三维仿真技术在轨道交通地下管线迁移设计的应用

张苗亚，吴敦

(宁波市测绘设计研究院，浙江宁波 315042)

1 引言

城市的轨道交通工程是施工周期长、投资规模大、影响广泛的综合性项目。由于轨道线路一般都是沿街道进行工程铺设，而且经过的地区都是在人流密集的城市区域，而现行的城市的“生命线”，包括电力管线、排水管线以及电信和燃气等管线均密集分布在此街道区域。轨道交通地下站施工期间对开挖范围内的地下市政管线必会造成重大影响，所以需要寻找一种可行的技术手段来辅助地下管线迁移设计，保障轨道交通工程的顺利施工。

宁波市轨道交通2号线一期工程柳汀街站地处市中心繁华地段，工程周边建筑密集，地形比较平坦，地下管线种类繁多、走向错综复杂，迁移设计比较复杂，仅仅采用二维管线迁移设计，方案需多次修改调整，因此工作量较大。若通过三维仿真技术对站点管线迁移设计方案及周边环境进行三维模拟，可以更直观、准确进行方案调整，高效率优化方案设计。因此对地下管线三维模型的可视化和空间分析的研究具有十分重要的现实意义。

2 技术路线与工作内容

借助地理信息技术(GIS)和三维仿真技术，以航空影像、DEM数据和三维城市建筑模型为基础，可以构建轨道交通地下车站与地下管线之间的立体空间关系，由此可以围绕全方位地上地下空间三维信息，对各站点地下管线迁移方案进行三维模拟，辅助轨道交通地下管线迁移设计。

主要的工作内容有:

(1)管线三维建模:管线建模范围为轨道交通2号线一期工程柳汀街站，主要以设计院提供的设计图为制作依据。管线类型主要分为排水、给水、燃气、电力、电信和热力等。建模内容包括围绕地下车站建设进行的各类改线、保留和废除管线模型;地下管线相关的建(构)筑物特征点及附属物点模型。

(2)建筑三维建模:站点周边100 m内城市建筑、车站主体等建筑设施。

(3)地形三维建模:以车站为中心且覆盖整体三维模型的制作范围。三维地形模型主要反映城市道路、桥梁、河流等地形要素的分布情况及地势复杂程序。地下管线模型可通过与原始地面道路模型比较，分析管线迁移设计方案可行性。

(4)三维仿真平台搭建:整合各类三维模型数据，以平台为载体，辅助设计。

3 建设实施

3.1 资料利用

(1)二维管线迁移设计图

管线迁移设计方案图内容包括:车站范围内的各种改线、保留和废除管线的分布情况及相关属性数据;已建井、电杆和新建井、电杆的分布情况及属性数据;一期车站主体实施范围。管线图为1∶500比例尺。

(2)数字正射影像图和数字高程模型

利用地面分辨率为0.05 m的真正射影像及高程格网间距为2.5 m的数字高程模型生成三维地形模型，用以反映轨道交通建设站点区域地上空间的地形分布情况。

(3)基础地形图

市区1∶500比例尺的数字地形图数据作为建设站点周边的地上现状建筑三维模型制作的基础资料。

3.2 数据建设

(1)数据命名规范

Shpfile格式的地下管线成果数据由入库程序自动生成三维模型，Shpfile表字段名称必须符合程序规范要求。

Shpfile点表字段命名规则 表1

Shpfile线表字段命名规则 表2

(2)地下管线模型制作

地下管线模型是三维仿真平台建设的核心内容，主要包括迁移、保留、废除管线和管点模型。管线模型制作流程如下:

①用管线系统软件和ArcGIS软件对设计院提供的管线图进行标准化;

②通过管线自动化入库程序将二维管线设计数据转化为三维地下管线模型，模型包括三维管线模型、搜索数据和管线数据库三类成果数据;

