楊春宇，紀(jì)銀曉，胡啟亞，張帆宇揚(yáng)

(1. 北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京 101500； 2. 測(cè)繪出版社，北京 100045； 3. 北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100032； 4. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

地下管線在城市基礎(chǔ)設(shè)施中擔(dān)任重要角色[1]，是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分之一。在城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和管理的各個(gè)階段中，如果缺乏項(xiàng)目所在地準(zhǔn)確的地下管線信息，在實(shí)際施工中將會(huì)遇到很多困難，甚至造成人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。為了提高城市地下管線信息化的管理水平[2]，確保市民生活正常運(yùn)行，進(jìn)一步加快城市化進(jìn)程，提高城市綜合運(yùn)載能力，也為城市的安全提供保障，一方面要求查明現(xiàn)有管線，對(duì)現(xiàn)有的所有種類的地下管線進(jìn)行統(tǒng)一的普查，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建立全國(guó)各種類的地下管線數(shù)據(jù)庫(kù)，為我國(guó)綜合地下管廊設(shè)計(jì)、規(guī)劃、建設(shè)各個(gè)階段，及時(shí)提供各類地下管線準(zhǔn)確、完善的基礎(chǔ)信息；另一方面要求在設(shè)計(jì)管線時(shí)應(yīng)考慮多方面因素，力求設(shè)計(jì)出科學(xué)、合理的管線，為保證地下管線的長(zhǎng)久使用和降低地下管線事故率打下基礎(chǔ)。最后，依據(jù)城市規(guī)劃建設(shè)管理要求[3]進(jìn)行地下管線普查，完成管線數(shù)據(jù)的探測(cè)，管線圖編繪，管線數(shù)據(jù)建庫(kù)、三維管網(wǎng)管理系統(tǒng)建設(shè)工作，實(shí)現(xiàn)城市地上地下空間的合理、科學(xué)的開(kāi)發(fā)，提高城市使用效率，實(shí)現(xiàn)城市現(xiàn)代化，提高城市運(yùn)行職能。

目前，三維建模技術(shù)應(yīng)用廣泛，如盧丹丹等[4]針對(duì)三維建模的高精度自動(dòng)化、局部更新快速化和地上地下一體化等關(guān)鍵技術(shù)，提出了該技術(shù)應(yīng)用于地下管線普查工作的新思路；關(guān)麗等[5]研究了三維建模技術(shù)在建設(shè)數(shù)字城市過(guò)程中的具體技術(shù)途徑及方式；邱春霞等[6]提出了紋理缺失、圖像扭曲、數(shù)據(jù)篩選，以及PhotoScan軟件參數(shù)設(shè)置及操作順序等方面的三維建模優(yōu)化技術(shù)；陳卓等[7]提出了一種基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的大型立交橋建模方法；孫中昶等[8]研究了地下巷道三維建模算法的實(shí)現(xiàn)。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，基于SketchUp軟件，以及地下管線的現(xiàn)狀，結(jié)合研究區(qū)供暖管道設(shè)計(jì)項(xiàng)目，探究數(shù)據(jù)庫(kù)及三維建模在地下管線設(shè)計(jì)中的作用，并根據(jù)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)規(guī)范，從管線長(zhǎng)度、施工難度、施工費(fèi)用、竣工后對(duì)周圍影響四方面進(jìn)行綜合分析，以選擇最佳的設(shè)計(jì)方案，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)建立、地下管網(wǎng)的三維建模和管線設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

研究區(qū)位于北京市通州區(qū)徐瞳路與燭光路交叉路口西南角，占地面積近1.4萬(wàn)m2。東側(cè)有一條小河，其余三面大都被綠地包圍，主要包括1座辦公大樓、3座宿舍樓、1座食堂、2座家屬樓。實(shí)測(cè)過(guò)程中需要測(cè)量其1∶500地形圖及地下管網(wǎng)的分布情況，設(shè)計(jì)出一條科學(xué)的熱力管線。該項(xiàng)目采用坐標(biāo)應(yīng)符合北京市工程測(cè)量技術(shù)規(guī)范，因此平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用北京地方坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用北京地方高程系。由于使用GPS測(cè)量時(shí)得到的是WGS-84坐標(biāo)，因此在對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行測(cè)量前，需要先求出WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)到北京地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

1.1 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集前，先進(jìn)行現(xiàn)有數(shù)據(jù)的搜集，主要搜集以前建筑竣工地形圖及測(cè)區(qū)控制點(diǎn)和成果資料。然后現(xiàn)場(chǎng)踏勘，對(duì)研究區(qū)周圍情況進(jìn)行調(diào)查，主要查看測(cè)區(qū)地物、地貌、交通情況、地理?xiàng)l件及可能干擾測(cè)量的因素。最后向物業(yè)人員咨詢地下管線建設(shè)的大致情況。

