CN103049624B - 一种基于vrml模型的涵洞可视化设计施工的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于VRML模型的涵洞可视化设计施工的控制方法，本发明的方法把涵洞设计和施工模拟紧密结合，将涵洞二维数字化设计技术和VRML三维实体建模技术充分运用到涵洞的施工控制当中，采用VRML建立的三维实体模型来进行涵洞设计并模拟施工现场，可在施工前通过三维显示设备发现设计和实际施工的不符，从而避免设计误差或人为失误等多种因素产生的返工；并能在三维施工模拟中，通过场景漫游、交互式操作方式寻找最佳设计方案。使用该方法不但能提高设计效率和设计精度，而且能缩短施工周期，减少工程造价。

Description

一种基于VRML模型的涵洞可视化设计施工的控制方法

技术领域

本发明涉及公路、铁路涵洞设计与施工，尤其是涉及一种基于VRML模型的涵洞可视化设计施工的控制方法。

背景技术

现有涵洞设计方法主要以二维设计为主，由于二维设计在路基剖面上进行，在弯道、大纵坡、斜涵等情况下容易产生误差，并且无法考虑三维地形的影响，导致设计完成后，设计图纸和施工现场产生不一致。此外，二维设计还存在直观性差、缺乏空间概念等问题，因此，完全采用二维设计涵洞的技术已经淘汰。

现有的三维设计方法在AUTOCAD系统中完成，其三维可视化功能比较弱，没有VRML模型的贴图技术、动画技术、交互技术，而是以效果图渲染方式实现，效率较低；这种三维设计方法非实时化，不能把涵洞设计和施工紧密结合，导致设计和施工是相对独立的，无法实时模拟施工现场，也无法完成涵洞施工现场实时定位。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提出一种把涵洞设计和施工模拟紧密结合，将涵洞二维数字化设计技术和VRML三维实体建模技术充分运用到涵洞设计和施工控制当中，采用VRML建立的三维实体模型来进行涵洞设计并模拟施工现场的方法。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种方法的特点是：包括以下步骤：

1)建立涵洞经过地段公路VRML三维路面、边坡、地面实体模型；

2)确定涵洞类型及洞口形式，完成二维设计；

3)根据二维设计结果建立涵洞VRML三维实体模型；

4)涵洞三维实体模型镶嵌；

5)涵洞施工现场三维模拟；

6)采用VRML模型控制涵洞施工现场实时定位；

7)利用正向投影法、体积丈量法输出设计成果；

完成步骤6)后，如果涵洞参数发生变化，则回到步骤2)重复进行。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面对照附图并结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种用于某段高速公路的基于VRML模型的涵洞可视化设计与施工控制方法，包括以下步骤：

步骤1)建立涵洞经过地段公路VRML三维路面、边坡、地面实体模型；

步骤1-1)获取涵洞经过地段公路路线测量数据：路线平面逐桩坐标数据、路线两侧地面线数据；

所述涵洞是公路或铁路与沟渠相交的地方使水从路下流过的通道，作用与桥相同，但一般孔径较小，形状有管形、箱形及拱形等。此外，涵洞还是一种洞穴式水利设施，有闸门以调节水量。

步骤1-2)获取涵洞经过地段设计数据，包括：路线路基设计数据、路线边坡数据、坡脚线数据；由于设计考虑批量化设计，在同一条公路路线上，可以考虑一次性获取多个涵洞经过地段的公路路线测量数据和设计数据。

所述路基是按照路线位置和一定技术要求修筑的作为路面基础的带状构造物，是铁路和公路的基础；

步骤1-3)根据路线平面逐桩坐标数据和路线路基设计数据建立公路路面VRML三维模型，首先计算出每个桩号对应的路面边缘点空间三维坐标，VRML的translation节点定义路面物体的全局坐标偏移值，然后采用VRML的不规则面造型节点IndexedFaceSet节点构建路面三角网模型。

所述VRML(Virtual Real ity Modeling Language)即虚拟现实建模语言。是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，也具有平台无关性。是目前Internet上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言。VRML是虚拟现实造型语言(Virtual Real ity Model ing Language)的简称，本质上是一种面向web，面向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。VRML的对象称为结点，子结点的集合可以构成复杂的景物。结点可以通过实例得到复用，对它们赋以名字，进行定义后，即可建立动态的VR(虚拟世界)。

