基于BIM协同的地下管网三维建模方法研究

邓 梁, 刘新华

(1.河北雄安轨道快线有限责任公司，河北 保定 071700；2.石家庄铁道大学交通运输学院，河北 石家庄 050043)

城市地下管线种类繁多、空间布局复杂，传统二维管线平面图无法对地下管网的综合信息进行直观的空间描述和信息表达，难以在城市轨道线路规划设计时发现潜在的冲突，严重影响城市轨道交通线路规划的效率和质量，地下管网的三维可视化成为解决上述问题的有效途径。目前针对管线三维建模方法主要有利用3D GIS软件及SDK二次开发、采用OpenGL或OSG三维图形库底层开发和建模软件直接建模方法。在利用3D GIS平台方面，张鲁刚[1]、申海鹏[2]、魏世磊[3]、王卫东[4]采用Skyline平台，研究了管线的三维建模方法，实现了地下管线信息的自动化建模。魏忠勇[5]、王台武[6]、王秀超[7]采用ArcGIS平台，实现了管线的三维建模。在底层开发方面，陈林[8]使用WebGL开源框架Three.js从后台获取到的二维管线矢量数据进行批量建模；刘瑶[9]采用3Dmax及二次开发，实现了地下管线三维数据模型的构建；蔡振锋[10]采用OpenGL实现了地下管线三维缓冲分析。在利用BIM地下管线建模方面，陈军[11]、李慧莉[12]采用Revit软件实现了地下管道的三维建模；冯伟民[13]探讨了地下管网BIM一体化处理平台研发与应用，旨在促进BIM应用及地下管网规划管理智慧化。

既有管线三维建模研究，主要单纯从管线自身角度去实现，但城市地下管线建模不应脱离城市道路、建筑等既有城市环境，既有建模方法无法有效计算管线拆迁和改移量，无法满足城市轨道交通线路规划和设计要求。本文采用InfraWorks和Civil 3D BIM平台，并利用BIM二次开发技术和数据库技术，研究BIM协同的地下管网三维快速建模方法，实现BIM平台协同的地下管网三维快速建模，以三维实体管线模型真实反映城市三维场景下的地下管网的空间分布状态，为城市轨道交通线路规划设计的管线拆迁和改移创建可靠的三维地下管网模型。

1 地下管线特征分析与数据结构

1.1 地下管线特征分析

多种类型的管线组成了地下管网，管线的空间结构和分布状态是建立地下管网模型的基础，管线由定位位置的空间几何特征和描述信息的属性特征组成。三维空间坐标信息和属性信息构成一个管点，两个管点构成一个管线段，多个管线段相连组成一条完整的管线，如图1所示。

图1 管线段描述状态

管线的组成结构如下：

(1)

式中 ：Li为第i条管线，唯一识别的ID为IDj；Pij为第i条管线的第j个管点，其空间坐标为(xj，yj，zj)；Gi为第i条管线的几何信息，如管径、长度；Ai为第i条管线的属性信息，如类型、材质、颜色、建设年代等；N为第i条管线的管点总数；Cij为第i条管线的第j个管点的特征信息，如三通、四通、中间点、检查井起点、中间点、终点等，管点的编码如表1所示。

表1 管点编码

1.2 地下管网数据库建立

为有效管理管线数据和自动建模需要，管线的三维坐标信息以记录的形式存储在数据库中，定义的管线、管点数据数据结构如表2和表3所示。

表2 管线数据结构

表3 管点数据结构

管线和管点数据如图2和图3所示。

图2 管线数据

图3 管点数据

2 海量地下管网快速建模方法

2.1 Civil 3D管网建模技术

城市地下管网种类繁多、数量大，采用建模软件，单纯依靠手工建模方式不仅工作量大、效率低且容易出错。Civil 3D具有强大的管网建模功能，支持多种管线类型和LandXML、SDF等多种数据输出格式。因此，基于已有的地下管线数据，采用Civil 3D提供的API，利用C#编程语言对Civil 3D进行二次开发，读取管线建模数据，实现地下管网的自动建模，能够有效提高建模效率。Civil 3D提供了COM和.NET两种主要API，从开发难度和效率上比较，.NET API更适合地下管网建模的二次开发。因此，本文采用.NET API进行二次开发，实现管网的自动建模。采用的Civil 3D 版本为2018，.NET平台选择对应的Visual Studio 2015。为提高程序加载效率，通过修改注册表并添加相应的键值方法，实现自动载入建模程序。

2.2 三维管网自动建模

地下管网建模需要利用地形和道路数据，因此将在InfraWorks中创建的城市三维地形导出为.IMX格式的地形曲面并载入Civil 3D中。加载完成的地形中包含道路名称等信息，可以更好地展现地下管线和道路之间的相互空间关系，验证管线位置是否正确。管网自动建模是通过Civil 3D二次开发技术，读取数据库中管网数据，自动绘制管线和管点，生成地下管网的二维平面图。采用不同颜色区分不同类型管线，管线分类和管线符号颜色取值如表4所示。

