三維仿真技術在軌道交通地下管線遷移設計的應用

張苗亞，吳敦

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315042)

1 引言

城市的軌道交通工程是施工周期長、投資規模大、影響廣泛的綜合性項目。由于軌道線路一般都是沿街道進行工程鋪設，而且經過的地區都是在人流密集的城市區域，而現行的城市的“生命線”，包括電力管線、排水管線以及電信和燃氣等管線均密集分布在此街道區域。軌道交通地下站施工期間對開挖范圍內的地下市政管線必會造成重大影響，所以需要尋找一種可行的技術手段來輔助地下管線遷移設計，保障軌道交通工程的順利施工。

寧波市軌道交通2號線一期工程柳汀街站地處市中心繁華地段，工程周邊建筑密集，地形比較平坦，地下管線種類繁多、走向錯綜復雜，遷移設計比較復雜，僅僅采用二維管線遷移設計，方案需多次修改調整，因此工作量較大。若通過三維仿真技術對站點管線遷移設計方案及周邊環境進行三維模擬，可以更直觀、準確進行方案調整，高效率優化方案設計。因此對地下管線三維模型的可視化和空間分析的研究具有十分重要的現實意義。

2 技術路線與工作內容

借助地理信息技術(GIS)和三維仿真技術，以航空影像、DEM數據和三維城市建筑模型為基礎，可以構建軌道交通地下車站與地下管線之間的立體空間關系，由此可以圍繞全方位地上地下空間三維信息，對各站點地下管線遷移方案進行三維模擬，輔助軌道交通地下管線遷移設計。

主要的工作內容有:

(1)管線三維建模:管線建模范圍為軌道交通2號線一期工程柳汀街站，主要以設計院提供的設計圖為制作依據。管線類型主要分為排水、給水、燃氣、電力、電信和熱力等。建模內容包括圍繞地下車站建設進行的各類改線、保留和廢除管線模型;地下管線相關的建(構)筑物特征點及附屬物點模型。

(2)建筑三維建模:站點周邊100 m內城市建筑、車站主體等建筑設施。

(3)地形三維建模:以車站為中心且覆蓋整體三維模型的制作范圍。三維地形模型主要反映城市道路、橋梁、河流等地形要素的分布情況及地勢復雜程序。地下管線模型可通過與原始地面道路模型比較，分析管線遷移設計方案可行性。

(4)三維仿真平臺搭建:整合各類三維模型數據，以平臺為載體，輔助設計。

3 建設實施

3.1 資料利用

(1)二維管線遷移設計圖

管線遷移設計方案圖內容包括:車站范圍內的各種改線、保留和廢除管線的分布情況及相關屬性數據;已建井、電桿和新建井、電桿的分布情況及屬性數據;一期車站主體實施范圍。管線圖為1∶500比例尺。

(2)數字正射影像圖和數字高程模型

利用地面分辨率為0.05 m的真正射影像及高程格網間距為2.5 m的數字高程模型生成三維地形模型，用以反映軌道交通建設站點區域地上空間的地形分布情況。

(3)基礎地形圖

市區1∶500比例尺的數字地形圖數據作為建設站點周邊的地上現狀建筑三維模型制作的基礎資料。

3.2 數據建設

(1)數據命名規范

Shpfile格式的地下管線成果數據由入庫程序自動生成三維模型，Shpfile表字段名稱必須符合程序規范要求。

Shpfile點表字段命名規則 表1

Shpfile線表字段命名規則 表2

(2)地下管線模型制作

地下管線模型是三維仿真平臺建設的核心內容，主要包括遷移、保留、廢除管線和管點模型。管線模型制作流程如下:

①用管線系統軟件和ArcGIS軟件對設計院提供的管線圖進行標準化;

②通過管線自動化入庫程序將二維管線設計數據轉化為三維地下管線模型，模型包括三維管線模型、搜索數據和管線數據庫三類成果數據;