步骤1-4)给路面模型赋予材质贴图，利用TextureCoordinate节点中的纹理坐标来指定纹理映射，建立真实感的路面三维模型。

步骤1-5)在路面物体上空采用PointLight节点建立点光源，利用diffuseColor、ambientIntensity、specularColor、shininess、t ransparency、emissiveColor来定义路面物体的光照反射系数，让整个场景具备光照效果。

步骤1-6)利用步骤1-2)获取的路线边坡数据、坡脚线数据，计算出公路边坡模型的空间坐标，建立公路边坡三维模型。

所述边坡是为保证公路整基稳定，在公路路基两侧做成的具有一定坡度的坡面；

步骤1-7)利用步骤1-1)获取的路线两侧地面线数据，结合边坡模型的空间坐标，建立公路三维地面模型。

步骤2)确定涵洞类型及洞口形式，完成二维设计；

步骤2-1)确定涵洞设计类型，涵洞类型可以是圆管涵、盖板涵、拱涵等，按涵洞桩号次序整理出各个涵洞的跨径、净高、斜交角度、涵洞沟底地面线数据。

所述圆管涵是涵洞中的一种，为管壁较薄的钢筋混凝土管，主要用于小流量的排水涵洞。所述拱涵是涵洞、通道中的一种，用于水或人以及小型机车由道路下面穿越，采用拱形顶板，一般而言，是利用拱结构良好的抗压性能，适合涵洞上部填土路堤较高的情况。

步骤2-2)建立通用图数据查询机制。将涵洞通用图中的不同涵洞类型、填土高度、跨径、斜交角度的设计规范数据建立数据库，供设计中查询使用。

步骤2-3)建立可视化设计视图。进入第一个涵洞，初步确定涵底标高和涵底纵坡，使用VRML的IndexedLineSet节点在视图中绘制出涵底轮廓线、涵顶轮廓线、沟底地面线，并采用emissiveColor节点区分各种线条颜色；同时根据涵洞桩号和斜交角度以及步骤1-2)获取的路线路基设计数据，在二维视图中绘制出路基立面图；

步骤2-4)进行涵洞洞口设计，设置涵洞洞口类型，在可视化视图中调整洞口参数，使之满足进出口排水需要，并动态调节涵底标高、涵底纵坡，尽量与与沟底地面线吻合

步骤2-5)根据涵洞设计跨径、净高、斜交角度、允许承载力、填土高度等，访问步骤2-2)建立的通用图数据库，查找出合理的设计方案，确定涵洞涵管、盖板、拱圈、涵台、台帽、基础等结构参数以及钢筋配筋信息。

所述盖板涵是洞身由盖板、台帽、涵台、基础和伸缩缝等组成。填土高度为1～8米，甚至可达12米。

所述拱圈是拱涵的主要承重构件，承受桥上传来的全部荷载。并通过它把荷载传递给涵台和基础。

步骤2-6)根据可视化设计中确定的涵长，以及涵洞沉降缝设置的需要，定义涵洞管节布局方法。例如盖板涵设计中需要定义端部斜板、1米板、75厘米板的布设方式。

步骤3)根据二维设计结果建立涵洞VRML三维实体模型；

步骤3-1)使用VRML建模语言建立标准件三维模型库，将涵洞三维模型分割为：涵管、盖板、拱圈、涵台、台帽、支撑梁、基础、各种洞口等，物体中心坐标全部移动到坐标原点(0，0，0)，并将这些标准件各自以不同的VRML模型文件存储。

步骤3-2)建立当前设计涵洞的VRML模型坐标体系，以涵洞流水方向为X坐标轴、路基中心线为Y坐标轴，两线相交点为坐标原点。并定义X坐标值在路基中心线右侧为正值，左侧为负值；Y坐标值在涵底中心上方为正，下方为负。

步骤3-3)根据步骤2-6)得出的涵洞管节布局方法，按照涵洞实际构造，根据涵洞的涵管、盖板、拱圈、涵台、台帽、支撑梁、基础、各种洞口的实际尺寸，采用VRML的Inline节点调用各自的标准件三维模型库，并使用translation、rotation、scale节点控制模型空间坐标、角度、大小，分别建立每个管节的实体模型，定义为涵洞细部模型，每一个涵洞细部模型均为独立物体，并分别编号管理。

