SketchUp软件支持下的地下管网三维建模与设计

2018-06-04杨春宇纪银晓胡启亚张帆宇扬

测绘通报 2018年5期

杨春宇，纪银晓，胡启亚，张帆宇扬

(1. 北京市地质工程设计研究院，北京 101500； 2. 测绘出版社，北京 100045； 3. 北京市煤气热力工程设计院有限公司，北京 100032； 4. 中国矿业大学(北京)，北京 100083)

地下管线在城市基础设施中担任重要角色[1]，是城市基础设施的重要组成部分之一。在城市规划、设计、施工和管理的各个阶段中，如果缺乏项目所在地准确的地下管线信息，在实际施工中将会遇到很多困难，甚至造成人民生命财产的损失。为了提高城市地下管线信息化的管理水平[2]，确保市民生活正常运行，进一步加快城市化进程，提高城市综合运载能力，也为城市的安全提供保障，一方面要求查明现有管线，对现有的所有种类的地下管线进行统一的普查，以统一标准建立全国各种类的地下管线数据库，为我国综合地下管廊设计、规划、建设各个阶段，及时提供各类地下管线准确、完善的基础信息；另一方面要求在设计管线时应考虑多方面因素，力求设计出科学、合理的管线，为保证地下管线的长久使用和降低地下管线事故率打下基础。最后，依据城市规划建设管理要求[3]进行地下管线普查，完成管线数据的探测，管线图编绘，管线数据建库、三维管网管理系统建设工作，实现城市地上地下空间的合理、科学的开发，提高城市使用效率，实现城市现代化，提高城市运行职能。

目前，三维建模技术应用广泛，如卢丹丹等[4]针对三维建模的高精度自动化、局部更新快速化和地上地下一体化等关键技术，提出了该技术应用于地下管线普查工作的新思路；关丽等[5]研究了三维建模技术在建设数字城市过程中的具体技术途径及方式；邱春霞等[6]提出了纹理缺失、图像扭曲、数据筛选，以及PhotoScan软件参数设置及操作顺序等方面的三维建模优化技术；陈卓等[7]提出了一种基于机载LiDAR数据的大型立交桥建模方法；孙中昶等[8]研究了地下巷道三维建模算法的实现。本文在现有研究成果的基础上，基于SketchUp软件，以及地下管线的现状，结合研究区供暖管道设计项目，探究数据库及三维建模在地下管线设计中的作用，并根据燃气管道设计规范，从管线长度、施工难度、施工费用、竣工后对周围影响四方面进行综合分析，以选择最佳的设计方案，对数据库建立、地下管网的三维建模和管线设计提供借鉴。

1 数据采集与数据库的建立

研究区位于北京市通州区徐瞳路与烛光路交叉路口西南角，占地面积近1.4万m2。东侧有一条小河，其余三面大都被绿地包围，主要包括1座办公大楼、3座宿舍楼、1座食堂、2座家属楼。实测过程中需要测量其1∶500地形图及地下管网的分布情况，设计出一条科学的热力管线。该项目采用坐标应符合北京市工程测量技术规范，因此平面坐标系统采用北京地方坐标系，高程系统采用北京地方高程系。由于使用GPS测量时得到的是WGS-84坐标，因此在对测区进行测量前，需要先求出WGS-84坐标转到北京地方坐标系的转换参数。

1.1 数据采集

在数据采集前，先进行现有数据的搜集，主要搜集以前建筑竣工地形图及测区控制点和成果资料。然后现场踏勘，对研究区周围情况进行调查，主要查看测区地物、地貌、交通情况、地理条件及可能干扰测量的因素。最后向物业人员咨询地下管线建设的大致情况。

数据采集时，采用GNSS网络RTK技术，实测已知点位的WGS-84坐标，得到覆盖测区的坐标转换模型(本工程共选取4个已知控制点)，模型建好后，求出转换参数，利用GPS接收机对已知点进行测量。实测结果与已知数据进行比较，以达到检核的目的。同时，利用3台GPS接收机，其中1台作为基准站，另外2台作为流动站。通过已知转换参数将WGS-84坐标转换为北京地方坐标，应用网络RTK进行地形图野外数据采集，并现场绘制草图。在实测过程中，两组人分别以办公楼中间为界，分别测量两边，避免测量中测重、测漏。测量时应特别注意给水、排水、热力、电力、电信井盖，为了以后绘制管线走向，一定不能漏测，燃气、工业管道、综合管廊等也需要注意测量的完整性，避免以后施工误挖。

