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大型建筑物三维室内管网模型设计

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王子悦连懿孙瑞祺王作宁陈鹏飞崔铁军

摘要：随着大型综合性建筑的日益增多，建立大型建筑的室内管网模型设计已经成为必然趋势。文章以天津师范大学为实验区，根据室内管网的数据模型、数据标准等方面，研究其地理信息系统的建模部分，探究建立何种规格的三维模型能够满足大型建筑室内管网地理信息系统的要求，从而实现三维场景可视化。

关键词：三维建模；室内管网；GIS

随着城市发展的飞快进程，我国的工程建筑规模呈现“大而高综合”的发展趋势，大型建筑的功能也随之增加。室内管网作为大型建筑重要设施之一，其数量和种类也随着建筑的功能而增加，一旦大型建筑室内管网发生故障，仅仅根据传统的管线图纸档案，很难准确地从错综复杂的管网中找到“病源”。显然传统的图纸资料已经不能满足当代大型建筑室内管线的维护和更新需求，于是大型建筑室内管网的信息化和管网室内模型的构建成为迫切需要解决的课题。

1 管网的基础理论

1.1 管网数据模型

处理不同类型的管网数据都是根据特定的数据模型。管网按照特征可分为管点和管线段。管点包括管网中的实体和管网交点、管径变化点和埋深变化点等特征点，管线段是管点间的连接线段。大型建筑物室内管网在空间范围内是由管点和管线段组成[1-6]。

管点：包括管网特征点，如管网交点、管径变化点和埋深变化点等实体，也称为节点。管点数据包括其空间坐标的数据，和描述该管点特征的一些属性信息。点是一种不可以再次分割的空间实体，可以是具体的实体也可以是抽象的特征点，例如管网的特征点和管网的地物点等[7]。

管线段：管网中相邻管点间的连线。管线段由其地理位置，即两个端点的坐标和描述该管线段特性的属性信息组成。它是用来表述所有要素中的线状地物，一般有矩形管线段和圆形管线段两种管线段类型，它有一个描述其特性的编码、空间坐标及其相关属性特征。

1.2 管网数据结构标准

管网数据结构有其自身的特点。大型建筑室内管网的组成十分复杂，其中每种管线都有3个构成元素：管点、管线段及附属设施。一般来讲，大型建筑的室内管网有树状、环状或辐射状3种分布方式，不同类型的管网形成一个系统，系统之间的各个组件互相影响，共同发挥作用[8]。

在管网系统中，不同类型的管线中需要存储的基本属性字段都大致相同，但是不同种类的管线也有各自所特有的属性。管网中实体的平面坐标和管径等是管网的空间数据，这些数据是三维管网建模与显示的基础数据，材质、权属部门、建设日期、实施单位、连接方式等是管网的属性数据。管线段和管点数据利用“图上点号”这种标识符来相互连接。

当所有管网数据存入数据库时，每一类管点、管线对应创建一个二维表，數据表中包含对应的各种属性数据。在每个二维表中设定主键，表与表之间通过这个唯一的主键进行关联，方便在数据库中对各表进行查询和维护[9]。

2 管网三维建模实验

2.1 管网三维建模原则

管网三维模型是一种基于矢量的表面数值模型。由于管网三维建模中存在软硬件环境、条件和实现手段等因素的制约，为实现现实环境中的管网模型化，并提高其仿真度，所以需在管网三维建模过程中遵守如下3种原则。

2.1.1 真实合理原则

三维建模过程的实质是模拟一个或多个对象的物理表象，包括其大小、形状、结构等，但是在建模过程中必须维持原本对象所具备的空间位置及拓扑关系，从而保持原有管网数据及结构的真实合理性[10]。

2.1.2 简化模型原则

首先，管网的三维模型建立的主要目的是构建一个完整的三维模型，而不是突出每根管线及管线连接处的细节；另外，三维管网建模过程中，根据管网的特征、构造，应用许多三角面片来恰当模拟管网中的曲线、曲面，从而大大增加了模型中的多边形。所以，适当的对管线及其连接处进行简化，将管网数字化记录，或简化所建立多边形的顶点及其特征，也能达到很好的视觉效果，建立完整逼真的地下管网。

