大型建筑物三維室內管網模型設計

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管網模型設計已經成為必然趨勢。文章以天津師范大學為實驗區，根據室內管網的數據模型、數據標準等方面，研究其地理信息系統的建模部分，探究建立何種規格的三維模型能夠滿足大型建筑室內管網地理信息系統的要求，從而實現三維場景可視化。

關鍵詞：三維建模；室內管網；GIS

隨著城市發展的飛快進程，我國的工程建筑規模呈現“大而高綜合”的發展趨勢，大型建筑的功能也隨之增加。室內管網作為大型建筑重要設施之一，其數量和種類也隨著建筑的功能而增加，一旦大型建筑室內管網發生故障，僅僅根據傳統的管線圖紙檔案，很難準確地從錯綜復雜的管網中找到“病源”。顯然傳統的圖紙資料已經不能滿足當代大型建筑室內管線的維護和更新需求，于是大型建筑室內管網的信息化和管網室內模型的構建成為迫切需要解決的課題。

1 管網的基礎理論

1.1 管網數據模型

處理不同類型的管網數據都是根據特定的數據模型。管網按照特征可分為管點和管線段。管點包括管網中的實體和管網交點、管徑變化點和埋深變化點等特征點，管線段是管點間的連接線段。大型建筑物室內管網在空間范圍內是由管點和管線段組成[1-6]。

管點：包括管網特征點，如管網交點、管徑變化點和埋深變化點等實體，也稱為節點。管點數據包括其空間坐標的數據，和描述該管點特征的一些屬性信息。點是一種不可以再次分割的空間實體，可以是具體的實體也可以是抽象的特征點，例如管網的特征點和管網的地物點等[7]。

管線段：管網中相鄰管點間的連線。管線段由其地理位置，即兩個端點的坐標和描述該管線段特性的屬性信息組成。它是用來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型，它有一個描述其特性的編碼、空間坐標及其相關屬性特征。

1.2 管網數據結構標準

管網數據結構有其自身的特點。大型建筑室內管網的組成十分復雜，其中每種管線都有3個構成元素：管點、管線段及附屬設施。一般來講，大型建筑的室內管網有樹狀、環狀或輻射狀3種分布方式，不同類型的管網形成一個系統，系統之間的各個組件互相影響，共同發揮作用[8]。

在管網系統中，不同類型的管線中需要存儲的基本屬性字段都大致相同，但是不同種類的管線也有各自所特有的屬性。管網中實體的平面坐標和管徑等是管網的空間數據，這些數據是三維管網建模與顯示的基礎數據，材質、權屬部門、建設日期、實施單位、連接方式等是管網的屬性數據。管線段和管點數據利用“圖上點號”這種標識符來相互連接。

當所有管網數據存入數據庫時，每一類管點、管線對應創建一個二維表，數據表中包含對應的各種屬性數據。在每個二維表中設定主鍵，表與表之間通過這個唯一的主鍵進行關聯，方便在數據庫中對各表進行查詢和維護[9]。

2 管網三維建模實驗

2.1 管網三維建模原則

管網三維模型是一種基于矢量的表面數值模型。由于管網三維建模中存在軟硬件環境、條件和實現手段等因素的制約，為實現現實環境中的管網模型化，并提高其仿真度，所以需在管網三維建模過程中遵守如下3種原則。

2.1.1 真實合理原則

三維建模過程的實質是模擬一個或多個對象的物理表象，包括其大小、形狀、結構等，但是在建模過程中必須維持原本對象所具備的空間位置及拓撲關系，從而保持原有管網數據及結構的真實合理性[10]。

2.1.2 簡化模型原則

首先，管網的三維模型建立的主要目的是構建一個完整的三維模型，而不是突出每根管線及管線連接處的細節；另外，三維管網建模過程中，根據管網的特征、構造，應用許多三角面片來恰當模擬管網中的曲線、曲面，從而大大增加了模型中的多邊形。所以，適當的對管線及其連接處進行簡化，將管網數字化記錄，或簡化所建立多邊形的頂點及其特征，也能達到很好的視覺效果，建立完整逼真的地下管網。

2.0精確適度原則

管網在建立過程中需要應用大量的精密數學模型來體現虛擬世界中的復雜的管網形態及特征。但是，如果過于精細的模型和管網會造成數據十分龐大，這將會給模型系統帶來很大的壓力。這就需要對數據進行相應的簡化，但是，在進行數據簡化的同時也要保障各個管線數據的精確程度。

2.2 管網三維建模的技術路線及主要內容

2.2.1 技術路線

大型建筑室內管網三維建模的技術路線主要分為管網數據的采集和建筑物模型的構建，其具體技術路線如圖所示。

2.2.2 主要內容

（1）資料準備。由于天津師范大學體育館室內管網的E及其相關屬性資料保存非常完整，本實驗主要應用天津^范大學基建處提供的室內CAD規劃圖作為參考，并通過實地測量勘察，從而獲得其實際的室內房間布局及管線部署情況和管線數據。

（2）建立管網數據庫。通過閱讀大量的文獻和數據資料，將天津師范大學體育館的管網數據進行整合，并設計其管網數據庫結構，按其管線的類別，建立管線段數據表和管點數據表，并把獲取的原始管網數據導入對應的數據表中，從而建立管網數據庫，這樣的存儲方式可以大大降低坐標數據的獲取時間。天津師范大學體育館管線數據庫如圖3所示。

（3）管網模型構建。由于室內管網主要包括管點和管線段，將天津師范大學體育館的三維管網模型的構建分為以下幾部分。

①建立管點模型。管點的三維模型建設主要應用3DMax軟件，其三維建模流程主要有如下幾個步驟：

建立三維模型結構：利用3DMax軟件提供的幾何體以及修改工具建立管網模型的輪廓。紋理處理：根據各類體育館的管網數碼照片，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場景數據量的大小有很大的關系，因此在處理貼圖文件時，應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構筑面貼上已經處理好的建筑紋理。以消防給水管線中的管點為例（如圖4所示），從左到右分別為噴頭、截止閥、蝶閥。

②構建管線段模型。首先確定管線地理位置，管線的地理位置分為絕對位置和相對位置。依據CAD規劃圖紙的俯視圖，確定體育館管線的絕對地理位置，即各個管線段的起始點和終止點的坐標值。其次依據規劃圖紙系統圖和LIDAR點云數據，確定每條管線空間參考位置，從而確定管線的相對地理位置，即管線相對于體育館內其他目標物的相對位置。如確定管線與體育館內每一層吊頂之間的相對位置，從而確定體育館內每一條管線的縱向走向及其每一層的高度。最后用3D Max軟件根據體育館管線的數碼照片進行管線建模。

③室內管線成果。經過管點、管線模型的建立并將其整合后，得到天津師范大學體育館室內管網的成果圖，如圖5所示。

4 結語

通過對大型建筑物室內管網的三維建模，可以對管網資源實現高效、優質的管理，并且提升建筑內部的運行效率，降低故障造成的損失。三維管網的構造需要根據管網自身特點，設計相應技術路線和模型構建方案，最終實現三維場景可視化。

[參考文獻]

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