地铁站管网三维辅助设计参数化建模

乔实　王淑嫱　刘思伦

摘要：通过分析参数化建模与三维辅助设计关系以及轨道交通车站综合管网特点，提出了综合管网三维信息模型构建方法，阐述了该方法相应的建模工具的选择与实现方法及其功能，设计了综合管网三维信息模型构建流程。并将该方法、工具与流程应用在宁波轨道交通车站综合管网设计中，实现了综合管网三维信息化模型构建，证明了所提方法的有效性。

关键词：轨道交通；综合管网；三维辅助设计；参数化建模

中图分类号：F49

文献标识码：A

文章编号：16723198（2014）02017703

1引言

目前我国轨道交通车站综合管网设计过程中大都面临设计周期短、任务重、多专业独立工作等问题，给车站管网综合设计带来极大难度，为了提高车站综合管网设计质量与效率，以虚拟仿真为特点的三维辅助设计越来越多地应用到优化设计中。通过可视化的三维辅助设计，可以对车站管网系统进行优化，从而实现缩短周期、减少任务量、多专业协同的目标。现阶段三维辅助设计主要是基于三维实体模型，即建立在实体模型基础上的虚拟仿真。通常制作三维实体模型或按需要修改三维实体模型都需要大量的时间，繁琐的建模工作使三维辅助设计的效率大打折扣。参数化建模技术可以很好地解决上述问题，所谓参数化建模就是将管线的尺寸、形状、空间位置、材质属性等以现三维信息公司研发的MicroStation等，深圳地铁3号线车站采用了Mircostation建模辅助地参数的形式来表示，通过调用管线的参数实铁车站综合管网设计，虽然取得了很好的效果，但由于该软件涵模型创建，从而显著地提高建模的效率。目前国内外有众多学者在从事参数化建模的研究，且取得了很多成果。目前比较常用的参数化建模软件有AutoDesk公司开发的Revit，Bentley盖整个建筑工程各个方面，成本较高，针对性不强，仅用于综合管网设计投入成本较大。本文主要研究面向轨道交通车站综合管网三维辅助设计的参数化建模技术，针对综合管网设计特点提出了车站综合管网的参数化模型的构建方法以及应用流程，并将此方法应用于宁波轨道交通车站综合管网设计中。

2地铁车站管网参数化建模

2.1参数化建模与三维辅助设计关系

参数化建模是三维辅助设计的基础，参数化建模为可视化辅助设计提供带属性信息的三维实体模型。三维信息模型才可以实现实时修改、二三维一体化联动、属性信息浏览与编辑等辅助设计功能，只有构建了参数化的管网三维模型才能真正实现地铁车站管网可视化的三维辅助设计。

2.2轨道交通车站综合管网特点分析

轨道交通车站综合管网参数化建模前，首先根据车站管网综合图纸，对管网特点进行分析。车站综合管网一般分为风、水、电三部分，即暖通空调专业、给排水专业、强弱电专业，各专业内又有大小排风系统、冷冻水管、冷凝水管、消防水管、给水管、污水管、动照桥架、通信桥架等管线，对于众多类型的管线，在建模时根据管线名称设定不同的ID，并按管线形状分为圆管与方管。把水管、排气管等归为圆管，桥架、通风系统等管线划分为方管。为确保模型真实性，在建模前重点研究设计说明与相关规范，充分考虑到管线保温层厚度、实际尺寸以及维修空间等参数。同时，管网综合图纸中管线属性信息大多以图形标注的形式来展示，并未赋予在管线轮廓线上，因此图形标注信息以及其他相关信息参数化需要依附在指定的载体上。

2.3轨道交通车站综合管网参数化建模方法

通过对轨道交通车站综合管网系统分析，将综合管网三维信息模型构建主要分为三部分来实现，第一部分创建数据仓库，第二部分二维CAD图纸参数化处理与入库，第三部分为数据库信息转化为三维信息模型（见图1）。