數(shù)據(jù)采集時(shí)，采用GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，實(shí)測(cè)已知點(diǎn)位的WGS-84坐標(biāo)，得到覆蓋測(cè)區(qū)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型(本工程共選取4個(gè)已知控制點(diǎn))，模型建好后，求出轉(zhuǎn)換參數(shù)，利用GPS接收機(jī)對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)測(cè)結(jié)果與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以達(dá)到檢核的目的。同時(shí)，利用3臺(tái)GPS接收機(jī)，其中1臺(tái)作為基準(zhǔn)站，另外2臺(tái)作為流動(dòng)站。通過(guò)已知轉(zhuǎn)換參數(shù)將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京地方坐標(biāo)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行地形圖野外數(shù)據(jù)采集，并現(xiàn)場(chǎng)繪制草圖。在實(shí)測(cè)過(guò)程中，兩組人分別以辦公樓中間為界，分別測(cè)量?jī)蛇叄苊鉁y(cè)量中測(cè)重、測(cè)漏。測(cè)量時(shí)應(yīng)特別注意給水、排水、熱力、電力、電信井蓋，為了以后繪制管線走向，一定不能漏測(cè)，燃?xì)狻⒐I(yè)管道、綜合管廊等也需要注意測(cè)量的完整性，避免以后施工誤挖。

外業(yè)測(cè)量結(jié)束后，將兩組測(cè)量數(shù)據(jù)整合在一起，檢查測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性，然后根據(jù)外業(yè)草圖和觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用CASS進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯成圖。外業(yè)人員根據(jù)地形圖到實(shí)地進(jìn)行探測(cè)，利用地下管線檢查井位置結(jié)合雷迪探測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)探查地下管線數(shù)據(jù)及位置，并在地形圖上進(jìn)行標(biāo)注。

在外業(yè)管線探測(cè)結(jié)束后，應(yīng)用CASS在以前繪制的地形圖上繪制地下管線，并標(biāo)注管線信息。標(biāo)注信息應(yīng)該簡(jiǎn)明，放置在管線合適位置上，利于設(shè)計(jì)人員識(shí)別和查看。同時(shí)地下管線圖分層及顏色應(yīng)該符合《城市地下管線探測(cè)規(guī)程》，地下管線圖分層及顏色應(yīng)符合規(guī)范，見(jiàn)表1。

表1 地下管線圖分層及顏色

繪制完地下管線地形圖和管線線路圖后，需要編制地下管線信息表和管線高程表。繪制管線信息表時(shí)，首先應(yīng)該將同一類別的管線高程繪制在Excel同一個(gè)表單中，在表單中應(yīng)注明管線深度、走向等信息。最后將不同類別的管線高程繪制在一個(gè)總的表單中，以觀測(cè)管線大致走向及高程。本項(xiàng)目中污水管線信息表單見(jiàn)表2。

表2 污水管線信息表

在CASS軟件中繪制地下管線線路圖時(shí)，地下管線圖中各種文字、數(shù)字注記應(yīng)標(biāo)記清楚，不能出現(xiàn)壓蓋管線及其附屬設(shè)施的現(xiàn)象。地下管線圖注記[9]應(yīng)按規(guī)范執(zhí)行,管線上文字、數(shù)字注記應(yīng)平行于管線走向，標(biāo)記文字的字頭應(yīng)垂直于管線走向、方向向上。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立

利用ArcCatalog[10]創(chuàng)建研究區(qū)地理數(shù)據(jù)庫(kù)(Geodatabase)，將CASS中的測(cè)量成果圖(如圖1所示)中的不同要素轉(zhuǎn)成不同種類的SHP文件，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)(如圖2所示)。將所有SHP文加載到ArcMap中，并對(duì)不同SHP圖層進(jìn)行符號(hào)化，如圖3所示，在ArcMap對(duì)話框中可以看到，所有加載的圖層都在左側(cè)，可以很方便地選擇打開(kāi)或關(guān)閉圖層，也可以很方便地查看所有管線及地物的位置、大小、坐標(biāo)。

圖1 成果圖

2 建立地下管網(wǎng)三維模型

地下管線三維建模[11]有助于提高管線設(shè)計(jì)人員對(duì)地下管線的理解的效率、精度和完整性，能夠立體化、形象化、動(dòng)態(tài)化地展示紛繁復(fù)雜的地下管線數(shù)據(jù)。本文通過(guò)對(duì)二維地形圖的精簡(jiǎn)，保留對(duì)地下管線三維建模重要影響的地物，如道路、房屋、綠地、河流、蓄水池等，以此為供暖管線提供重要參考，再結(jié)合SketchUp軟件對(duì)地下管線進(jìn)行準(zhǔn)確的建模。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)

