城市地下管线三维快速建模技术研究及应用

罗凌燕，贺军政，李育东

(深圳市勘察测绘院有限公司，广东深圳518028)

城市地下管线三维快速建模技术研究及应用

罗凌燕，贺军政，李育东

(深圳市勘察测绘院有限公司，广东深圳518028)

随着城市建设的日新月异，地下管线空间分布越来越复杂，地下管线探测成果的二维图形已无法表达管线之间的复杂空间关系，而三维管线的直观明了正好可以弥补二维成果的不足。在此背景下，提出在AutoCAD平台下利用其自身的三维模块，通过二次开发进行三维地下管线快速建模研究。并将开发成果应用于地铁建设工程，取得较好的实用效果。

三维快速建模;地下管线;AutoCAD;二次开发

一、引 言

地下管线是城市地下的重要工程建筑物，是保证城市顺畅运行的生命线。随着城市建设的日新月异，地下管线的空间分布越来越复杂，二维地下管线探测图形成果已无法表达管线之间的复杂的空间层次关系，特别是对于地下空间上下垂直分布管线，在平面图上只能以一个点或重叠线或相交线及相应注记来表示，从而失去了其在地下的真实位置，造成施工设计上的错觉。而三维管线的直观、明了即可以解决这个问题，因此对地下管线探测成果的三维显示研究已势在必行。

二、地下管线三维建模研究现状

三维建模的手段很多，比较成熟的软件及专业模块也较多，如3ds Max，Pro/Engineer、UG、Solidworks、CAXA等，对于形状复杂的实体构建、设计效果也非常好，但是成本较高，且不容易掌握，对地下管线探测适用性不高。地下管线探测成果的三维显示主要用于检查成果质量，以提高作业精度，对于细节的处理要求不如设计高，其主要功能是二维平面结果的快速转化及复杂管线的空间立体显示。针对地下管线探测作业的特殊性，选择工程技术人员普遍使用的AutoCAD自身的三维模块进行二次开发，可以快速实现管线的三维建模并取得较好的效果。

三、地下管线三维快速建模

1.地下管线三维数据建库

根据规程，管线探测应现场查明各种地下管线的敷设状况即管线在地面上的投影位置和埋深，实地探查的项目如表1所示。

表1 地下管线实地调查项目表

图1 地下管线三维数据库表结构图

2.地下管线三维实体简化

通过对数据表的分析发现，地下管线三维建模并不需要太多细节，而且模型相对比较规则，因此在CAD平台下即可实现地下管线三维实体简化并快速建模。

建模过程主要包括管点建模和管线建模。

1)管点建模数据：管点的三维坐标、附属物、井深、井径。根据实地调查经验，管点建模主要对明显点的圆形井和方形井的建模，相应实体为圆柱体和长方体。

2)管线建模：管线起点和终点的三维坐标和埋深，管段的尺寸大小，管段的埋设方式。管线建模主要是对圆形管道、方形管块、方形管沟的建模，相应实体为圆柱体和长方体。

3.地下管线三维实体实现

地下管线三维建模的核心是要真实反映地下管线在空间的位置，在AutoCAD中绘制二维管线图非常方便，若在AutoCAD里绘制三维管道，则只能在XOY平面上绘制管道的断面图，然后进行拉伸。这也是AutoCAD三维建模的局限性，但并不影响对地下管线三维图形的开发。若要得到与XOY平面成任意角度的结果，可先拉伸出管道，然后通过旋转、平移等3步将管道旋转到实际位置，实现二维到三维的快速转化。

1)绕X轴逆时针旋转(θ－π/2)至ZOY平面(如图2所示)。

探测完成后应对地下管线数据进行建库，以便管理和应用。根据笔者所在公司自行研发的易管网数据处理系统，其数据库主要包括管点和管线两张表，设计视图如图1所示。

图2

2)绕Z轴逆时针旋转γ至与原位置平行(如图3所示)。

图3

3)从原点平移至原位置(如图4所示)。

图4

通过3步变换即可将垂直于XOY平面的三维实体还原到三维空间的实际位置。

设P1、P2两点的三维坐标分别为(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)，则

四、地下管线三维快速建模技术的应用

根据地下管线三维建模原理，通过C#对Auto-CAD的二次开发即可快速实现二维地下管线成果到三维的转化。运行界面如图5所示。

图5 地下管线三维快速建模程序应用界面

通过对深圳市轨道交通6号线地下管线探测工程约80 km综合管线的应用，二维图与三维图的生成时间对比如图6所示。图6(a)为三维管线，形成时间54 s;图6(b)为二维平面管线，形成时间44 s，与二维管线形成时间相差仅10 s，效果令人满意，真正实现了快速转换。

图6 二维与三维图形生成时间对比图

通过二维与三维对比检查(如图7所示)可以发现，野外作业中管线是否碰触，空间分布是否合理，都影响着野外作业和成果数据的质量。

图7 二维与三维对比检查图

五、结束语

本文以AutoCAD为图形处理平台，采用C#语言对CAD自身的三维模块进行二次开发，得到三维管线快速建模程序。使综合管线探测的二维和三维成果在CAD系统里得到了充分的结合，实现了从二维成果到三维成果的快速转化，两者相得益彰，使地下管线探测成果更真实准确地反映地下管线的空间和平面分布，从而给管道铺设在设计和施工带来了很大的方便。本研究成果不仅对管线成果检查具有普遍意义，而且还是对探测成果的有效补充。目前，本研究的设计方案已经在地铁建设工程管线详查中得到了应用，并取得了较好的实用效果。

地下管线三维建模的手段很多，本文只是在工程领域普遍熟悉的AutoCAD平台下进行开发，简单、易用，对硬件要求低，大大提高了所建模型在工程案例中的实用性。由于AutoCAD平台自身三维功能的限制，在画面的细节及美观性方面有所不足，有待在以后的研究中作进一步改进。

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Research and Application of 3D Fast Modeling Technology for Underground Pipeline in City

LUO Lingyan，HE Junzheng，LI Yudong

0494-0911(2012)09-0087-03

P208

B

2011-09-05

罗凌燕(1982—)，女，湖南祁东人，工程师，主要从事工程测量、地下管线及GIS开发等工作。