图1 管点管线数据发布流程图

地下管线模型制作必须考虑设计图中各大类管线数据标高规定，并结合自动化程序标高原则进行适当计算，以保证管线模型高度的精确性。

(3)三维建筑模型制作

模型制作是根据基础地形图和高程测量数据在3ds Max场景中创建三维建筑模型，并通过表面影像测量采集制作贴图材质，赋于建筑模型各个侧面。

(4)三维地形模型制作

地形模型是通过平台地形入库工具进行模型制作，制作完成后的地形数据不改变原有的数据精度。

(5)管线模型数据更新

根据管线迁移设计方案的审查意见，在原有的管线模型数据基础进行持续更新修改，随时为设计院或施工方提供最新的三维设计方案。

模型主要更新内容为:更新管线设计调整范围内的三维模型，并同步更新相关属性信息。

更新方法是首先确定设计更新范围，然后按照更新范围修改shpfile数据，最后利用自动化入库程序生成新的三维管线模型。

(6)成果主要指标和规格

①圆管管线模型绕周长面数要求不小于10个面数。

②管线材质是通过标准色值显示或管线材质匹配两种方式来实现，在平台中根据需要进行转换显示。其中标准色值显示方式是采用标准RGB色值来表现渲染效果，并且色值均按照设计图中同类二维地下管线色值进行设置。

3.3 平台建设

由地理信息技术(GIS)和3D虚拟现实技术结合的三维仿真应用平台，主要集成了三维地下管线模型、地形模型和三维建筑模型，模型数据是通过平台固定的数据组织方式、压缩方式进行整合，以实现对轨道交通车站地下管线迁移方案的空间分布展现。

关键性技术如下:

(1)管线自动生成技术

平台提供了与Oracle、SQL大型数据库的接口，通过绑定shpfile文件字段中X、Y坐标及高程值自动生成三维管线模型，并且实现各类管线的属性数据查询及显示。

(2)海量数据集成技术

在平台搭建与数据集成的基础上，通过有效的技术手段实现多类型数据的无缝集成，并实现三维海量数据的浏览、更新、查询、统计等管理功能。

图2 柳汀街站地下管线迁移设计方案鸟瞰图

3.4 辅助设计与应用

集成了各类三维模型数据的三维仿真平台，可应用于车站地下管线迁移设计方案审查，通过三维模拟方式全方面浏览分析方案的可行性，为轨道交通管线迁移方案优化提供更直接、可靠的依据。

(1)三维浏览显示

通过平台定制的三维浏览工具实现地上地下整体空间的三维浏览，可对三维地下管线进行任意的角度观察，查看管线迁移设计是否合理性。

(2)迁移方案对比

通过设置配置文件显示图层内容，可对平台中管线模型进行双屏浏览对比。图3为柳汀街站地下管线迁移前现状管布局与迁移设计后管线布局。

图3 柳汀街站地下排水管线迁移前后布局对比

(3)空间量算

通过量测工具设计人员可以测量空间任意两点间的距离。

(4)地下管线分析

通过管线分析工具可以让设计人员更准确的查看各管线的相对位置，为优化方案设计提供可靠依据。如水平净距分析、垂直净距分析、缓冲分析、横断面分析等。

(5)管线属性查询、统计

设计人员通过属性查询工具可查询任意的管线属性信息。也可利用统计工具对管线的点性质、管径、材质、埋深等属性进行分段统计或者分类汇总。

(6)创建管道

设计人员在查看方案时对需修改的管线可通过管道创建工具进行条件创建，用以作为二维设计图更改时的参考依据。

4 结语

地下管线迁移设计是轨道交通建设顺利开工的前期工作之一，基于轨道交通管线迁移的特点，通过三维仿真技术在设计人员进行方案设计时同步建设三维模型数据，利用数据集成后的地下管线仿真平台进行更直观的全方位方案审核，辅助设计人员进行方案调整，有助于提高管线迁移设计的效率，保障轨道交通站点施工的顺利实施。

通过对柳汀街站三维地下管线辅助设计项目的实践，若要建设一个为城市建设、规划部门、专业管线单位提供稳定、成熟、高效、可扩展并可持续开发应用的城市地下管线三维空间虚拟现实仿真信息平台，还需在数据建设和软件应用开发方面进行进一步深入研究，比如结合地质开挖施工辅助地下管线设计、三维管线模型表现更精细化、管线地面附属设备模型批量生成等等。

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