圖3 ArcMap對(duì)話框

按照DWG圖形導(dǎo)入SketchUp軟件中的要求[12]，在SketchUp中加載CAD成果圖。SketchUp軟件中含有種類齊全的材質(zhì)庫(kù)，能夠?qū)υS多不同種類的地物進(jìn)行著色，使所建模型貼近自然，非常逼真，使設(shè)計(jì)人員置身于實(shí)地一般。在SketchUp中建立模型并上材質(zhì)后的效果如圖4所示。

圖4 SketchUp成果圖

在對(duì)模型賦予材質(zhì)[13]后，將模型導(dǎo)出為DAE格式，將模型導(dǎo)入到ArcSence，通過(guò)ArcSence與SketchUp的交互，既實(shí)現(xiàn)了將所建的三維模型數(shù)據(jù)和之前建立的管線數(shù)據(jù)保存在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便以后的調(diào)用，也可以在ArcSence中加載建模前的管線二維數(shù)據(jù)，與建立的管線三維模型相對(duì)比，驗(yàn)證管線的建模精度。

3 管線設(shè)計(jì)

3.1 燃?xì)夤芫€設(shè)計(jì)方案

依據(jù)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)規(guī)范，再結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，其中包括研究區(qū)地理位置、院內(nèi)建筑分布、管線走向、供暖要求等因素，最終設(shè)計(jì)了3個(gè)管線設(shè)計(jì)方案。

方案1是設(shè)計(jì)一條露天燃?xì)夤艿琅c深埋燃?xì)夤艿老嘟Y(jié)合的方案，即在研究區(qū)門(mén)口河流南側(cè)，先在地下深埋燃?xì)夤艿?，再由地上燃?xì)夤艿涝竭^(guò)河流，延伸至辦公大樓東面，如圖5所示。

圖5 管線設(shè)計(jì)方案1

方案2是將燃?xì)夤艿澜?jīng)由研究區(qū)東側(cè)和北側(cè)的綠地來(lái)供暖，管線布設(shè)在綠地下方，與建筑物保持在安全的距離，在安全方面具有很大優(yōu)勢(shì)，如圖6所示。

方案3同方案2類似，燃?xì)夤艿蓝荚诘叵?，先埋設(shè)于綠地下方，再沿著河流鋪設(shè)，最終沿著研究區(qū)中間鋪設(shè)以供暖，如圖7所示。

圖6 管線設(shè)計(jì)方案2

圖7 管線設(shè)計(jì)方案3

3.2 燃?xì)夤芫€方案分析

在設(shè)計(jì)燃?xì)夤艿繹14]時(shí)不僅要符合《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—95)規(guī)范要求，而且還要考慮經(jīng)濟(jì)、便利等因素，為此本文針對(duì)3種設(shè)計(jì)方案，從管線長(zhǎng)度、施工難度、施工費(fèi)用、竣工后對(duì)周圍影響四方面進(jìn)行分析。

由于管線長(zhǎng)度涉及完成供暖目標(biāo)所花費(fèi)的管道成本，在能完成相同供暖目標(biāo)時(shí)，管線長(zhǎng)度短的方案更具有優(yōu)勢(shì)；而施工難度則對(duì)應(yīng)著在實(shí)施燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)方案時(shí)所花費(fèi)的成本，施工難度越大，所花費(fèi)的時(shí)間也就越長(zhǎng)，同時(shí)施工費(fèi)用也就越多；而在施工結(jié)束后，由于施工方案不同，對(duì)地面開(kāi)挖或建筑拆除造成的損失也會(huì)不同。一般露天管道架設(shè)比深埋鋪設(shè)在造價(jià)上具有優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)安全問(wèn)題會(huì)比較多，由于占用了地面空間，要考慮管道是否對(duì)以后車輛行駛、居民出行產(chǎn)生影響。由于方案2管道都鋪設(shè)在綠地下方，相對(duì)于人為因素影響較少，而且深埋地下，在安全方面具有很大優(yōu)勢(shì)。3種方案具體分析見(jiàn)表3。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，方案1管線最短，施工難度與施工費(fèi)用也較其余兩種方案較優(yōu)。但是由于露天燃?xì)夤艿腊踩[患較大，在經(jīng)歷風(fēng)吹日曬后對(duì)露天燃?xì)夤艿罆?huì)有較大損傷，需要定期維修和防護(hù)，尤其是露天燃?xì)夤艿垒^地下燃?xì)夤艿栏菀自馐芷茐?，安全系?shù)不如地下燃?xì)夤艿栏?。因此，露天燃?xì)夤艿酪话阍谔厥馇闆r下才會(huì)考慮。

