大型建筑物三維室內(nèi)管網(wǎng)模型設(shè)計(jì)

王子悅 連懿 孫瑞祺 王作寧 陳鵬飛 崔鐵軍

摘要：隨著大型綜合性建筑的日益增多，建立大型建筑的室內(nèi)管網(wǎng)模型設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。文章以天津師范大學(xué)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，根據(jù)室內(nèi)管網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等方面，研究其地理信息系統(tǒng)的建模部分，探究建立何種規(guī)格的三維模型能夠滿(mǎn)足大型建筑室內(nèi)管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的要求，從而實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景可視化。

關(guān)鍵詞：三維建模；室內(nèi)管網(wǎng)；GIS

隨著城市發(fā)展的飛快進(jìn)程，我國(guó)的工程建筑規(guī)模呈現(xiàn)“大而高綜合”的發(fā)展趨勢(shì)，大型建筑的功能也隨之增加。室內(nèi)管網(wǎng)作為大型建筑重要設(shè)施之一，其數(shù)量和種類(lèi)也隨著建筑的功能而增加，一旦大型建筑室內(nèi)管網(wǎng)發(fā)生故障，僅僅根據(jù)傳統(tǒng)的管線圖紙檔案，很難準(zhǔn)確地從錯(cuò)綜復(fù)雜的管網(wǎng)中找到“病源”。顯然傳統(tǒng)的圖紙資料已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)代大型建筑室內(nèi)管線的維護(hù)和更新需求，于是大型建筑室內(nèi)管網(wǎng)的信息化和管網(wǎng)室內(nèi)模型的構(gòu)建成為迫切需要解決的課題。

1 管網(wǎng)的基礎(chǔ)理論

1.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型

處理不同類(lèi)型的管網(wǎng)數(shù)據(jù)都是根據(jù)特定的數(shù)據(jù)模型。管網(wǎng)按照特征可分為管點(diǎn)和管線段。管點(diǎn)包括管網(wǎng)中的實(shí)體和管網(wǎng)交點(diǎn)、管徑變化點(diǎn)和埋深變化點(diǎn)等特征點(diǎn)，管線段是管點(diǎn)間的連接線段。大型建筑物室內(nèi)管網(wǎng)在空間范圍內(nèi)是由管點(diǎn)和管線段組成[1-6]。

管點(diǎn)：包括管網(wǎng)特征點(diǎn)，如管網(wǎng)交點(diǎn)、管徑變化點(diǎn)和埋深變化點(diǎn)等實(shí)體，也稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。管點(diǎn)數(shù)據(jù)包括其空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，和描述該管點(diǎn)特征的一些屬性信息。點(diǎn)是一種不可以再次分割的空間實(shí)體，可以是具體的實(shí)體也可以是抽象的特征點(diǎn)，例如管網(wǎng)的特征點(diǎn)和管網(wǎng)的地物點(diǎn)等[7]。

管線段：管網(wǎng)中相鄰管點(diǎn)間的連線。管線段由其地理位置，即兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)和描述該管線段特性的屬性信息組成。它是用來(lái)表述所有要素中的線狀地物，一般有矩形管線段和圓形管線段兩種管線段類(lèi)型，它有一個(gè)描述其特性的編碼、空間坐標(biāo)及其相關(guān)屬性特征。

1.2 管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有其自身的特點(diǎn)。大型建筑室內(nèi)管網(wǎng)的組成十分復(fù)雜，其中每種管線都有3個(gè)構(gòu)成元素：管點(diǎn)、管線段及附屬設(shè)施。一般來(lái)講，大型建筑的室內(nèi)管網(wǎng)有樹(shù)狀、環(huán)狀或輻射狀3種分布方式，不同類(lèi)型的管網(wǎng)形成一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)之間的各個(gè)組件互相影響，共同發(fā)揮作用[8]。

在管網(wǎng)系統(tǒng)中，不同類(lèi)型的管線中需要存儲(chǔ)的基本屬性字段都大致相同，但是不同種類(lèi)的管線也有各自所特有的屬性。管網(wǎng)中實(shí)體的平面坐標(biāo)和管徑等是管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是三維管網(wǎng)建模與顯示的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，材質(zhì)、權(quán)屬部門(mén)、建設(shè)日期、實(shí)施單位、連接方式等是管網(wǎng)的屬性數(shù)據(jù)。管線段和管點(diǎn)數(shù)據(jù)利用“圖上點(diǎn)號(hào)”這種標(biāo)識(shí)符來(lái)相互連接。

當(dāng)所有管網(wǎng)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，每一類(lèi)管點(diǎn)、管線對(duì)應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)二維表，數(shù)據(jù)表中包含對(duì)應(yīng)的各種屬性數(shù)據(jù)。在每個(gè)二維表中設(shè)定主鍵，表與表之間通過(guò)這個(gè)唯一的主鍵進(jìn)行關(guān)聯(lián)，方便在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)各表進(jìn)行查詢(xún)和維護(hù)[9]。

2 管網(wǎng)三維建模實(shí)驗(yàn)

2.1 管網(wǎng)三維建模原則

管網(wǎng)三維模型是一種基于矢量的表面數(shù)值模型。由于管網(wǎng)三維建模中存在軟硬件環(huán)境、條件和實(shí)現(xiàn)手段等因素的制約，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的管網(wǎng)模型化，并提高其仿真度，所以需在管網(wǎng)三維建模過(guò)程中遵守如下3種原則。

