基于BIM協(xié)同的地下管網(wǎng)三維建模方法研究

鄧 梁, 劉新華

(1.河北雄安軌道快線有限責(zé)任公司，河北 保定 071700；2.石家莊鐵道大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043)

城市地下管線種類繁多、空間布局復(fù)雜，傳統(tǒng)二維管線平面圖無法對(duì)地下管網(wǎng)的綜合信息進(jìn)行直觀的空間描述和信息表達(dá)，難以在城市軌道線路規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的沖突，嚴(yán)重影響城市軌道交通線路規(guī)劃的效率和質(zhì)量，地下管網(wǎng)的三維可視化成為解決上述問題的有效途徑。目前針對(duì)管線三維建模方法主要有利用3D GIS軟件及SDK二次開發(fā)、采用OpenGL或OSG三維圖形庫(kù)底層開發(fā)和建模軟件直接建模方法。在利用3D GIS平臺(tái)方面，張魯剛[1]、申海鵬[2]、魏世磊[3]、王衛(wèi)東[4]采用Skyline平臺(tái)，研究了管線的三維建模方法，實(shí)現(xiàn)了地下管線信息的自動(dòng)化建模。魏忠勇[5]、王臺(tái)武[6]、王秀超[7]采用ArcGIS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了管線的三維建模。在底層開發(fā)方面，陳林[8]使用WebGL開源框架Three.js從后臺(tái)獲取到的二維管線矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行批量建模；劉瑤[9]采用3Dmax及二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了地下管線三維數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建；蔡振鋒[10]采用OpenGL實(shí)現(xiàn)了地下管線三維緩沖分析。在利用BIM地下管線建模方面，陳軍[11]、李慧莉[12]采用Revit軟件實(shí)現(xiàn)了地下管道的三維建模；馮偉民[13]探討了地下管網(wǎng)BIM一體化處理平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用，旨在促進(jìn)BIM應(yīng)用及地下管網(wǎng)規(guī)劃管理智慧化。

既有管線三維建模研究，主要單純從管線自身角度去實(shí)現(xiàn)，但城市地下管線建模不應(yīng)脫離城市道路、建筑等既有城市環(huán)境，既有建模方法無法有效計(jì)算管線拆遷和改移量，無法滿足城市軌道交通線路規(guī)劃和設(shè)計(jì)要求。本文采用InfraWorks和Civil 3D BIM平臺(tái)，并利用BIM二次開發(fā)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，研究BIM協(xié)同的地下管網(wǎng)三維快速建模方法，實(shí)現(xiàn)BIM平臺(tái)協(xié)同的地下管網(wǎng)三維快速建模，以三維實(shí)體管線模型真實(shí)反映城市三維場(chǎng)景下的地下管網(wǎng)的空間分布狀態(tài)，為城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)的管線拆遷和改移創(chuàng)建可靠的三維地下管網(wǎng)模型。

1 地下管線特征分析與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.1 地下管線特征分析

多種類型的管線組成了地下管網(wǎng)，管線的空間結(jié)構(gòu)和分布狀態(tài)是建立地下管網(wǎng)模型的基礎(chǔ)，管線由定位位置的空間幾何特征和描述信息的屬性特征組成。三維空間坐標(biāo)信息和屬性信息構(gòu)成一個(gè)管點(diǎn)，兩個(gè)管點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)管線段，多個(gè)管線段相連組成一條完整的管線，如圖1所示。

圖1 管線段描述狀態(tài)

管線的組成結(jié)構(gòu)如下：

(1)

式中 ：Li為第i條管線，唯一識(shí)別的ID為IDj；Pij為第i條管線的第j個(gè)管點(diǎn)，其空間坐標(biāo)為(xj，yj，zj)；Gi為第i條管線的幾何信息，如管徑、長(zhǎng)度；Ai為第i條管線的屬性信息，如類型、材質(zhì)、顏色、建設(shè)年代等；N為第i條管線的管點(diǎn)總數(shù)；Cij為第i條管線的第j個(gè)管點(diǎn)的特征信息，如三通、四通、中間點(diǎn)、檢查井起點(diǎn)、中間點(diǎn)、終點(diǎn)等，管點(diǎn)的編碼如表1所示。

表1 管點(diǎn)編碼

1.2 地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)建立

為有效管理管線數(shù)據(jù)和自動(dòng)建模需要，管線的三維坐標(biāo)信息以記錄的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，定義的管線、管點(diǎn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2和表3所示。