步骤3-4)使用VRML的TouchSensor接触传感器，为每个涵洞细部模型单独建立控制节点，用于动态装配和控制。

步骤3-5)根据步骤3-2)建立的VRML模型坐标体系，并参照涵底纵坡，计算出每个管节所处的X，Y坐标，将步骤3-3)建立的涵洞细部模型装配为一个完整的涵洞三维实体模型。

步骤4)涵洞三维实体模型镶嵌；

根据涵洞斜交角度将涵洞三维实体模型镶嵌到路线模型。

步骤4-1)根据步骤1)建立的公路VRML三维路面、边坡、地面实体模型，获取涵洞中心涵底的空间坐标，使用VRML的translation节点将步骤3)建立的涵洞三维实体模型装配到该点。

步骤4-2)采用VRML的rotation节点，根据涵洞的斜交角度和路线方位角，将涵洞三维实体模型旋转至实际位置；

步骤4-3)关闭涵洞三维实体模型的显示，在端部管节位置，沿着旋转后涵管的内壁方向建立一个虚拟物体，如果是盖板涵，该物体为长宽分别为跨径和净高的立方体，如果是圆管涵，该物体为直径为内管径的圆柱体，然后使用左右侧路基分别与进出口的虚拟物体做布尔运算，得到挖洞后的路基三维模型。

步骤4-4)显示隐藏的涵洞三维实体模型，完成涵洞三维实体模型的镶嵌。

步骤5)涵洞施工现场三维模拟；

按常规设计方法，完成步骤2)之后，已经可以生成设计图纸，并按图进行施工。但是，由于路线纵坡、路线弯道、洞口交角的影响，在很多细节问题上，实际的施工现场和二维图纸上的计算值将会存在一定出入，如施工完成后再去调整，将影响工程质量和工程进度。本步骤通过VRML三维模型模拟施工后涵洞和公路路基衔接情况。

步骤5-1)通过三维显示设备，在三维视图中观看装配好的涵洞三维实体模型，查看涵洞进出口与路基边坡的衔接情况。

步骤5-2)通过撰写VRML脚本语言实现VRML的虚拟测量功能，直接获取每个涵洞细部实体任何部位的精确坐标和角度，这个坐标和角度和实际施工现场情况完全一致，因此该数据可用于在模拟涵洞施工现场，能对每个部件实现精确定位。

步骤6)采用VRML模型控制涵洞施工现场实时定位；

步骤6-1)在衔接误差较小的情况下，微调整个涵洞三维实体模型，让整个模型在步骤3-2)建立的坐标体系中进行左右平移或上下升降，使得左右进出口与边坡接顺；

步骤6-2)在衔接误差较大的情况下，一般为进出口位置离边坡相差的距离大于管节长度的50％，首先通过Touchsensor接触传感器触发删除或复制物体功能，增减涵洞管节模型，然后微调整个涵洞三维实体模型，让整个模型在步骤3-2)建立的坐标体系中进行左右平移或上下升降，使得左右进出口与边坡接顺；

步骤6-3)由于地形模型的三维可视化，在三维显示设备中，变换不同视点，通过VRML场景漫游方法查看涵洞周边由步骤1-7)建立的公路三维地面模型，如果有更加经济、合理的设计方案，则通过平移、升降、旋转管节模型，寻找最佳设计方案。

步骤6-4)如果涵底升降高差过大，对涵顶填土高度影响过大，导致涵洞的盖板、涵台、基础等发生结构变化，或者涵洞斜交角度发生变化，则以新的涵底高程及涵底纵坡返回到步骤2-4)设计涵洞洞口重新设计，以查找出新的涵洞设计结构参数并重新建立VRML三维模型。

步骤6-5)在施工现场按照步骤5-2)的虚拟测量方法实时更新测量数据，按调整后的模型坐标和方位角，控制涵洞的各个细部模型的精确位置，完成涵洞的施工现场实时定位。

步骤7)利用正向投影法、体积丈量法输出设计成果；

步骤7-1)利用调整后的三维实体，在XY、YZ、XZ三个平面做正向投影，绘制出与三维实体一致的涵洞设计平面图、立面图、剖面图。该成果可根据需求直接用于施工图设计和竣工图设计。