（1）数据仓库能储存大量的管网属性信息与位置信息，是对管网数字化信息储存与管理的重要工具，是实现二维图形向三维模型转换的重要组成部分。

（2）基于AutoCAD平台的二次开发，将数据库与AutoCAD平台关联，在管网综合图上绘制管线中心线，将图形信息以参数化的形式赋予中心线上，并将中心线上所有属性信息全部转入数据库中储存和管理。

（3）基于ArcGIS平台与OpenGL建模技术结合，通过调用数据库信息，以参数驱动集成图形模块实现三维信息模型生成。

3轨道交通车站综合管网参数化建模工具

3.1数据库构建

轨道交通车站综合管网参数化建模选用PostgreSQL数据库管理系统作为储存参数化信息的数据库系统。PostgreSQL是面向目标的关系数据库系统，具有传统商业数据库系统的所有功能，同时又具有下一代数据库系统的使用增强功能，为数据存储与调用提供了坚实的基础。

根据轨道交通车站综合管网特点，对数据库表进行设计。其中包括设备中心线要素表、管线材质库表、地铁线路表、地铁车站表、站内分层表、车站轴线表、支吊架表、管线弯头表、管线中心线要素表、管线碰撞记录表，通过数据录入插件，将获取的参数化信息录入到对应的表格中储存与管理。

3.2数据录入插件

数据录入插件是参数化建模中重要组成部分，是关联AutoCAD与prostgreSQL，实现图形数据向参数化数据转换的重要工具。该插件以VS2008软件对AutoCAD二次开发，插件功能如下：（1）赋予载体属性信息。管线信息以中心线为载体，点击中心线可弹出属性录入框，可将CAD图纸中地铁车站管线的长、宽、直径、高程、材质以及维修空间等信息赋予在中心线上（见图2）。

（2）生成带属性的弯头中心线。管线弯头部分，通过点击弯头相关联的直管中心线，弹出对话框来选择弯头的连接方式如变弯、变径和变高，从而自动生成带有关联属性的弯头中心线（见图3）。

（3）提取属性信息。将CAD图纸中赋予中心线的属性信息与线段原始的信息如X、Y坐标、长度等进行提取，通过与数据库关联将提取的全部信息储存在数据库对应的表格中（见图4）。

3.3模型生成模块

三维信息模型的自动生成是基于ARCGIS平台二次开发来实现的。ARCGIS平台二次开发是将ARCGIS平台中三维分析模块与OpenGL建模的集成。根据地铁车站管网特点，ARCGIS平台中三维分析模块用于标准直管的参数化模型构建，OpenGL建模用于弯头连接部分的参数化模型构建。

（1）ARCGIS三维分析模块。通过读取数据库中标准直管的属性信息，通过参数约束驱动模块从而实现标准直管的三维信息模型的生成，方管以底边中心线位置、宽和高等参数，将一个矩形框按长度参数界定的范围形成方管模型，圆管以轴线点位为圆心，将一个圆圈按长度参数界定的范围形成圆管模型。

（2）OpenGL建模。通过在OpenGL建模中创建矢量变弯、变径、变高的弯头参数化模型。将弯头参数化模型嵌入ARCGIS平台中，同时通过ARCGIS的SDK模块的软件程序编写，读取数据库中弯头的属性信息，生成相应的弯头模型（见图5）。

通过数据库中弯头表格中中心线的关联信息，将生成的弯头模型与将方管、圆管模型合成，从而构成完整的管网参数化模型。

4轨道交通车站综合管网参数化建模流程设计

通过对轨道交通车站综合管网图纸特点分析，为实现车站管网三维信息模型构建设计了相应的应用流程。

（1）参数分析。参数分析包括车站管线类别、管线保温层、管线最大外径、管线维修空间等参数，通过对图纸说明与规范的分析，制作材质属性表（见图6），并录入数据库中，当录入图纸信息时可以将公称值换算成实际值。更能反映现场管网状况，提高图纸的精确度。