圖1 管點管線數據發布流程圖

地下管線模型制作必須考慮設計圖中各大類管線數據標高規定，并結合自動化程序標高原則進行適當計算，以保證管線模型高度的精確性。

(3)三維建筑模型制作

模型制作是根據基礎地形圖和高程測量數據在3ds Max場景中創建三維建筑模型，并通過表面影像測量采集制作貼圖材質，賦于建筑模型各個側面。

(4)三維地形模型制作

地形模型是通過平臺地形入庫工具進行模型制作，制作完成后的地形數據不改變原有的數據精度。

(5)管線模型數據更新

根據管線遷移設計方案的審查意見，在原有的管線模型數據基礎進行持續更新修改，隨時為設計院或施工方提供最新的三維設計方案。

模型主要更新內容為:更新管線設計調整范圍內的三維模型，并同步更新相關屬性信息。

更新方法是首先確定設計更新范圍，然后按照更新范圍修改shpfile數據，最后利用自動化入庫程序生成新的三維管線模型。

(6)成果主要指標和規格

①圓管管線模型繞周長面數要求不小于10個面數。

②管線材質是通過標準色值顯示或管線材質匹配兩種方式來實現，在平臺中根據需要進行轉換顯示。其中標準色值顯示方式是采用標準RGB色值來表現渲染效果，并且色值均按照設計圖中同類二維地下管線色值進行設置。

3.3 平臺建設

由地理信息技術(GIS)和3D虛擬現實技術結合的三維仿真應用平臺，主要集成了三維地下管線模型、地形模型和三維建筑模型，模型數據是通過平臺固定的數據組織方式、壓縮方式進行整合，以實現對軌道交通車站地下管線遷移方案的空間分布展現。

關鍵性技術如下:

(1)管線自動生成技術

平臺提供了與Oracle、SQL大型數據庫的接口，通過綁定shpfile文件字段中X、Y坐標及高程值自動生成三維管線模型，并且實現各類管線的屬性數據查詢及顯示。

(2)海量數據集成技術

在平臺搭建與數據集成的基礎上，通過有效的技術手段實現多類型數據的無縫集成，并實現三維海量數據的瀏覽、更新、查詢、統計等管理功能。

圖2 柳汀街站地下管線遷移設計方案鳥瞰圖

3.4 輔助設計與應用

集成了各類三維模型數據的三維仿真平臺，可應用于車站地下管線遷移設計方案審查，通過三維模擬方式全方面瀏覽分析方案的可行性，為軌道交通管線遷移方案優化提供更直接、可靠的依據。

(1)三維瀏覽顯示

通過平臺定制的三維瀏覽工具實現地上地下整體空間的三維瀏覽，可對三維地下管線進行任意的角度觀察，查看管線遷移設計是否合理性。

(2)遷移方案對比

通過設置配置文件顯示圖層內容，可對平臺中管線模型進行雙屏瀏覽對比。圖3為柳汀街站地下管線遷移前現狀管布局與遷移設計后管線布局。

圖3 柳汀街站地下排水管線遷移前后布局對比

(3)空間量算

通過量測工具設計人員可以測量空間任意兩點間的距離。

(4)地下管線分析

通過管線分析工具可以讓設計人員更準確的查看各管線的相對位置，為優化方案設計提供可靠依據。如水平凈距分析、垂直凈距分析、緩沖分析、橫斷面分析等。

(5)管線屬性查詢、統計

設計人員通過屬性查詢工具可查詢任意的管線屬性信息。也可利用統計工具對管線的點性質、管徑、材質、埋深等屬性進行分段統計或者分類匯總。

(6)創建管道

設計人員在查看方案時對需修改的管線可通過管道創建工具進行條件創建，用以作為二維設計圖更改時的參考依據。

4 結語

地下管線遷移設計是軌道交通建設順利開工的前期工作之一，基于軌道交通管線遷移的特點，通過三維仿真技術在設計人員進行方案設計時同步建設三維模型數據，利用數據集成后的地下管線仿真平臺進行更直觀的全方位方案審核，輔助設計人員進行方案調整，有助于提高管線遷移設計的效率，保障軌道交通站點施工的順利實施。

通過對柳汀街站三維地下管線輔助設計項目的實踐，若要建設一個為城市建設、規劃部門、專業管線單位提供穩定、成熟、高效、可擴展并可持續開發應用的城市地下管線三維空間虛擬現實仿真信息平臺，還需在數據建設和軟件應用開發方面進行進一步深入研究，比如結合地質開挖施工輔助地下管線設計、三維管線模型表現更精細化、管線地面附屬設備模型批量生成等等。

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