(shù)據(jù)建設(shè)和軟件應(yīng)用開發(fā)方面進行進一步深入研究，比如結(jié)合地質(zhì)開挖施工輔助地下管線設(shè)計、三維管線模型表現(xiàn)更精細化、管線地面附屬設(shè)備模型批量生成等等。

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