表2 管線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表3 管點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

管線和管點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示。

圖2 管線數(shù)據(jù)

圖3 管點(diǎn)數(shù)據(jù)

2 海量地下管網(wǎng)快速建模方法

2.1 Civil 3D管網(wǎng)建模技術(shù)

城市地下管網(wǎng)種類繁多、數(shù)量大，采用建模軟件，單純依靠手工建模方式不僅工作量大、效率低且容易出錯(cuò)。Civil 3D具有強(qiáng)大的管網(wǎng)建模功能，支持多種管線類型和LandXML、SDF等多種數(shù)據(jù)輸出格式。因此，基于已有的地下管線數(shù)據(jù)，采用Civil 3D提供的API，利用C#編程語(yǔ)言對(duì)Civil 3D進(jìn)行二次開發(fā)，讀取管線建模數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)的自動(dòng)建模，能夠有效提高建模效率。Civil 3D提供了COM和.NET兩種主要API，從開發(fā)難度和效率上比較，.NET API更適合地下管網(wǎng)建模的二次開發(fā)。因此，本文采用.NET API進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的自動(dòng)建模。采用的Civil 3D 版本為2018，.NET平臺(tái)選擇對(duì)應(yīng)的Visual Studio 2015。為提高程序加載效率，通過修改注冊(cè)表并添加相應(yīng)的鍵值方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)載入建模程序。

2.2 三維管網(wǎng)自動(dòng)建模

地下管網(wǎng)建模需要利用地形和道路數(shù)據(jù)，因此將在InfraWorks中創(chuàng)建的城市三維地形導(dǎo)出為.IMX格式的地形曲面并載入Civil 3D中。加載完成的地形中包含道路名稱等信息，可以更好地展現(xiàn)地下管線和道路之間的相互空間關(guān)系，驗(yàn)證管線位置是否正確。管網(wǎng)自動(dòng)建模是通過Civil 3D二次開發(fā)技術(shù)，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中管網(wǎng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)繪制管線和管點(diǎn)，生成地下管網(wǎng)的二維平面圖。采用不同顏色區(qū)分不同類型管線，管線分類和管線符號(hào)顏色取值如表4所示。

表4 管線分類和管線符號(hào)顏色取值

建模實(shí)現(xiàn)過程包括數(shù)據(jù)讀取、管線樣式設(shè)置、結(jié)構(gòu)樣式設(shè)置、創(chuàng)建零件列表添加管線和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)屬性等內(nèi)容，建模流程如圖4所示。

圖4 Civil 3D管網(wǎng)建模流程

采用Civil 3D API二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載海量地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)，批量生成管線和管點(diǎn)模型，實(shí)現(xiàn)基于地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)建模，建模效果如圖5所示。

3 InfraWorks與Civil 3D的三維地形與地上場(chǎng)景建模

建立三維地形和地上城市場(chǎng)景能夠更直觀的展示地下管線空間分布，因此，本文結(jié)合InfraWorks與Civil 3D的各自優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)三維地形和城市場(chǎng)景的三維建模。

3.1 InfraWorks與Civil 3D三維地形建模

InfraWorks與Civil 3D協(xié)同進(jìn)行地形建模的優(yōu)勢(shì)在于，使用測(cè)量數(shù)據(jù)創(chuàng)建的地形比模型生成器和網(wǎng)站下載的地形更接近真實(shí)地形，而且Civil 3D可以對(duì)創(chuàng)建的地形進(jìn)行分析處理，使地形更加規(guī)范。因此，本文利用Civil 3D和InfraWorks集成完成地形三維建模，采用數(shù)模點(diǎn)文件方式進(jìn)行地形的三維建模。首先在Civil 3D中生成點(diǎn)，然后再通過添加點(diǎn)編組的方式創(chuàng)建地形；然后采用Civil 3D的Raster Tools插件為創(chuàng)建完成的地形匹配地形影像，Raster Tools主要用來導(dǎo)入影像和調(diào)整影像坐標(biāo)。插入影像并匹配后如圖6所示。

圖5 地下管網(wǎng)自動(dòng)生成 圖6 Civil 三維地形匹配影像

對(duì)影像使用Raster Tools生成定位文件即實(shí)現(xiàn)對(duì)影像的坐標(biāo)設(shè)定。匹配影像完成的地形選擇導(dǎo)出為.IMX格式，這種格式能夠在Civil 3D和InfraWorks之間進(jìn)行數(shù)據(jù)無損傳遞。在InfraWorks中加載地形及影像，如圖7所示。

