SketchUp軟件支持下的地下管網三維建模與設計

楊春宇，紀銀曉，胡啟亞，張帆宇揚

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

地下管線在城市基礎設施中擔任重要角色[1]，是城市基礎設施的重要組成部分之一。在城市規劃、設計、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，一方面要求查明現有管線，對現有的所有種類的地下管線進行統一的普查，以統一標準建立全國各種類的地下管線數據庫，為我國綜合地下管廊設計、規劃、建設各個階段，及時提供各類地下管線準確、完善的基礎信息；另一方面要求在設計管線時應考慮多方面因素，力求設計出科學、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。最后，依據城市規劃建設管理要求[3]進行地下管線普查，完成管線數據的探測，管線圖編繪，管線數據建庫、三維管網管理系統建設工作，實現城市地上地下空間的合理、科學的開發，提高城市使用效率，實現城市現代化，提高城市運行職能。

目前，三維建模技術應用廣泛，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鍵技術，提出了該技術應用于地下管線普查工作的新思路；關麗等[5]研究了三維建模技術在建設數字城市過程中的具體技術途徑及方式；邱春霞等[6]提出了紋理缺失、圖像扭曲、數據篩選，以及PhotoScan軟件參數設置及操作順序等方面的三維建模優化技術；陳卓等[7]提出了一種基于機載LiDAR數據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。本文在現有研究成果的基礎上，基于SketchUp軟件，以及地下管線的現狀，結合研究區供暖管道設計項目，探究數據庫及三維建模在地下管線設計中的作用，并根據燃氣管道設計規范，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，以選擇最佳的設計方案，對數據庫建立、地下管網的三維建模和管線設計提供借鑒。

1 數據采集與數據庫的建立

研究區位于北京市通州區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地形圖及地下管網的分布情況，設計出一條科學的熱力管線。該項目采用坐標應符合北京市工程測量技術規范，因此平面坐標系統采用北京地方坐標系，高程系統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，因此在對測區進行測量前，需要先求出WGS-84坐標轉到北京地方坐標系的轉換參數。

1.1 數據采集

在數據采集前，先進行現有數據的搜集，主要搜集以前建筑竣工地形圖及測區控制點和成果資料。然后現場踏勘，對研究區周圍情況進行調查，主要查看測區地物、地貌、交通情況、地理條件及可能干擾測量的因素。最后向物業人員咨詢地下管線建設的大致情況。

數據采集時，采用GNSS網絡RTK技術，實測已知點位的WGS-84坐標，得到覆蓋測區的坐標轉換模型(本工程共選取4個已知控制點)，模型建好后，求出轉換參數，利用GPS接收機對已知點進行測量。實測結果與已知數據進行比較，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。通過已知轉換參數將WGS-84坐標轉換為北京地方坐標，應用網絡RTK進行地形圖野外數據采集，并現場繪制草圖。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。

外業測量結束后，將兩組測量數據整合在一起，檢查測量數據的完整性，然后根據外業草圖和觀測數據應用CASS進行內業編輯成圖。外業人員根據地形圖到實地進行探測，利用地下管線檢查井位置結合雷迪探測儀現場探查地下管線數據及位置，并在地形圖上進行標注。

在外業管線探測結束后，應用CASS在以前繪制的地形圖上繪制地下管線，并標注管線信息。標注信息應該簡明，放置在管線合適位置上，利于設計人員識別和查看。同時地下管線圖分層及顏色應該符合《城市地下管線探測規程》，地下管線圖分層及顏色應符合規范，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、數字注記應標記清楚，不能出現壓蓋管線及其附屬設施的現象。地下管線圖注記[9]應按規范執行,管線上文字、數字注記應平行于管線走向，標記文字的字頭應垂直于管線走向、方向向上。

1.2 數據庫建立

利用ArcCatalog[10]創建研究區地理數據庫(Geodatabase)，將CASS中的測量成果圖(如圖1所示)中的不同要素轉成不同種類的SHP文件，導入數據庫(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，可以很方便地選擇打開或關閉圖層，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 建立地下管網三維模型

地下管線三維建模[11]有助于提高管線設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、動態化地展示紛繁復雜的地下管線數據。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，再結合SketchUp軟件對地下管線進行準確的建模。

圖2 數據庫

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庫，能夠對許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，使設計人員置身于實地一般。在SketchUp中建立模型并上材質后的效果如圖4所示。

圖4 SketchUp成果圖

在對模型賦予材質[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，既實現了將所建的三維模型數據和之前建立的管線數據保存在同一個數據庫中，方便以后的調用，也可以在ArcSence中加載建模前的管線二維數據，與建立的管線三維模型相對比，驗證管線的建模精度。

3 管線設計

3.1 燃氣管線設計方案

依據燃氣管道設計規范，再結合項目實際情況，其中包括研究區地理位置、院內建筑分布、管線走向、供暖要求等因素，最終設計了3個管線設計方案。

方案1是設計一條露天燃氣管道與深埋燃氣管道相結合的方案，即在研究區門口河流南側，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 管線設計方案1

方案2是將燃氣管道經由研究區東側和北側的綠地來供暖，管線布設在綠地下方，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，先埋設于綠地下方，再沿著河流鋪設，最終沿著研究區中間鋪設以供暖，如圖7所示。

圖6 管線設計方案2

圖7 管線設計方案3

3.2 燃氣管線方案分析

在設計燃氣管道[14]時不僅要符合《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028—95)規范要求，而且還要考慮經濟、便利等因素，為此本文針對3種設計方案，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勢；而施工難度則對應著在實施燃氣管道設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。一般露天管道架設比深埋鋪設在造價上具有優勢，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、居民出行產生影響。由于方案2管道都鋪設在綠地下方，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勢。3種方案具體分析見表3。

經過對比分析，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。但是由于露天燃氣管道安全隱患較大，在經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院外及院內道路，尤其是院內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勢，同時在開挖后不會為研究區周邊道路帶來巨大的影響。

4 結 語

本文基于地下管線的現狀，結合研究區供暖管道設計項目，探究數據庫及三維建模在地下管線設計中的作用，并根據燃氣管道設計規范，在安全的前提下，設計了3種供暖管線設計方案。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的交通影響較小，在竣工結束后也不會對研究區路面造成損傷，不影響道路美觀，為供暖管線設計施工提供了參考。

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