外业测量结束后，将两组测量数据整合在一起，检查测量数据的完整性，然后根据外业草图和观测数据应用CASS进行内业编辑成图。外业人员根据地形图到实地进行探测，利用地下管线检查井位置结合雷迪探测仪现场探查地下管线数据及位置，并在地形图上进行标注。

在外业管线探测结束后，应用CASS在以前绘制的地形图上绘制地下管线，并标注管线信息。标注信息应该简明，放置在管线合适位置上，利于设计人员识别和查看。同时地下管线图分层及颜色应该符合《城市地下管线探测规程》，地下管线图分层及颜色应符合规范，见表1。

表1 地下管线图分层及颜色

绘制完地下管线地形图和管线线路图后，需要编制地下管线信息表和管线高程表。绘制管线信息表时，首先应该将同一类别的管线高程绘制在Excel同一个表单中，在表单中应注明管线深度、走向等信息。最后将不同类别的管线高程绘制在一个总的表单中，以观测管线大致走向及高程。本项目中污水管线信息表单见表2。

表2 污水管线信息表

在CASS软件中绘制地下管线线路图时，地下管线图中各种文字、数字注记应标记清楚，不能出现压盖管线及其附属设施的现象。地下管线图注记[9]应按规范执行,管线上文字、数字注记应平行于管线走向，标记文字的字头应垂直于管线走向、方向向上。

1.2 数据库建立

利用ArcCatalog[10]创建研究区地理数据库(Geodatabase)，将CASS中的测量成果图(如图1所示)中的不同要素转成不同种类的SHP文件，导入数据库(如图2所示)。将所有SHP文加载到ArcMap中，并对不同SHP图层进行符号化，如图3所示，在ArcMap对话框中可以看到，所有加载的图层都在左侧，可以很方便地选择打开或关闭图层，也可以很方便地查看所有管线及地物的位置、大小、坐标。

图1 成果图

2 建立地下管网三维模型

地下管线三维建模[11]有助于提高管线设计人员对地下管线的理解的效率、精度和完整性，能够立体化、形象化、动态化地展示纷繁复杂的地下管线数据。本文通过对二维地形图的精简，保留对地下管线三维建模重要影响的地物，如道路、房屋、绿地、河流、蓄水池等，以此为供暖管线提供重要参考，再结合SketchUp软件对地下管线进行准确的建模。

图2 数据库

图3 ArcMap对话框

按照DWG图形导入SketchUp软件中的要求[12]，在SketchUp中加载CAD成果图。SketchUp软件中含有种类齐全的材质库，能够对许多不同种类的地物进行着色，使所建模型贴近自然，非常逼真，使设计人员置身于实地一般。在SketchUp中建立模型并上材质后的效果如图4所示。

图4 SketchUp成果图

在对模型赋予材质[13]后，将模型导出为DAE格式，将模型导入到ArcSence，通过ArcSence与SketchUp的交互，既实现了将所建的三维模型数据和之前建立的管线数据保存在同一个数据库中，方便以后的调用，也可以在ArcSence中加载建模前的管线二维数据，与建立的管线三维模型相对比，验证管线的建模精度。

3 管线设计

3.1 燃气管线设计方案

依据燃气管道设计规范，再结合项目实际情况，其中包括研究区地理位置、院内建筑分布、管线走向、供暖要求等因素，最终设计了3个管线设计方案。

方案1是设计一条露天燃气管道与深埋燃气管道相结合的方案，即在研究区门口河流南侧，先在地下深埋燃气管道，再由地上燃气管道越过河流，延伸至办公大楼东面，如图5所示。

图5 管线设计方案1

方案2是将燃气管道经由研究区东侧和北侧的绿地来供暖，管线布设在绿地下方，与建筑物保持在安全的距离，在安全方面具有很大优势，如图6所示。

方案3同方案2类似，燃气管道都在地下，先埋设于绿地下方，再沿着河流铺设，最终沿着研究区中间铺设以供暖，如图7所示。

图6 管线设计方案2

图7 管线设计方案3

3.2 燃气管线方案分析

在设计燃气管道[14]时不仅要符合《城镇燃气设计规范》(GB 50028—95)规范要求，而且还要考虑经济、便利等因素，为此本文针对3种设计方案，从管线长度、施工难度、施工费用、竣工后对周围影响四方面进行分析。

