市政管道三維設(shè)計(jì)軟件的研究

劉輝

摘要：一直以來，我國(guó)市政行業(yè)以二維設(shè)計(jì)為主，很少采用三維設(shè)計(jì)，但近年來，由于市場(chǎng)需求和技術(shù)進(jìn)步，越來越多的設(shè)計(jì)院開始重視BIM技術(shù)，全國(guó)主要設(shè)計(jì)院已開始研究BIM技術(shù)，并在部分項(xiàng)目上進(jìn)行了使用，但由于多方面的原因，BIM技術(shù)并沒有全面鋪開。本文針對(duì)市政管道三維設(shè)計(jì)，提出一種解決方案。

關(guān)鍵詞：市政管道 BIM 三維設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）03-0000-00

我公司在2008年開發(fā)了市政道路與給排水工程綜合協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱MEDS），MEDS是一款二維設(shè)計(jì)軟件，在過去幾年發(fā)揮了重要作用。近年來，BIM技術(shù)在市政行業(yè)正引起越來越高的關(guān)注度，很多市政設(shè)計(jì)院已開始研究并逐漸實(shí)施BIM，BIM的一項(xiàng)重要技術(shù)就是三維設(shè)計(jì)。為此，我公司決定首先進(jìn)行市政管道三維設(shè)計(jì)技術(shù)的研究。

三維設(shè)計(jì)是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)。它是建立在平面和二維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計(jì)目標(biāo)更立體化，更形象化的一種新興設(shè)計(jì)方法。

三維軟件的優(yōu)點(diǎn)：

（1）真正的所見即所得，看到的圖形是什么樣子，做出的東西就是什么樣子，模型直觀，容易看懂；二維圖的本質(zhì)都是點(diǎn)和線，所見不是所得。

（2）真正的參數(shù)化設(shè)計(jì)，幾何關(guān)系明確，幾何約束清晰，修改方便、快速、簡(jiǎn)單； 二維設(shè)計(jì)的參數(shù)化其實(shí)是借用了三維設(shè)計(jì)的參數(shù)化概念，二維圖在本質(zhì)上是沒有真正的實(shí)體的，所謂實(shí)體，實(shí)際是想象，即使是搞所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)，由于其自身局限性，不能和三維參數(shù)化相比。

（3）真正的干涉檢查，三維模型實(shí)體和最后的實(shí)物一樣，實(shí)物之間的幾何關(guān)系也一樣，圖形中的干涉現(xiàn)象就是實(shí)際現(xiàn)象；二維圖紙缺乏空間關(guān)系，即便通過計(jì)算機(jī)程序判斷，由于多種原因，比如，圖形對(duì)象比例不一致，可能有誤判情況。

（4）真正的立足于設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)與出圖分離，設(shè)計(jì)人員集中精力搞設(shè)計(jì)，不用關(guān)心最后出圖，做二維設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員總會(huì)關(guān)心出圖是否好看，數(shù)據(jù)是否好看等等。

（5）真正的一一對(duì)應(yīng)，由于三維實(shí)體模型的存在，我們可以任意的從不同角度去剖切實(shí)體，得到剖面圖，任何剖面圖一定和實(shí)體對(duì)應(yīng)，絕無誤差；三維模型剖切非?？?，也沒技術(shù)含量；二維圖紙本身是無法剖切的，在二維圖紙基礎(chǔ)上畫剖視圖，必須要非常專業(yè)，繪圖過程復(fù)雜，并且容易出錯(cuò)或存在誤差，容易造成各視圖不一致現(xiàn)象。

（6）真正的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)相結(jié)合，BIM模型不僅用于設(shè)計(jì)，并可利用于施工、運(yùn)行等各層面；

（7）可進(jìn)行動(dòng)態(tài)漫游，瀏覽設(shè)計(jì)效果；

（8）輔助虛擬仿真，例如雨水收集效果是否達(dá)到預(yù)期，污水管的排水能力如何，給水管送水效果是否達(dá)到預(yù)期。

1 軟件的總體設(shè)計(jì)

軟件針對(duì)市政行業(yè)特點(diǎn)，開發(fā)一個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，能夠進(jìn)行管道三維設(shè)計(jì)（含箱涵），但成果圖必須是二維圖紙，能夠用于施工，主要成果圖包括平面圖、檢查井要素表、支管檢查井要素表、工程量表、檢查井標(biāo)牌、土石方計(jì)算、縱斷面圖。

運(yùn)行環(huán)境：操作系統(tǒng)為Windows 7，.NET3.5環(huán)境，CPU要求在2G以上，內(nèi)存2G以上，主要支撐軟件為Microsoft Office 2007，CIVIL 3D。

開發(fā)工具：Visual Studio 2012，CIVIL 3D。

功能規(guī)定：（1）三維設(shè)計(jì)環(huán)境、三維設(shè)計(jì)過程，管道、箱涵、檢查井、雨水口、雨水口連接管、自然地形均為三維實(shí)體；（2）常用數(shù)據(jù)的設(shè)置，例如默認(rèn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，默認(rèn)出圖數(shù)據(jù)等等；（3）自然地形建模；（4）設(shè)計(jì)道路建模；（5）各類檢查井參數(shù)化建模（類型很多）；（6）各類閥門、管件等參數(shù)化建模（類型很多）；（7）各類雨水口參數(shù)化建模；（8）直管、彎管的參數(shù)化建模；（9）箱涵的參數(shù)化建模，直線井、結(jié)合井的參數(shù)化建模；（10）設(shè)計(jì)過程中允許用戶對(duì)各實(shí)體的操作，包含新建、刪除、修改、移動(dòng)、復(fù)制等；（11）設(shè)計(jì)完畢后，能夠根據(jù)三維圖形及時(shí)生成二維圖紙，并按照有關(guān)設(shè)置標(biāo)注，得到符合用戶要求的圖紙。（12）確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)安全。

