市政管道三维设计软件的研究

摘要：一直以来，我国市政行业以二维设计为主，很少采用三维设计，但近年来，由于市场需求和技术进步，越来越多的设计院开始重视BIM技术，全国主要设计院已开始研究BIM技术，并在部分项目上进行了使用，但由于多方面的原因，BIM技术并没有全面铺开。本文针对市政管道三维设计，提出一种解决方案。

关键词：市政管道 BIM 三维设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）03-0000-00

我公司在2008年开发了市政道路与给排水工程综合协同设计系统（简称MEDS），MEDS是一款二维设计软件，在过去几年发挥了重要作用。近年来，BIM技术在市政行业正引起越来越高的关注度，很多市政设计院已开始研究并逐渐实施BIM，BIM的一项重要技术就是三维设计。为此，我公司决定首先进行市政管道三维设计技术的研究。

三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础。它是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化，更形象化的一种新兴设计方法。

三维软件的优点：

（1）真正的所见即所得，看到的图形是什么样子，做出的东西就是什么样子，模型直观，容易看懂；二维图的本质都是点和线，所见不是所得。

（2）真正的参数化设计，几何关系明确，几何约束清晰，修改方便、快速、简单； 二维设计的参数化其实是借用了三维设计的参数化概念，二维图在本质上是没有真正的实体的，所谓实体，实际是想象，即使是搞所谓参数化设计，由于其自身局限性，不能和三维参数化相比。

（3）真正的干涉检查，三维模型实体和最后的实物一样，实物之间的几何关系也一样，图形中的干涉现象就是实际现象；二维图纸缺乏空间关系，即便通过计算机程序判断，由于多种原因，比如，图形对象比例不一致，可能有误判情况。

（4）真正的立足于设计，设计与出图分离，设计人员集中精力搞设计，不用关心最后出图，做二维设计时，设计人员总会关心出图是否好看，数据是否好看等等。

（5）真正的一一对应，由于三维实体模型的存在，我们可以任意的从不同角度去剖切实体，得到剖面图，任何剖面图一定和实体对应，绝无误差；三维模型剖切非常快，也没技术含量；二维图纸本身是无法剖切的，在二维图纸基础上画剖视图，必须要非常专业，绘图过程复杂，并且容易出错或存在误差，容易造成各视图不一致现象。

（6）真正的设计、施工、运营相结合，BIM模型不仅用于设计，并可利用于施工、运行等各层面；

（7）可进行动态漫游，浏览设计效果；

（8）辅助虚拟仿真，例如雨水收集效果是否达到预期，污水管的排水能力如何，给水管送水效果是否达到预期。

1 软件的总体设计

软件针对市政行业特点，开发一个专业设计软件，能够进行管道三维设计（含箱涵），但成果图必须是二维图纸，能够用于施工，主要成果图包括平面图、检查井要素表、支管检查井要素表、工程量表、检查井标牌、土石方计算、纵断面图。

运行环境：操作系统为Windows 7，.NET3.5环境，CPU要求在2G以上，内存2G以上，主要支撑软件为Microsoft Office 2007，CIVIL 3D。

开发工具：Visual Studio 2012，CIVIL 3D。

功能规定：（1）三维设计环境、三维设计过程，管道、箱涵、检查井、雨水口、雨水口连接管、自然地形均为三维实体；（2）常用数据的设置，例如默认设计数据，默认出图数据等等；（3）自然地形建模；（4）设计道路建模；（5）各类检查井参数化建模（类型很多）；（6）各类阀门、管件等参数化建模（类型很多）；（7）各类雨水口参数化建模；（8）直管、弯管的参数化建模；（9）箱涵的参数化建模，直线井、结合井的参数化建模；（10）设计过程中允许用户对各实体的操作，包含新建、删除、修改、移动、复制等；（11）设计完毕后，能够根据三维图形及时生成二维图纸，并按照有关设置标注，得到符合用户要求的图纸。（12）确保设计数据安全。

管道设计流程如图1所示。

2 重点、难点

2.1实体对象的三维参数化建模

市政管道设计中的三维实体对象主要包括自然地形、设计道路、管道、节点（检查井、阀件等）、雨水口。

（1）自然地形：一般情况，勘测单位会提供地形图，这些地形图有的是散点，有的是等高线，CIVIL 3D已具备处理地形图的功能，能够生成三维地形图。如果勘测单位提供数据文件，那么，我们可以开发一个程序，根据数据文件提供的坐标，在CIVIL 3D中绘制出散点，再根据散点生成三维地形图。（2）设计道路：根据道路中线、竖曲线、道路横断面模型，绘制三维道路。如果道路各板块比较规则，则容易绘制，如果变化很大，则会很复杂。因此，我们第一阶段，主要绘制比较规则的道路，对于板块（边线）变化复杂的情况，需要进行简化处理，毕竟，我们的主要工作是做管道，复杂道路的三维图需要专门的三维道路软件处理。（3）管道：管道三维图形很简单，首先确定管道三维中心线，根据管径进行拉伸即可。（4）节点：种类多，比如圆形检查井、矩形检查井、闸阀井、蝶阀井、支管型消火栓井等等，每一种类型又有不同型号、规格的实体。这种情况，我们将按类型开发一个参数化三维绘图程序，这种程序一般难度不大，但有些费时。（5）雨水口：和节点的情况相似，但要简单些。

2.2三维对象的操作

自然地形和设计道路三维模型只是管道设计的辅助实体，不需要复杂操作。

我们在进行三维建模时，必须对各实体对象赋予属性值，这些属性值可以写在实体的扩展数据或扩展记录里，以便于程序能够识别各实体，从而可以进行相对应的三维实体操作。

管道的三维操作，往往不是独立的。主管、支管、节点、雨水口、雨水口连接管往往需要联动，因此，必须要建立拓扑关系模型，这种拓扑关系模型和二维设计相似，这里就不详述。建立了拓扑关系模型后，我们可以通过命令或实体对象的事件实现关联实体的联动操作。

一般地，三维操作包括增加对象、删除对象、移动等等，根据市政管道的特点，不仅要有单个实体对象的操作，还必须考虑批量处理实体对象的操作。

2.3三维设计完成后，即时自动生成二维图纸。

根据市政管道的特点，施工图不是实体的剖切图，不是简单的视图处理，我们一般出两种图形，平面图和纵断面图，另外附加一些表格数据。

3 模块划分

包含的模块有：基础数据处理模块、基础图形处理模块、自然地形处理模块、设计道路处理模块、管道设计模块、节点设计模块、雨水口设计模块、设计成果图纸处理模块。

4系统主要数据结构

数据结构设计主要是设计对象的有关数据进行设计。

管道数据主要是管道属性：管径、材料、基础、长度、坡度、高程、覆土、埋深、类型；

节点数据主要是节点属性：类型、连接方式、规格、高程；

雨水口数据主要是雨水口属性：类型、规格、高程；

雨水口连接管数据主要是雨水口连接管属性：管径、长度、坡度、高程、材料、其他。

5 结语

BIM、三维设计在市政行业还处于研究、探索、局部应用阶段，信息技术与实际设计工作还需要不断地相互适应和更深的融合，设计人员与开发人员也需要不断地对新的设计方法提高认识，相信在不远的将来，BIM、三维设计将成为市政行业设计的主流解决问题的方法。