表4 管线分类和管线符号颜色取值

建模实现过程包括数据读取、管线样式设置、结构样式设置、创建零件列表添加管线和结构动态属性等内容，建模流程如图4所示。

图4 Civil 3D管网建模流程

采用Civil 3D API二次开发技术，实现自动加载海量地下管网数据，批量生成管线和管点模型，实现基于地下管网数据的自动建模，建模效果如图5所示。

3 InfraWorks与Civil 3D的三维地形与地上场景建模

建立三维地形和地上城市场景能够更直观的展示地下管线空间分布，因此，本文结合InfraWorks与Civil 3D的各自优势，实现三维地形和城市场景的三维建模。

3.1 InfraWorks与Civil 3D三维地形建模

InfraWorks与Civil 3D协同进行地形建模的优势在于，使用测量数据创建的地形比模型生成器和网站下载的地形更接近真实地形，而且Civil 3D可以对创建的地形进行分析处理，使地形更加规范。因此，本文利用Civil 3D和InfraWorks集成完成地形三维建模，采用数模点文件方式进行地形的三维建模。首先在Civil 3D中生成点，然后再通过添加点编组的方式创建地形；然后采用Civil 3D的Raster Tools插件为创建完成的地形匹配地形影像，Raster Tools主要用来导入影像和调整影像坐标。插入影像并匹配后如图6所示。

图5 地下管网自动生成 图6 Civil 三维地形匹配影像

对影像使用Raster Tools生成定位文件即实现对影像的坐标设定。匹配影像完成的地形选择导出为.IMX格式，这种格式能够在Civil 3D和InfraWorks之间进行数据无损传递。在InfraWorks中加载地形及影像，如图7所示。

图7 InfraWorks地形创建 图8 城市三维场景模型

3.2 城市地上场景三维建模

InfraWorks作为土木基础设施概念设计软件，具备创建基础模型、方案设计及分析、漫游浏览及展示等功能。InfraWorks能够在建筑和自然环境的真实世界环境中快速创建大范围城市建筑模型、道路模型，并对设计概念进行建模、分析和可视化，建立的城市三维场景模型如图8所示。

4 地下管网三维建模实现

4.1 地下管网三维场景构建流程

由于Civil 3D生成的地下管网虽然具有三维坐标，但不能有效展示管线三维真实模型。因此，将Civil 3D管网模型以空间数据格式 (SDF) 导出并载入InfraWorks 3DGIS平台。SDF文件的维度为“三维文件”，可导出自动生成的所有管线。 Civil 3D管网建模时使用的是InfraWorks导出地形，因此，Civil 3D管网能够在InfraWorks中自动定位。结合InfraWorks中城市地上场景，能够构建完整准确的三维地下管网模型，实现管网三维模型展示，构建流程如图9所示。

图9 地下管网三维场景构建流程

4.2 InfraWorks 管网三维建模实现

InfraWorks作为BIM 3DGIS平台，在InfraWorks中载入管网数据时，能够自动识别已在Civil 3D中设置完成的管线及结构类型。若InfraWorks中存在与之相应的零件样式，则会在创建时直接选取该样式；若无匹配的管道接头零件，则选择数据源中的SDF格式。进行数据源配置时，需在类型中选择管线，设置主要参数如表5所示。

表5 SDF格式数据源参数设置

InfraWorks中最终建立的三维管网效果如图10和图11所示。

图10 地下管网三维模型(地表透明模式) 图11 地下管网三维可视化模型(地下模式)

5 结论

基于地下管网复杂且隐蔽的特性，传统的二维平面图难以直观、准确地展示其空间位置关系及三维特征，严重影响线路规划工作的效率和质量。本文利用Civil 3D和InfraWorks BIM平台的各自优点，实现了基于BIM协同的城市地下管网三维可视化快速建模。基于InfraWorks三维地形的IMX数据接口，采用Civil 3D二次开发技术和数据库技术，实现了在Civil 3D平台中的InfraWorks地形无损集成和海量地下管网数据的自动化三维建模。采用空间三维数据格式SDF，实现了Civil 3D地下管网模型在InfraWorks平台中的无损集成，建立了基于BIM的直观三维地下管网三维模型，解决了地下管网三维快速建模和可视化问题，实现了三维空间立体直观的展现各种管线的空间布局和位置，解决了传统二维管线空间关系不明晰、显示效果不直观、建模效率低、与地上三维模型不能衔接一致等问题，为合理的进行城市轨道交通线路规划设计和施工的管线拆迁及改移提供了有效的技术支撑。