参数化三维地下管网BIM建模关键技术研究

        地下管网设施是现代城市基础设施的基本组成部分，是城市居民日常生活的物质输送和排出通道。城市地下管网的规划、铺设、管理和维护，直接影响着城市居民的日常生活，是现代化城市高质量高效率运转的基础。随着全球气候紊乱，导致极端自然灾害频发，其中城市内涝灾害与地下管网排水状况密切相关。

        城市地下管网错综复杂，管理维护好城市地下管网，是智慧城市建设的重要内容。随着三维地理信息系统和数字孪生城市等技术的发展，三维地下管网建模可以提供直观立体的地下管网场景展示，包括地下错综分布，埋深、管道断面、附属设施等重要信息。同时三维管网模型还可以进行连通分析、净距分析、爆管分析等专题分析，对于高效管理地下管网数据、为城市规划、地下建设、灾害事故应急等提供必要的基础信息，对于高效的城市管理与决策具有重要的意义。

        经纬管网三维建模系统MagicPipe3D，实现了数据检查、坐标系转换、附属物配置、参数化建模、局部更新的一键式3DTiles服务和BIM模型输出，如图1所示。欢迎进入经纬管网www.magic3d.net，下载试用。

图1 三维管网建模流程图

 1. 数据检查与建模准备

        对于地下管网数据三维建模而言，最大的障碍在于数据的不标准。为了实现通用的管网三维建模，首先需要检查地下管网二维矢量数据，包括几何检查、属性检查、拓扑检查等内容，目前公司正在密集开发测试数据检查模块。

        其次，对于不同数据格式和坐标系统的支持也显得尤为重要。很多测绘院、规划院、市政部门等拿到的一手数据为Excel表格数据，其坐标系为地方坐标系。目前市面上的很多管网三维建模软件，通常需要基于ArcGIS等多种软件配合才能完成。而本公司开发的经纬管网三维建模系统MagicPipe3D支持CSV数据导入，并且可以自己导入地方特殊坐标系统，实现坐标系转换然后进行建模，实现完整的三维管网自动建模流程，如图2所示。

图2 CSV表格数据导入与处理

2. 管网特征点建模效果

       特征点包括变径、弯头、三通、四通等，是连接管道之间的部件。由于特征点建模与其相连的管道参数如管径、方向等密切相关，因此需要实时计算构建。复杂管道接头构建流程如图3所示，包括：获取目标多通接头对应的二维矢量管线和二维矢量管点数据；对目标多通接头对应的二维矢量管线进行裁剪，并分别计算接头管段、管帽位置坐标；根据目标多通接头分布，将目标多通接头分解为主管段、支管段和管帽，分别进行主管段建模、支管段建模和管帽建模；基于实体几何布尔运算进行三维主管模型和三维支管模型相互切割计算；融合切割后的三维主管模型与三维支管模型、三维管帽模型，构建三维拓扑接头几何网格，挂接各部件语义信息，得到三维接头BIM模型。本公司开发的经纬管网三维建模系统MagicPipe3D构建变径、弯头、三通、四通三维建模效果如图4所示。

图3 复杂管道接头模型构建流程

图4 常见管道接头建模效果

3. 大范围管网建模与发布

       对于大范围城市地下管网三维建模而言，除了建模效果，用户最为关心的就是加载效率和属性查询功能。针对大范围地下管网，基于四叉树索引计算瓦块范围，将所有管网模型按照瓦块进行划分。为了兼顾三维管网效果、管网分析需求，对管道和接头进行单体建模。而对于附属物，则根据每一种类型进行实例化建模，减少数据量，提高渲染效率。最终基于管道和接头B3DM、附属物I3DM，计算tileset索引文件，即可得到大范围地下管网3DTiles，如图5所示。

图5 三维管网3DTiles组织

       对于三维管网模型查询，其关键就在于建模过程中保留每个管道、接头、附属物的编码信息，从而实现点击获取编码并展示其属性信息。本公司开发的经纬管网三维建模系统MagicPipe3D可以实现大范围三维管网3Dtiles一键生成，效果如图6所示。

图6 大范围三维管网3DTiles发布

4. 三维管网持续更新与维护

        构建城市级三维地下管网除了可视化好看之外，更重要的意思在于用到实际管理和分析中去，提升城市地下管理水平。因此，实现三维管网的长期更新维护就显得尤为重要。

        目前很多三维地下管网建模软件都是整体数据建模，每次更新维护需要对整个城市大范围数据重新建模生成，不仅效率低下维护困难，而且难以凸显地下管网变化特征。如图7所示，经纬管网三维建模系统MagicPipe3D支持选择局部范围快速更新建模，也可以根据用户导入二维地下管网增量更新信息建模，提高了三维管网更新与维护效率。

图7 局部范围快速更新建模