2.0精确适度原则

管网在建立过程中需要应用大量的精密数学模型来体现虚拟世界中的复杂的管网形态及特征。但是，如果过于精细的模型和管网会造成数据十分庞大，这将会给模型系统带来很大的压力。这就需要对数据进行相应的简化，但是，在进行数据简化的同时也要保障各个管线数据的精确程度。

2.2 管网三维建模的技术路线及主要内容

2.2.1 技术路线

大型建筑室内管网三维建模的技术路线主要分为管网数据的采集和建筑物模型的构建，其具体技术路线如图所示。

2.2.2 主要内容

（1）资料准备。由于天津师范大学体育馆室内管网的E及其相关属性资料保存非常完整，本实验主要应用天津^范大学基建处提供的室内CAD规划图作为参考，并通过实地测量勘察，从而获得其实际的室内房间布局及管线部署情况和管线数据。

（2）建立管网数据库。通过阅读大量的文献和数据资料，将天津师范大学体育馆的管网数据进行整合，并设计其管网数据库结构，按其管线的类别，建立管线段数据表和管点数据表，并把获取的原始管网数据导入对应的数据表中，从而建立管网数据库，这样的存储方式可以大大降低坐标数据的获取时间。天津师范大学体育馆管线数据库如图3所示。

（3）管网模型构建。由于室内管网主要包括管点和管线段，将天津师范大学体育馆的三维管网模型的构建分为以下几部分。

①建立管点模型。管点的三维模型建设主要应用3DMax软件，其三维建模流程主要有如下几个步骤：

建立三维模型结构：利用3DMax软件提供的几何体以及修改工具建立管网模型的轮廓。纹理处理：根据各类体育馆的管网数码照片，选择合适的纹理图像。在三维建模中，纹理的大小与模型文件的渲染速度和整个场景数据量的大小有很大的关系，因此在处理贴图文件时，应在不影响模型外观的前提下减小纹理尺寸。贴纹理：为建立好的三维模型中的各个构筑面贴上已经处理好的建筑纹理。以消防给水管线中的管点为例（如图4所示），从左到右分别为喷头、截止阀、蝶阀。

②构建管线段模型。首先确定管线地理位置，管线的地理位置分为绝对位置和相对位置。依据CAD规划图纸的俯视图，确定体育馆管线的绝对地理位置，即各个管线段的起始点和终止点的坐标值。其次依据规划图纸系统图和LIDAR点云数据，确定每条管线空间参考位置，从而确定管线的相对地理位置，即管线相对于体育馆内其他目标物的相对位置。如确定管线与体育馆内每一层吊顶之间的相对位置，从而确定体育馆内每一条管线的纵向走向及其每一层的高度。最后用3D Max软件根据体育馆管线的数码照片进行管线建模。

③室内管线成果。经过管点、管线模型的建立并将其整合后，得到天津师范大学体育馆室内管网的成果图，如图5所示。

4 结语

通过对大型建筑物室内管网的三维建模，可以对管网资源实现高效、优质的管理，并且提升建筑内部的运行效率，降低故障造成的损失。三维管网的构造需要根据管网自身特点，设计相应技术路线和模型构建方案，最终实现三维场景可视化。

[参考文献]

[1]屈春英.城市综合地下管线探测工程项目质量控制[D].济南：山东大学，2012.

[2]陈卫林.基于Skyline的地下管网三维可视化及信息化管理系统研究[D].淮南：安徽理工大学，2016.

[3]王雷.基于Skyline的管网可视化信息系统的设计与实现[D].南京：南京农业大学，2013.

[4]王炎.城市地下管网地理信息系统的研究及实现[D]北京：首都师范大学，2006.

[5]程双伟.GIS中拓扑关系的建立与更新[D].郑州：解放军信息工程大学，2002.

[6]靳敏，郁宇.地下管网虚拟现实系统的构建[J].黑龙江工程学院学报（自然科学版），2008（3）：51-54.

[7]欧阳松南.地下管网数据的时空數据组织与更新[D].长沙：中南大学，2009.

[8]李培君.基于GIS的地下管网可视化研究[D].郑州：解放军信息工程大学，2006.

[9]张春黎.基于三维GIS的地下管线信息管理系统研究与实现[D].合肥：安徽大学，2015.

[10]殷义，程李松城市地下管网三维管理系统设计[J].商品与质量.建筑与发展，2014（10）：495.

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