SketchUp軟件支持下的地下管網(wǎng)三維建模與設(shè)計

楊春宇，紀銀曉，胡啟亞，張帆宇揚

(1. 北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京 101500； 2. 測繪出版社，北京 100045； 3. 北京市煤氣熱力工程設(shè)計院有限公司，北京 100032； 4. 中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

地下管線在城市基礎(chǔ)設(shè)施中擔任重要角色[1]，是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分之一。在城市規(guī)劃、設(shè)計、施工和管理的各個階段中，如果缺乏項目所在地準確的地下管線信息，在實際施工中將會遇到很多困難，甚至造成人民生命財產(chǎn)的損失。為了提高城市地下管線信息化的管理水平[2]，確保市民生活正常運行，進一步加快城市化進程，提高城市綜合運載能力，也為城市的安全提供保障，一方面要求查明現(xiàn)有管線，對現(xiàn)有的所有種類的地下管線進行統(tǒng)一的普查，以統(tǒng)一標準建立全國各種類的地下管線數(shù)據(jù)庫，為我國綜合地下管廊設(shè)計、規(guī)劃、建設(shè)各個階段，及時提供各類地下管線準確、完善的基礎(chǔ)信息；另一方面要求在設(shè)計管線時應(yīng)考慮多方面因素，力求設(shè)計出科學、合理的管線，為保證地下管線的長久使用和降低地下管線事故率打下基礎(chǔ)。最后，依據(jù)城市規(guī)劃建設(shè)管理要求[3]進行地下管線普查，完成管線數(shù)據(jù)的探測，管線圖編繪，管線數(shù)據(jù)建庫、三維管網(wǎng)管理系統(tǒng)建設(shè)工作，實現(xiàn)城市地上地下空間的合理、科學的開發(fā)，提高城市使用效率，實現(xiàn)城市現(xiàn)代化，提高城市運行職能。

目前，三維建模技術(shù)應(yīng)用廣泛，如盧丹丹等[4]針對三維建模的高精度自動化、局部更新快速化和地上地下一體化等關(guān)鍵技術(shù)，提出了該技術(shù)應(yīng)用于地下管線普查工作的新思路；關(guān)麗等[5]研究了三維建模技術(shù)在建設(shè)數(shù)字城市過程中的具體技術(shù)途徑及方式；邱春霞等[6]提出了紋理缺失、圖像扭曲、數(shù)據(jù)篩選，以及PhotoScan軟件參數(shù)設(shè)置及操作順序等方面的三維建模優(yōu)化技術(shù)；陳卓等[7]提出了一種基于機載LiDAR數(shù)據(jù)的大型立交橋建模方法；孫中昶等[8]研究了地下巷道三維建模算法的實現(xiàn)。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，基于SketchUp軟件，以及地下管線的現(xiàn)狀，結(jié)合研究區(qū)供暖管道設(shè)計項目，探究數(shù)據(jù)庫及三維建模在地下管線設(shè)計中的作用，并根據(jù)燃氣管道設(shè)計規(guī)范，從管線長度、施工難度、施工費用、竣工后對周圍影響四方面進行綜合分析，以選擇最佳的設(shè)計方案，對數(shù)據(jù)庫建立、地下管網(wǎng)的三維建模和管線設(shè)計提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫的建立

研究區(qū)位于北京市通州區(qū)徐瞳路與燭光路交叉路口西南角，占地面積近1.4萬m2。東側(cè)有一條小河，其余三面大都被綠地包圍，主要包括1座辦公大樓、3座宿舍樓、1座食堂、2座家屬樓。實測過程中需要測量其1∶500地形圖及地下管網(wǎng)的分布情況，設(shè)計出一條科學的熱力管線。該項目采用坐標應(yīng)符合北京市工程測量技術(shù)規(guī)范，因此平面坐標系統(tǒng)采用北京地方坐標系，高程系統(tǒng)采用北京地方高程系。由于使用GPS測量時得到的是WGS-84坐標，因此在對測區(qū)進行測量前，需要先求出WGS-84坐標轉(zhuǎn)到北京地方坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

1.1 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集前，先進行現(xiàn)有數(shù)據(jù)的搜集，主要搜集以前建筑竣工地形圖及測區(qū)控制點和成果資料。然后現(xiàn)場踏勘，對研究區(qū)周圍情況進行調(diào)查，主要查看測區(qū)地物、地貌、交通情況、地理條件及可能干擾測量的因素。最后向物業(yè)人員咨詢地下管線建設(shè)的大致情況。