由于管线长度涉及完成供暖目标所花费的管道成本，在能完成相同供暖目标时，管线长度短的方案更具有优势；而施工难度则对应着在实施燃气管道设计方案时所花费的成本，施工难度越大，所花费的时间也就越长，同时施工费用也就越多；而在施工结束后，由于施工方案不同，对地面开挖或建筑拆除造成的损失也会不同。一般露天管道架设比深埋铺设在造价上具有优势，但同时安全问题会比较多，由于占用了地面空间，要考虑管道是否对以后车辆行驶、居民出行产生影响。由于方案2管道都铺设在绿地下方，相对于人为因素影响较少，而且深埋地下，在安全方面具有很大优势。3种方案具体分析见表3。

经过对比分析，方案1管线最短，施工难度与施工费用也较其余两种方案较优。但是由于露天燃气管道安全隐患较大，在经历风吹日晒后对露天燃气管道会有较大损伤，需要定期维修和防护，尤其是露天燃气管道较地下燃气管道更容易遭受破坏，安全系数不如地下燃气管道高。因此，露天燃气管道一般在特殊情况下才会考虑。

方案2的燃气管线长度最长，但是在施工时间和施工费用上较另外两个方案具有较大优势，而且由于绿地开挖比较容易，在施工期间对敬老院院外及院内交通影响较小，同时，在竣工后对地面的损伤也比较小，不影响路面美观。

表3 方案分析表

方案3燃气管线长度在3个方案中排名第二，但是在施工时需要开挖研究区院外及院内道路，尤其是院内的水泥路面较难开挖，在施工期间，由于开挖管线位于办公大楼前面，因此会对交通带来不便，同时，在竣工时敬老院路面还会留下很长开挖痕迹，严重影响路面美观。

综合对比分析后，3种方案中方案2较为合理，即能达到供暖的目标，在施工整体时间上和费用上有较大优势，同时在开挖后不会为研究区周边道路带来巨大的影响。

4 结语

本文基于地下管线的现状，结合研究区供暖管道设计项目，探究数据库及三维建模在地下管线设计中的作用，并根据燃气管道设计规范，在安全的前提下，设计了3种供暖管线设计方案。再从管线长度、施工难度、施工费用、竣工后对周围影响四方面进行综合分析，最终从中选择出最佳的设计方案。最佳方案施工难度低，施工时间短，施工费用低，施工过程中对敬老院院外及院内的交通影响较小，在竣工结束后也不会对研究区路面造成损伤，不影响道路美观，为供暖管线设计施工提供了参考。

参考文献：

[1] 华安中.城市综合地下管线建库管理系统设计与实现[D].南京：河海大学,2006.

[2] 高蓉.中小城市道路地下综合管线的规划与建设[J].山西建筑,2015(28):22-23.

[3] 国务院办公厅.解读《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》[J].建筑监督检测与造价,2014(5):66-69.

[4] 卢丹丹,谭仁春,郭明武,等.城市地下管线三维建模关键技术研究[J].测绘通报,2017(5)：117-119,124.

[5] 关丽,丁燕杰,张辉,等.面向数字城市建设的三维建模关键技术研究及应用[J].测绘通报,2017(2)：90-94.

[6] 邱春霞,董乾坤,刘明.倾斜影像的三维模型构建与模型优化[J].测绘通报，2017(5):31-35.

[7] 陈卓,马洪超.基于机载LiDAR数据的大型立交桥三维建模方法[J].测绘学报,2012,41(2):252-258.

[8] 孙中昶,卢秀山,田茂义.矿山巷道三维建模算法研究及实现[J].测绘学报，2009，38(3)：250-254.

[9] 罗凌燕,贺军政,李育东.城市地下管线三维快速建模技术研究及应用[J].测绘通报,2012(9):87-89.

[10] 陈勇,王明洋,张云,等.浅谈城市三维地下管线数据建库建模[J].测绘通报,2013(S2):155-156，169.

[11] 王贵武,解智强,李世强,等.利用海量探测数据实现昆明市地下管线三维建模的应用研究[J].测绘科学,2009,34(6):122-124.