（2）图纸标准化。在收集地铁车站管网图纸前，由于各设计人员习惯不同，车站管网图纸颜色各异，图层名各不相同，因此制定一份制图规范，统一制图格式和标准，既能加强对图纸管理工作，又能为录入数据时提供标准图纸便于识别与录入。

（3）管网二维图形的参数化处理。在CAD图中创建对应图层，绘制对应管网中心线，其中绘制管网中心线分为两个部分，一是标准直线段管网中心线绘制，绘制该段管线的中心线，将管线的属性信息包括长、宽（直径）、高程、材质等填入对应的属性框中，二是弯头部分中心线绘制，点击弯头两端的管线中心线，会弹出对话框，根据实际图纸情况选择对应的变高、变径、变弯选项，自动生成弯头中心线。

（4）参数化信息导入数据库。对绘制好的中心线的地铁车站管网综合图纸按建筑层（站厅层、站台层、站台板下层）分别导入到数据库中。

（5）三维信息模型生成。通过读取关联数据库中的管线属性信息和弯头属性信息，自动生成管网三维信息模型。

5实例研究

该参数化建模方法已成功应用在对宁波轨道交通1号线19个车站以及2号线部分车站管网三维信息模型构建中。以下介绍福明路站构建管网三维信息模型流程（见图7）。

（1）统一制图规范。在建模前，与参与设计院设计人员协商，制定了一份共同认可的制图规定，统一了管网综合图纸的各管线颜色与名称、管线所在的图层名称等（见图8）。

（2）属性信息输入。将福明路站综合管线按不同专业管线进行分类，分别在各个专业图上绘制中心线，使用数据录入插件数据录入功能，将管线属性信息输入到属性录入框中。

（3）信息入库。将完成属性录入的图纸整合在一起，使用数据录入插件导入功能，将车站所有管线的信息储存在数据库中。

（4）综合管网模型生成。模型生成模块通过读取数据库中管线的信息，生成了福明路站综合管网模型（见图9），在属性框中每根管线都有对应的名称、ID、长、宽、高、高程、空间位置、材质、实际尺寸、保温层、维修空间等参数信息，在三维环境中可任意管线的参数信息进行浏览与编辑，同时编辑内容保存在数据库中。

6结论

本文针对轨道交通车站综合管网特点提出了综合管网三维信息模型构建方法，研发了基于AutoCAD平台的属性录入插件以及三维GIS技术与OpenGL建模技术相结合的三维模型生成模块，实现了车站各专业管线的参数化建模。该模型在设计阶段为设计人员提供了一个可修改的三维信息实体模型辅助设计，同时在施工阶段直观反映图纸信息为施工人员提供三维施工指导，并且在运行维护阶段还可以为管理者提供管线设备检修、三维资产管理等，在整个轨道交通车站建设中都能发挥其作用，具有重要的现实意义。

参考文献

[1]王淑嫱，王乾坤.地铁车站三维辅助建设与管理系统的构建[J].武汉理工大学学报，2012，34（3）：289292.

[2]王乾坤，王淑嫱.地铁工程施工安全监控管理信息系统的构建[J].武汉理工大学学报，2009，31（23）：7276.

[3]梅小宁，杨树兴.基于UG二次开发的参数化建模方法在优化设计中的应用[J].科技导报，2010，28（3）：2932.

[4]李军.三维GIS空间数据模型及可视化技术研究[D].国防科技大学，2000.

[5]陈靖芯，徐晶.基于CATIA的三维参数化建模方法及其应用[J].机械设计，2003，20（8）：4850.

[6]孙伟，马辉.面向机械产品可视化设计的参数化建模[J].东北大学学报，2009，30（11）：16321635.

[7]万华根.基于虚拟现实技术的CAD方法研究[D].浙江大学，1999.

[8]曾旭东，谭洁.基于参数化智能技术的建筑信息模型[J].重庆大学学报，2006，29（6）：107110.