步骤7-2)丈量三维实体的体积，计算出涵体的混凝土或片石用量，并利用步骤2-5)搜索出的钢筋配筋信息来计算整个涵洞的各个标号钢筋用量，最终计算出涵洞的施工工程数量表。该成果可根据需求直接用于施工图设计和竣工图设计。

步骤7-3)回到步骤2-3)，继续进行下一个涵洞的二维设计、三维设计及施工模拟。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于高速公路的基于VRML模型的涵洞可视化设计与施工控制方法，包括以下步骤：

步骤1)建立涵洞经过地段公路VRML三维路面、边坡、地面实体模型；

步骤1-1)获取涵洞经过地段公路路线测量数据：路线平面逐桩坐标数据、路线两侧地面线数据；

步骤1-2)获取涵洞经过地段设计数据，包括：路线路基设计数据、路线边坡数据、坡脚线数据；由于设计考虑批量化设计，在同一条公路路线上，考虑一次性获取多个涵洞经过地段的公路路线测量数据和设计数据；

步骤1-3)根据路线平面逐桩坐标数据和路线路基设计数据建立公路路面VRML三维模型，首先计算出每个桩号对应的路面边缘点空间三维坐标，VRML的translation节点定义路面物体的全局坐标偏移值，然后采用VRML的不规则面造型节点IndexedFaceSet节点构建路面三角网模型；

步骤1-4)给路面模型赋予材质贴图，利用TextureCoordinate节点中的纹理坐标来指定纹理映射，建立真实感的路面三维模型；

步骤1-5)在路面物体上空采用PointLight节点建立点光源，利用diffuseColor、ambientIntensity、specularColor、shininess、transparency、emissiveColor来定义路面物体的光照反射系数，让整个场景具备光照效果；

步骤1-6)利用步骤1-2)获取的路线边坡数据、坡脚线数据，计算出公路边坡模型的空间坐标，建立公路边坡三维模型；

步骤1-7)利用步骤1-1)获取的路线两侧地面线数据，结合边坡模型的空间坐标，建立公路三维地面模型；

步骤2)确定涵洞类型及洞口形式，完成二维设计；

步骤2-1)确定涵洞设计类型，涵洞类型包括圆管涵、盖板涵、拱涵，按涵洞桩号次序整理出各个涵洞的跨径、净高、斜交角度、涵洞沟底地面线数据；

步骤2-2)建立通用图数据查询机制，将涵洞通用图中的不同涵洞类型、填土高度、跨径、斜交角度的设计规范数据建立数据库，供设计中查询使用；

步骤2-3)建立可视化设计视图，进入第一个涵洞，初步确定涵底标高和涵底纵坡，使用VRML的IndexedLineSet节点在视图中绘制出涵底轮廓线、涵顶轮廓线、沟底地面线，并采用emissiveColor节点区分各种线条颜色；同时根据涵洞桩号和斜交角度以及步骤1-2)获取的路线路基设计数据，在二维视图中绘制出路基立面图；

步骤2-4)进行涵洞洞口设计，设置涵洞洞口类型，在可视化视图中调整洞口参数，使之满足进出口排水需要，并动态调节涵底标高、涵底纵坡与沟底地面线吻合；

步骤2-5)根据涵洞设计跨径、净高、斜交角度、允许承载力、填土高度，访问步骤2-2)建立的通用图数据库，查找出合理的设计方案，确定涵洞涵管、盖板、拱圈、涵台、台帽、基础的结构参数以及钢筋配筋信息；

步骤2-6)根据可视化设计中确定的涵长，以及涵洞沉降缝设置的需要，定义涵洞管节布局方法；

步骤3)根据二维设计结果建立涵洞VRML三维实体模型；

步骤3-1)使用VRML建模语言建立标准件三维模型库，将涵洞三维模型分割为：涵管、盖板、拱圈、涵台、台帽、支撑梁、基础、各种洞口，物体中心坐标全部移动到坐标原点(0，0，0)，并将这些标准件各自以不同的VRML模型文件存储；

步骤3-2)建立当前设计涵洞的VRML模型坐标体系，以涵洞流水方向为X坐标轴、路基中心线为Y坐标轴，两线相交点为坐标原点；并定义X坐标值在路基中心线右侧为正值，左侧为负值；Y坐标值在涵底中心上方为正，下方为负；

