CN114818091B - 管道接头bim精细化建模方法及装置、电子设备、存储介质 - Google Patents

管道接头bim精细化建模方法及装置、电子设备、存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种管道接头BIM精细化建模方法及装置，所述方法包括：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。本发明根据真实的管道数据进行插值采样并自动构建保持拓扑正确性的三维接头BIM模型，接头出口管段融合一体，实现精细化建模。

Description

管道接头BIM精细化建模方法及装置、电子设备、存储介质
技术领域
本发明属于计算机建模领域，特别是涉及一种管道接头BIM精细化建模方法及装置、电子设备、存储介质。
背景技术
随着国民经济的快速发展以及社会的不断进步，城市的建设也正经历着一个全新的变革。城市建设不仅在向高空方向延伸，也在向地下方向发展。其中地下管网是城市规划、建设和管理的重要基础信息，也是城市基础设施建设管理工作中尤为重要的一环。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。现代城市地下管网包括给水、雨水、污水、电力、电信、燃气、供热、通信、广播、军事等，具有类型繁多、范围广泛、布局复杂和变化速度快等特点。
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。
地下管网三维建模通常基于手工模型库和自动建模相结合的方法实现，其中多通管道接头结构复杂，基于参数建模的复杂管道接头建模是地下管网三维模型构建的难点。已有的三维管道参数化建模方法，具有以下缺点：（1）三维接头模型效果较差，接头不能很好地与管道套合，且接头的形态与实际效果相差较大；（2）三维接头模型由多个部件组成，各个部件相互独立交叉，导致接头内部封闭不连通，拓扑属性与实际接头不符，难以进行相关拓扑分析；（3）语义信息缺失，不能快速查询接头信息及其所连接管道信息。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种管道接头BIM精细化建模方法及装置、电子设备、存储介质，用于解决现有的管道接头三维模型与实际形态不符的问题。
本发明第一方面，公开一种管道接头BIM精细化建模方法，所述方法包括：
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，得到三维主管模型、三维支管模型和三维管帽模型；
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，连通三维主管模型和三维支管模型；
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。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述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、管帽建模位置坐标具体包括：
设目标多通接头中各管道相连的交点处为P，PA、PB、PC、PD、PE分别为各个管道的二维矢量管线，分别以特征点P为起点，沿着二维矢量管线方向以长度为d进行采样得到点F、G、H、J、K，则PF、PG、PH、PJ、PK构成接头管段；
继续沿着二维矢量管线方向以长度l进行采样得到点F'、G'、H'、J'、K'，则FF'、GG'、HH'、JJ'、KK'构成接头的管帽；
设所有管段中的最大管径为maxR，接头管段位置和管帽位置的计算公式为：
Figure 354365DEST_PATH_IMAGE001
Figure 722897DEST_PATH_IMAGE002
表示接头管段位置，
Figure 211647DEST_PATH_IMAGE003
表示管帽位置。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述根据目标多通接头分布，将目标多通接头分解为主管段、支管段和管帽具体包括：
获取目标多通接头对应的各个管段的管径和各个二维矢量管线之间夹角信息；
将目标多通接头所连管段的管径按照降序排列；
设所有管段中的最大管径为maxR，确定目标多通接头的主管段的规则如下：
1）如果管段管径为最大管径maxR的条数num > 2时，将其中夹角最大的两条管段连接组成主管段；
2）如果管段管径为最大管径maxR的条数num = 2时，将这两条管段连接组成主管段；
3）如果管段管径为最大管径maxR的条数num = 1时，则取最大管径的管段和第二大管径的管段组成主管段，设第二大管径为secondR，则主管段为变径，需要插值主管段中间部分的管径；对主管段中间部分以插值间距m进行插值，主管段的长度为Length，则第t个插值点的管径Rt为：
Figure 683079DEST_PATH_IMAGE004
除主管段外的其余管段均为支管段，按照管帽位置的计算公式确定管帽。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述进行主管段建模具体包括：
根据主管段的两个管段之间的夹角δ的大小判断是否需要对转角进行空间插值：
当δ>3π/4时，不需要对转角进行空间插值，直接对点P处的断面进行采样，结合主管段两端的断面采样点构建主管段几何网格；