數(shù)據(jù)采集時，采用GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，實測已知點位的WGS-84坐標，得到覆蓋測區(qū)的坐標轉(zhuǎn)換模型(本工程共選取4個已知控制點)，模型建好后，求出轉(zhuǎn)換參數(shù)，利用GPS接收機對已知點進行測量。實測結(jié)果與已知數(shù)據(jù)進行比較，以達到檢核的目的。同時，利用3臺GPS接收機，其中1臺作為基準站，另外2臺作為流動站。通過已知轉(zhuǎn)換參數(shù)將WGS-84坐標轉(zhuǎn)換為北京地方坐標，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)RTK進行地形圖野外數(shù)據(jù)采集，并現(xiàn)場繪制草圖。在實測過程中，兩組人分別以辦公樓中間為界，分別測量兩邊，避免測量中測重、測漏。測量時應(yīng)特別注意給水、排水、熱力、電力、電信井蓋，為了以后繪制管線走向，一定不能漏測，燃氣、工業(yè)管道、綜合管廊等也需要注意測量的完整性，避免以后施工誤挖。

外業(yè)測量結(jié)束后，將兩組測量數(shù)據(jù)整合在一起，檢查測量數(shù)據(jù)的完整性，然后根據(jù)外業(yè)草圖和觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用CASS進行內(nèi)業(yè)編輯成圖。外業(yè)人員根據(jù)地形圖到實地進行探測，利用地下管線檢查井位置結(jié)合雷迪探測儀現(xiàn)場探查地下管線數(shù)據(jù)及位置，并在地形圖上進行標注。

在外業(yè)管線探測結(jié)束后，應(yīng)用CASS在以前繪制的地形圖上繪制地下管線，并標注管線信息。標注信息應(yīng)該簡明，放置在管線合適位置上，利于設(shè)計人員識別和查看。同時地下管線圖分層及顏色應(yīng)該符合《城市地下管線探測規(guī)程》，地下管線圖分層及顏色應(yīng)符合規(guī)范，見表1。

表1 地下管線圖分層及顏色

繪制完地下管線地形圖和管線線路圖后，需要編制地下管線信息表和管線高程表。繪制管線信息表時，首先應(yīng)該將同一類別的管線高程繪制在Excel同一個表單中，在表單中應(yīng)注明管線深度、走向等信息。最后將不同類別的管線高程繪制在一個總的表單中，以觀測管線大致走向及高程。本項目中污水管線信息表單見表2。

表2 污水管線信息表

在CASS軟件中繪制地下管線線路圖時，地下管線圖中各種文字、數(shù)字注記應(yīng)標記清楚，不能出現(xiàn)壓蓋管線及其附屬設(shè)施的現(xiàn)象。地下管線圖注記[9]應(yīng)按規(guī)范執(zhí)行,管線上文字、數(shù)字注記應(yīng)平行于管線走向，標記文字的字頭應(yīng)垂直于管線走向、方向向上。

1.2 數(shù)據(jù)庫建立

利用ArcCatalog[10]創(chuàng)建研究區(qū)地理數(shù)據(jù)庫(Geodatabase)，將CASS中的測量成果圖(如圖1所示)中的不同要素轉(zhuǎn)成不同種類的SHP文件，導入數(shù)據(jù)庫(如圖2所示)。將所有SHP文加載到ArcMap中，并對不同SHP圖層進行符號化，如圖3所示，在ArcMap對話框中可以看到，所有加載的圖層都在左側(cè)，可以很方便地選擇打開或關(guān)閉圖層，也可以很方便地查看所有管線及地物的位置、大小、坐標。

圖1 成果圖

2 建立地下管網(wǎng)三維模型

地下管線三維建模[11]有助于提高管線設(shè)計人員對地下管線的理解的效率、精度和完整性，能夠立體化、形象化、動態(tài)化地展示紛繁復雜的地下管線數(shù)據(jù)。本文通過對二維地形圖的精簡，保留對地下管線三維建模重要影響的地物，如道路、房屋、綠地、河流、蓄水池等，以此為供暖管線提供重要參考，再結(jié)合SketchUp軟件對地下管線進行準確的建模。

圖2 數(shù)據(jù)庫

圖3 ArcMap對話框

按照DWG圖形導入SketchUp軟件中的要求[12]，在SketchUp中加載CAD成果圖。SketchUp軟件中含有種類齊全的材質(zhì)庫，能夠?qū)υS多不同種類的地物進行著色，使所建模型貼近自然，非常逼真，使設(shè)計人員置身于實地一般。在SketchUp中建立模型并上材質(zhì)后的效果如圖4所示。

圖4 SketchUp成果圖

在對模型賦予材質(zhì)[13]后，將模型導出為DAE格式，將模型導入到ArcSence，通過ArcSence與SketchUp的交互，既實現(xiàn)了將所建的三維模型數(shù)據(jù)和之前建立的管線數(shù)據(jù)保存在同一個數(shù)據(jù)庫中，方便以后的調(diào)用，也可以在ArcSence中加載建模前的管線二維數(shù)據(jù)，與建立的管線三維模型相對比，驗證管線的建模精度。