步骤3-3)根据步骤2-6)得出的涵洞管节布局方法，按照涵洞实际构造，根据涵洞的涵管、盖板、拱圈、涵台、台帽、支撑梁、基础、各种洞口的实际尺寸，采用VRML的Inline节点调用各自的标准件三维模型库，并使用translation、rotation、scale节点控制模型空间坐标、角度、大小，分别建立每个管节的实体模型，定义为涵洞细部模型，每一个涵洞细部模型均为独立物体，并分别编号管理；

步骤3-4)使用VRML的TouchSensor接触传感器，为每个涵洞细部模型单独建立控制节点，用于动态装配和控制；

步骤3-5)根据步骤3-2)建立的VRML模型坐标体系，并参照涵底纵坡，计算出每个管节所处的X，Y坐标，将步骤3-3)建立的涵洞细部模型装配为一个完整的涵洞三维实体模型；

步骤4)涵洞三维实体模型镶嵌；

根据涵洞斜交角度将涵洞三维实体模型镶嵌到路线模型；

步骤4-1)根据步骤1)建立的公路VRML三维路面、边坡、地面实体模型，获取涵洞中心涵底的空间坐标，使用VRML的translation节点将步骤3)建立的涵洞三维实体模型装配到该点；

步骤4-2)采用VRML的rotation节点，根据涵洞的斜交角度和路线方位角，将涵洞三维实体模型旋转至实际位置；

步骤4-3)关闭涵洞三维实体模型的显示，在端部管节位置，沿着旋转后涵管的内壁方向建立一个虚拟物体，盖板涵，该物体为长宽分别为跨径和净高的立方体，圆管涵，该物体为直径为内管径的圆柱体，然后使用左右侧路基分别与进出口的虚拟物体做布尔运算，得到挖洞后的路基三维模型；

步骤4-4)显示隐藏的涵洞三维实体模型，完成涵洞三维实体模型的镶嵌；

步骤5)涵洞施工现场三维模拟；

步骤5-1)通过三维显示设备，在三维视图中观看装配好的涵洞三维实体模型，查看涵洞进出口与路基边坡的衔接情况；

步骤5-2)通过撰写VRML脚本语言实现VRML的虚拟测量功能，直接获取每个涵洞细部实体任何部位的精确坐标和角度，这个坐标和角度和实际施工现场情况完全一致，因此该数据能用于在模拟涵洞施工现场，能对每个部件实现精确定位；

步骤6)采用VRML模型控制涵洞施工现场实时定位；

步骤6-1)微调整个涵洞三维实体模型，让整个模型在步骤3-2)建立的坐标体系中进行左右平移或上下升降，使得左右进出口与边坡接顺；

步骤6-2)进出口位置离边坡相差的距离大于管节长度的50％时，首先通过Touchsensor接触传感器触发删除或复制物体功能，增减涵洞管节模型，然后微调整个涵洞三维实体模型，让整个模型在步骤3-2)建立的坐标体系中进行左右平移或上下升降，使得左右进出口与边坡接顺；

步骤6-3)由于地形模型的三维可视化，在三维显示设备中，变换不同视点，通过VRML场景漫游方法查看涵洞周边由步骤1-7)建立的公路三维地面模型；

步骤6-4)如果涵底升降高差对涵顶填土高度影响导致涵洞的盖板、涵台、基础发生结构变化，或者涵洞斜交角度发生变化，则以新的涵底高程及涵底纵坡返回到步骤2-4)设计涵洞洞口重新设计，以查找出新的涵洞设计结构参数并重新建立VRML三维模型；

步骤6-5)在施工现场按照步骤5-2)的虚拟测量方法实时更新测量数据，按调整后的模型坐标和方位角，控制涵洞的各个细部模型的精确位置，完成涵洞的施工现场实时定位；

步骤7)利用正向投影法、体积丈量法输出设计成果；

步骤7-1)利用调整后的三维实体，在XY、YZ、XZ三个平面做正向投影，绘制出与三维实体一致的涵洞设计平面图、立面图、剖面图；

步骤7-2)丈量三维实体的体积，计算出涵体的混凝土或片石用量，并利用步骤2-5)搜索出的钢筋配筋信息来计算整个涵洞的各个标号钢筋用量，最终计算出涵洞的施工工程数量表；

步骤7-3)回到步骤2-3)，继续进行下一个涵洞的二维设计、三维设计及施工模拟。