2.1.1 真實(shí)合理原則

三維建模過(guò)程的實(shí)質(zhì)是模擬一個(gè)或多個(gè)對(duì)象的物理表象，包括其大小、形狀、結(jié)構(gòu)等，但是在建模過(guò)程中必須維持原本對(duì)象所具備的空間位置及拓?fù)潢P(guān)系，從而保持原有管網(wǎng)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)的真實(shí)合理性[10]。

2.1.2 簡(jiǎn)化模型原則

首先，管網(wǎng)的三維模型建立的主要目的是構(gòu)建一個(gè)完整的三維模型，而不是突出每根管線及管線連接處的細(xì)節(jié)；另外，三維管網(wǎng)建模過(guò)程中，根據(jù)管網(wǎng)的特征、構(gòu)造，應(yīng)用許多三角面片來(lái)恰當(dāng)模擬管網(wǎng)中的曲線、曲面，從而大大增加了模型中的多邊形。所以，適當(dāng)?shù)膶?duì)管線及其連接處進(jìn)行簡(jiǎn)化，將管網(wǎng)數(shù)字化記錄，或簡(jiǎn)化所建立多邊形的頂點(diǎn)及其特征，也能達(dá)到很好的視覺(jué)效果，建立完整逼真的地下管網(wǎng)。

2.0精確適度原則

管網(wǎng)在建立過(guò)程中需要應(yīng)用大量的精密數(shù)學(xué)模型來(lái)體現(xiàn)虛擬世界中的復(fù)雜的管網(wǎng)形態(tài)及特征。但是，如果過(guò)于精細(xì)的模型和管網(wǎng)會(huì)造成數(shù)據(jù)十分龐大，這將會(huì)給模型系統(tǒng)帶來(lái)很大的壓力。這就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，但是，在進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化的同時(shí)也要保障各個(gè)管線數(shù)據(jù)的精確程度。

2.2 管網(wǎng)三維建模的技術(shù)路線及主要內(nèi)容

2.2.1 技術(shù)路線

大型建筑室內(nèi)管網(wǎng)三維建模的技術(shù)路線主要分為管網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集和建筑物模型的構(gòu)建，其具體技術(shù)路線如圖所示。

2.2.2 主要內(nèi)容

（1）資料準(zhǔn)備。由于天津師范大學(xué)體育館室內(nèi)管網(wǎng)的E及其相關(guān)屬性資料保存非常完整，本實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用天津^范大學(xué)基建處提供的室內(nèi)CAD規(guī)劃圖作為參考，并通過(guò)實(shí)地測(cè)量勘察，從而獲得其實(shí)際的室內(nèi)房間布局及管線部署情況和管線數(shù)據(jù)。

（2）建立管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)閱讀大量的文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)資料，將天津師范大學(xué)體育館的管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并設(shè)計(jì)其管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，按其管線的類(lèi)別，建立管線段數(shù)據(jù)表和管點(diǎn)數(shù)據(jù)表，并把獲取的原始管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，從而建立管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣的存儲(chǔ)方式可以大大降低坐標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間。天津師范大學(xué)體育館管線數(shù)據(jù)庫(kù)如圖3所示。

（3）管網(wǎng)模型構(gòu)建。由于室內(nèi)管網(wǎng)主要包括管點(diǎn)和管線段，將天津師范大學(xué)體育館的三維管網(wǎng)模型的構(gòu)建分為以下幾部分。

①建立管點(diǎn)模型。管點(diǎn)的三維模型建設(shè)主要應(yīng)用3DMax軟件，其三維建模流程主要有如下幾個(gè)步驟：

建立三維模型結(jié)構(gòu)：利用3DMax軟件提供的幾何體以及修改工具建立管網(wǎng)模型的輪廓。紋理處理：根據(jù)各類(lèi)體育館的管網(wǎng)數(shù)碼照片，選擇合適的紋理圖像。在三維建模中，紋理的大小與模型文件的渲染速度和整個(gè)場(chǎng)景數(shù)據(jù)量的大小有很大的關(guān)系，因此在處理貼圖文件時(shí)，應(yīng)在不影響模型外觀的前提下減小紋理尺寸。貼紋理：為建立好的三維模型中的各個(gè)構(gòu)筑面貼上已經(jīng)處理好的建筑紋理。以消防給水管線中的管點(diǎn)為例（如圖4所示），從左到右分別為噴頭、截止閥、蝶閥。

②構(gòu)建管線段模型。首先確定管線地理位置，管線的地理位置分為絕對(duì)位置和相對(duì)位置。依據(jù)CAD規(guī)劃圖紙的俯視圖，確定體育館管線的絕對(duì)地理位置，即各個(gè)管線段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的坐標(biāo)值。其次依據(jù)規(guī)劃圖紙系統(tǒng)圖和LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確定每條管線空間參考位置，從而確定管線的相對(duì)地理位置，即管線相對(duì)于體育館內(nèi)其他目標(biāo)物的相對(duì)位置。如確定管線與體育館內(nèi)每一層吊頂之間的相對(duì)位置，從而確定體育館內(nèi)每一條管線的縱向走向及其每一層的高度。最后用3D Max軟件根據(jù)體育館管線的數(shù)碼照片進(jìn)行管線建模。

③室內(nèi)管線成果。經(jīng)過(guò)管點(diǎn)、管線模型的建立并將其整合后，得到天津師范大學(xué)體育館室內(nèi)管網(wǎng)的成果圖，如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型建筑物室內(nèi)管網(wǎng)的三維建模，可以對(duì)管網(wǎng)資源實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的管理，并且提升建筑內(nèi)部的運(yùn)行效率，降低故障造成的損失。三維管網(wǎng)的構(gòu)造需要根據(jù)管網(wǎng)自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)技術(shù)路線和模型構(gòu)建方案，最終實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景可視化。

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