管道設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 重點(diǎn)、難點(diǎn)

2.1實(shí)體對(duì)象的三維參數(shù)化建模

市政管道設(shè)計(jì)中的三維實(shí)體對(duì)象主要包括自然地形、設(shè)計(jì)道路、管道、節(jié)點(diǎn)（檢查井、閥件等）、雨水口。

（1）自然地形：一般情況，勘測(cè)單位會(huì)提供地形圖，這些地形圖有的是散點(diǎn)，有的是等高線，CIVIL 3D已具備處理地形圖的功能，能夠生成三維地形圖。如果勘測(cè)單位提供數(shù)據(jù)文件，那么，我們可以開發(fā)一個(gè)程序，根據(jù)數(shù)據(jù)文件提供的坐標(biāo)，在CIVIL 3D中繪制出散點(diǎn)，再根據(jù)散點(diǎn)生成三維地形圖。（2）設(shè)計(jì)道路：根據(jù)道路中線、豎曲線、道路橫斷面模型，繪制三維道路。如果道路各板塊比較規(guī)則，則容易繪制，如果變化很大，則會(huì)很復(fù)雜。因此，我們第一階段，主要繪制比較規(guī)則的道路，對(duì)于板塊（邊線）變化復(fù)雜的情況，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，畢竟，我們的主要工作是做管道，復(fù)雜道路的三維圖需要專門的三維道路軟件處理。（3）管道：管道三維圖形很簡(jiǎn)單，首先確定管道三維中心線，根據(jù)管徑進(jìn)行拉伸即可。（4）節(jié)點(diǎn)：種類多，比如圓形檢查井、矩形檢查井、閘閥井、蝶閥井、支管型消火栓井等等，每一種類型又有不同型號(hào)、規(guī)格的實(shí)體。這種情況，我們將按類型開發(fā)一個(gè)參數(shù)化三維繪圖程序，這種程序一般難度不大，但有些費(fèi)時(shí)。（5）雨水口：和節(jié)點(diǎn)的情況相似，但要簡(jiǎn)單些。

2.2三維對(duì)象的操作

自然地形和設(shè)計(jì)道路三維模型只是管道設(shè)計(jì)的輔助實(shí)體，不需要復(fù)雜操作。

我們?cè)谶M(jìn)行三維建模時(shí)，必須對(duì)各實(shí)體對(duì)象賦予屬性值，這些屬性值可以寫在實(shí)體的擴(kuò)展數(shù)據(jù)或擴(kuò)展記錄里，以便于程序能夠識(shí)別各實(shí)體，從而可以進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的三維實(shí)體操作。

管道的三維操作，往往不是獨(dú)立的。主管、支管、節(jié)點(diǎn)、雨水口、雨水口連接管往往需要聯(lián)動(dòng)，因此，必須要建立拓?fù)潢P(guān)系模型，這種拓?fù)潢P(guān)系模型和二維設(shè)計(jì)相似，這里就不詳述。建立了拓?fù)潢P(guān)系模型后，我們可以通過命令或?qū)嶓w對(duì)象的事件實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)實(shí)體的聯(lián)動(dòng)操作。

一般地，三維操作包括增加對(duì)象、刪除對(duì)象、移動(dòng)等等，根據(jù)市政管道的特點(diǎn)，不僅要有單個(gè)實(shí)體對(duì)象的操作，還必須考慮批量處理實(shí)體對(duì)象的操作。

2.3三維設(shè)計(jì)完成后，即時(shí)自動(dòng)生成二維圖紙。

根據(jù)市政管道的特點(diǎn)，施工圖不是實(shí)體的剖切圖，不是簡(jiǎn)單的視圖處理，我們一般出兩種圖形，平面圖和縱斷面圖，另外附加一些表格數(shù)據(jù)。

3 模塊劃分

包含的模塊有：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理模塊、基礎(chǔ)圖形處理模塊、自然地形處理模塊、設(shè)計(jì)道路處理模塊、管道設(shè)計(jì)模塊、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)模塊、雨水口設(shè)計(jì)模塊、設(shè)計(jì)成果圖紙?zhí)幚砟K。

4系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)對(duì)象的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

管道數(shù)據(jù)主要是管道屬性：管徑、材料、基礎(chǔ)、長(zhǎng)度、坡度、高程、覆土、埋深、類型；

節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)主要是節(jié)點(diǎn)屬性：類型、連接方式、規(guī)格、高程；

雨水口數(shù)據(jù)主要是雨水口屬性：類型、規(guī)格、高程；

雨水口連接管數(shù)據(jù)主要是雨水口連接管屬性：管徑、長(zhǎng)度、坡度、高程、材料、其他。

5 結(jié)語(yǔ)

BIM、三維設(shè)計(jì)在市政行業(yè)還處于研究、探索、局部應(yīng)用階段，信息技術(shù)與實(shí)際設(shè)計(jì)工作還需要不斷地相互適應(yīng)和更深的融合，設(shè)計(jì)人員與開發(fā)人員也需要不斷地對(duì)新的設(shè)計(jì)方法提高認(rèn)識(shí)，相信在不遠(yuǎn)的將來，BIM、三維設(shè)計(jì)將成為市政行業(yè)設(shè)計(jì)的主流解決問題的方法。