方案2的燃?xì)夤芫€長(zhǎng)度最長(zhǎng)，但是在施工時(shí)間和施工費(fèi)用上較另外兩個(gè)方案具有較大優(yōu)勢(shì)，而且由于綠地開(kāi)挖比較容易，在施工期間對(duì)敬老院院外及院內(nèi)交通影響較小，同時(shí)，在竣工后對(duì)地面的損傷也比較小，不影響路面美觀。

表3 方案分析表

方案3燃?xì)夤芫€長(zhǎng)度在3個(gè)方案中排名第二，但是在施工時(shí)需要開(kāi)挖研究區(qū)院外及院內(nèi)道路，尤其是院內(nèi)的水泥路面較難開(kāi)挖，在施工期間，由于開(kāi)挖管線位于辦公大樓前面，因此會(huì)對(duì)交通帶來(lái)不便，同時(shí)，在竣工時(shí)敬老院路面還會(huì)留下很長(zhǎng)開(kāi)挖痕跡，嚴(yán)重影響路面美觀。

綜合對(duì)比分析后，3種方案中方案2較為合理，即能達(dá)到供暖的目標(biāo)，在施工整體時(shí)間上和費(fèi)用上有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在開(kāi)挖后不會(huì)為研究區(qū)周邊道路帶來(lái)巨大的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于地下管線的現(xiàn)狀，結(jié)合研究區(qū)供暖管道設(shè)計(jì)項(xiàng)目，探究數(shù)據(jù)庫(kù)及三維建模在地下管線設(shè)計(jì)中的作用，并根據(jù)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)規(guī)范，在安全的前提下，設(shè)計(jì)了3種供暖管線設(shè)計(jì)方案。再?gòu)墓芫€長(zhǎng)度、施工難度、施工費(fèi)用、竣工后對(duì)周圍影響四方面進(jìn)行綜合分析，最終從中選擇出最佳的設(shè)計(jì)方案。最佳方案施工難度低，施工時(shí)間短，施工費(fèi)用低，施工過(guò)程中對(duì)敬老院院外及院內(nèi)的交通影響較小，在竣工結(jié)束后也不會(huì)對(duì)研究區(qū)路面造成損傷，不影響道路美觀，為供暖管線設(shè)計(jì)施工提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 華安中.城市綜合地下管線建庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：河海大學(xué),2006.

[2] 高蓉.中小城市道路地下綜合管線的規(guī)劃與建設(shè)[J].山西建筑,2015(28):22-23.

[3] 國(guó)務(wù)院辦公廳.解讀《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》[J].建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià),2014(5):66-69.

[4] 盧丹丹,譚仁春,郭明武,等.城市地下管線三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào),2017(5)：117-119,124.

[5] 關(guān)麗,丁燕杰,張輝,等.面向數(shù)字城市建設(shè)的三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2017(2)：90-94.

[6] 邱春霞,董乾坤,劉明.傾斜影像的三維模型構(gòu)建與模型優(yōu)化[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(5):31-35.

[7] 陳卓,馬洪超.基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的大型立交橋三維建模方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2012,41(2):252-258.

[8] 孫中昶,盧秀山,田茂義.礦山巷道三維建模算法研究及實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2009，38(3)：250-254.

[9] 羅凌燕,賀軍政,李育東.城市地下管線三維快速建模技術(shù)研究及應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào),2012(9):87-89.

[10] 陳勇,王明洋,張?jiān)?等.淺談城市三維地下管線數(shù)據(jù)建庫(kù)建模[J].測(cè)繪通報(bào),2013(S2):155-156，169.

[11] 王貴武,解智強(qiáng),李世強(qiáng),等.利用海量探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)昆明市地下管線三維建模的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪科學(xué),2009,34(6):122-124.

[12] 吳思,楊艷梅,王明洋,等.一種真三維地下管線井室自動(dòng)建模方法[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2016,33(4):400-404.

[13] 陳玉龍.地下管網(wǎng)三維建模技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京建筑大學(xué),2014.

[14] 徐齊行.基于VTK的城市三維地下管線信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].贛州：江西理工大學(xué),2013.

[15] 彭磊，黃真輝，程平，等.Trimble Realworks在點(diǎn)云數(shù)據(jù)真三維建模中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2017 (6)：155-156.