圖7 InfraWorks地形創(chuàng)建 圖8 城市三維場(chǎng)景模型

3.2 城市地上場(chǎng)景三維建模

InfraWorks作為土木基礎(chǔ)設(shè)施概念設(shè)計(jì)軟件，具備創(chuàng)建基礎(chǔ)模型、方案設(shè)計(jì)及分析、漫游瀏覽及展示等功能。InfraWorks能夠在建筑和自然環(huán)境的真實(shí)世界環(huán)境中快速創(chuàng)建大范圍城市建筑模型、道路模型，并對(duì)設(shè)計(jì)概念進(jìn)行建模、分析和可視化，建立的城市三維場(chǎng)景模型如圖8所示。

4 地下管網(wǎng)三維建模實(shí)現(xiàn)

4.1 地下管網(wǎng)三維場(chǎng)景構(gòu)建流程

由于Civil 3D生成的地下管網(wǎng)雖然具有三維坐標(biāo)，但不能有效展示管線三維真實(shí)模型。因此，將Civil 3D管網(wǎng)模型以空間數(shù)據(jù)格式 (SDF) 導(dǎo)出并載入InfraWorks 3DGIS平臺(tái)。SDF文件的維度為“三維文件”，可導(dǎo)出自動(dòng)生成的所有管線。 Civil 3D管網(wǎng)建模時(shí)使用的是InfraWorks導(dǎo)出地形，因此，Civil 3D管網(wǎng)能夠在InfraWorks中自動(dòng)定位。結(jié)合InfraWorks中城市地上場(chǎng)景，能夠構(gòu)建完整準(zhǔn)確的三維地下管網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)三維模型展示，構(gòu)建流程如圖9所示。

圖9 地下管網(wǎng)三維場(chǎng)景構(gòu)建流程

4.2 InfraWorks 管網(wǎng)三維建模實(shí)現(xiàn)

InfraWorks作為BIM 3DGIS平臺(tái)，在InfraWorks中載入管網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，能夠自動(dòng)識(shí)別已在Civil 3D中設(shè)置完成的管線及結(jié)構(gòu)類型。若InfraWorks中存在與之相應(yīng)的零件樣式，則會(huì)在創(chuàng)建時(shí)直接選取該樣式；若無匹配的管道接頭零件，則選擇數(shù)據(jù)源中的SDF格式。進(jìn)行數(shù)據(jù)源配置時(shí)，需在類型中選擇管線，設(shè)置主要參數(shù)如表5所示。

表5 SDF格式數(shù)據(jù)源參數(shù)設(shè)置

InfraWorks中最終建立的三維管網(wǎng)效果如圖10和圖11所示。

圖10 地下管網(wǎng)三維模型(地表透明模式) 圖11 地下管網(wǎng)三維可視化模型(地下模式)

5 結(jié)論

基于地下管網(wǎng)復(fù)雜且隱蔽的特性，傳統(tǒng)的二維平面圖難以直觀、準(zhǔn)確地展示其空間位置關(guān)系及三維特征，嚴(yán)重影響線路規(guī)劃工作的效率和質(zhì)量。本文利用Civil 3D和InfraWorks BIM平臺(tái)的各自優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM協(xié)同的城市地下管網(wǎng)三維可視化快速建模。基于InfraWorks三維地形的IMX數(shù)據(jù)接口，采用Civil 3D二次開發(fā)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在Civil 3D平臺(tái)中的InfraWorks地形無損集成和海量地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化三維建模。采用空間三維數(shù)據(jù)格式SDF，實(shí)現(xiàn)了Civil 3D地下管網(wǎng)模型在InfraWorks平臺(tái)中的無損集成，建立了基于BIM的直觀三維地下管網(wǎng)三維模型，解決了地下管網(wǎng)三維快速建模和可視化問題，實(shí)現(xiàn)了三維空間立體直觀的展現(xiàn)各種管線的空間布局和位置，解決了傳統(tǒng)二維管線空間關(guān)系不明晰、顯示效果不直觀、建模效率低、與地上三維模型不能銜接一致等問題，為合理的進(jìn)行城市軌道交通線路規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工的管線拆遷及改移提供了有效的技術(shù)支撐。