3 管線設(shè)計

3.1 燃氣管線設(shè)計方案

依據(jù)燃氣管道設(shè)計規(guī)范，再結(jié)合項目實際情況，其中包括研究區(qū)地理位置、院內(nèi)建筑分布、管線走向、供暖要求等因素，最終設(shè)計了3個管線設(shè)計方案。

方案1是設(shè)計一條露天燃氣管道與深埋燃氣管道相結(jié)合的方案，即在研究區(qū)門口河流南側(cè)，先在地下深埋燃氣管道，再由地上燃氣管道越過河流，延伸至辦公大樓東面，如圖5所示。

圖5 管線設(shè)計方案1

方案2是將燃氣管道經(jīng)由研究區(qū)東側(cè)和北側(cè)的綠地來供暖，管線布設(shè)在綠地下方，與建筑物保持在安全的距離，在安全方面具有很大優(yōu)勢，如圖6所示。

方案3同方案2類似，燃氣管道都在地下，先埋設(shè)于綠地下方，再沿著河流鋪設(shè)，最終沿著研究區(qū)中間鋪設(shè)以供暖，如圖7所示。

圖6 管線設(shè)計方案2

圖7 管線設(shè)計方案3

3.2 燃氣管線方案分析

在設(shè)計燃氣管道[14]時不僅要符合《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028—95)規(guī)范要求，而且還要考慮經(jīng)濟、便利等因素，為此本文針對3種設(shè)計方案，從管線長度、施工難度、施工費用、竣工后對周圍影響四方面進行分析。

由于管線長度涉及完成供暖目標所花費的管道成本，在能完成相同供暖目標時，管線長度短的方案更具有優(yōu)勢；而施工難度則對應(yīng)著在實施燃氣管道設(shè)計方案時所花費的成本，施工難度越大，所花費的時間也就越長，同時施工費用也就越多；而在施工結(jié)束后，由于施工方案不同，對地面開挖或建筑拆除造成的損失也會不同。一般露天管道架設(shè)比深埋鋪設(shè)在造價上具有優(yōu)勢，但同時安全問題會比較多，由于占用了地面空間，要考慮管道是否對以后車輛行駛、居民出行產(chǎn)生影響。由于方案2管道都鋪設(shè)在綠地下方，相對于人為因素影響較少，而且深埋地下，在安全方面具有很大優(yōu)勢。3種方案具體分析見表3。

經(jīng)過對比分析，方案1管線最短，施工難度與施工費用也較其余兩種方案較優(yōu)。但是由于露天燃氣管道安全隱患較大，在經(jīng)歷風吹日曬后對露天燃氣管道會有較大損傷，需要定期維修和防護，尤其是露天燃氣管道較地下燃氣管道更容易遭受破壞，安全系數(shù)不如地下燃氣管道高。因此，露天燃氣管道一般在特殊情況下才會考慮。

方案2的燃氣管線長度最長，但是在施工時間和施工費用上較另外兩個方案具有較大優(yōu)勢，而且由于綠地開挖比較容易，在施工期間對敬老院院外及院內(nèi)交通影響較小，同時，在竣工后對地面的損傷也比較小，不影響路面美觀。

表3 方案分析表

方案3燃氣管線長度在3個方案中排名第二，但是在施工時需要開挖研究區(qū)院外及院內(nèi)道路，尤其是院內(nèi)的水泥路面較難開挖，在施工期間，由于開挖管線位于辦公大樓前面，因此會對交通帶來不便，同時，在竣工時敬老院路面還會留下很長開挖痕跡，嚴重影響路面美觀。

綜合對比分析后，3種方案中方案2較為合理，即能達到供暖的目標，在施工整體時間上和費用上有較大優(yōu)勢，同時在開挖后不會為研究區(qū)周邊道路帶來巨大的影響。

4 結(jié) 語

本文基于地下管線的現(xiàn)狀，結(jié)合研究區(qū)供暖管道設(shè)計項目，探究數(shù)據(jù)庫及三維建模在地下管線設(shè)計中的作用，并根據(jù)燃氣管道設(shè)計規(guī)范，在安全的前提下，設(shè)計了3種供暖管線設(shè)計方案。再從管線長度、施工難度、施工費用、竣工后對周圍影響四方面進行綜合分析，最終從中選擇出最佳的設(shè)計方案。最佳方案施工難度低，施工時間短，施工費用低，施工過程中對敬老院院外及院內(nèi)的交通影響較小，在竣工結(jié)束后也不會對研究區(qū)路面造成損傷，不影響道路美觀，為供暖管線設(shè)計施工提供了參考。

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