当δ≤3π/4时，需要对转角进行空间插值，分别以P为起点，沿着主管段方向以距离k采样得到转角特征点M和N，分别过M和N垂直切割主管段的两个管段，两直线交于点O'，以O'M为弧段采样半径，构建平滑弧段连接点M和N，沿着平滑弧段
Figure 799940DEST_PATH_IMAGE005
以等角度间隔进行采样，采样点表示为
Figure 964205DEST_PATH_IMAGE006
，f为采样点总数，采样点Pe的计算公式为：
Figure 674672DEST_PATH_IMAGE007
分别以点Pe为中心点采样主管段的断面，构建弧形的主管段几何网格；
对主管段进行纹理贴图，纹理贴图坐标根据主管段的几何顶点分布自动采样计算。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述支管段建模和管帽建模具体包括：
支管段建模时，以特征点P为原点，沿着支管段方向为z轴，垂直于z轴为x和y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz，采样计算支管段的管道断面特征点；将断面局部笛卡尔坐标转换到全局笛卡尔坐标系O-XYZ；
管帽建模时，将管帽作为与管段相连的圆筒，管段和圆筒组成一个三维接头模型；设管段的管径为R，则对应的管帽的内径为R，外径为(R+h)，其中h为圆筒厚度，将管段与对应管帽合并建模。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述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具体包括：
分别构建各个管段的封闭几何体，包括管段和管帽；
基于三维支管模型切割三维主管模型，以切除主管段侧壁与支管段封闭几何体在支管段封闭几何体内部的交叉部分，实现主管段与支管段拓扑连通；
基于三维主管模型切割三维支管模型，以切除支管段封闭几何体与主管段封闭几何体在主管段封闭几何体内部的交叉部分，实现支管段在主管段内部多余交叉部分的切除。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述融合切割后的三维主管模型与三维支管模型、三维管帽模型具体包括：
对于三维主管模型或三维支管模型与三维管帽模型的衔接部分，通过几何顶点融合实现管段与管帽一体化；
对于三维主管模型与三维支管模型相互切割后的相交部分，通过几何顶点融合，实现主管段与支管段一体化；
所述几何顶点融合通过检索衔接部分或相交部分的顶点坐标，并判断顶点坐标相似性的方法实现重复点去重操作。
本发明第二方面，公开一种管道接头BIM精细化建模装置，所述装置包括：
数据获取模块：用于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；
矢量裁剪模块：用于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；
三维建模模块：用于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，得到三维主管模型、三维支管模型和三维管帽模型；
模型切割模块：用于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，连通三维主管模型和三维支管模型；
模型融合模块：用于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。
本发明第三方面，公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；
其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现如本发明第一方面所述的方法。
本发明第四方面，公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使计算机实现如本发明第一方面所述的方法。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
（1）本发明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，保持了接头内部拓扑关系的正确性，并通过模型融合实现接头的不同部分之间的一体化融合；
（2）本发明基于切割算法，简化了几何数据量，同时可以进行三维拓扑分析，避免了主管拓扑不连通和支管内部交叉等拓扑属性错误问题；
（3）本发明根据原始二维管线数据和管点矢量数据，通过提取几何和属性信息，根据真实的管道数据进行插值采样并自动构建保持拓扑正确性的三维接头BIM模型，接头出口管段融合一体，管道表面基于真实纹理贴图，三维模型更加精细美观；
（4）本发明构造的三维接头BIM模型是分别对主管段、支管段和管帽单独建模并相互切割、融合而成，这种建模方式保留了丰富的语义信息，比如整体接头属性信息、管段属性信息、管帽属性信息等，便于查询分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的管道接头BIM精细化建模方法流程图；
图2为本发明的二维管线矢量数据处理原理图；
图3为本发明的主管段夹角较大时的采样原理示意图；
图4为本发明的主管段夹角较小时的采样原理示意图；
图5为本发明的主管段纹理贴图原理图；
图6为本发明的支管段建模原理图；
图7为本发明的主管段与管帽合并后的三维建模效果图；
图8为本发明的管道接头三维几何网格俯视图；
图9为本发明的基于三维支管模型切割三维主管模型的几何网格图；
图10为本发明的基于三维主管模型切割三维支管模型的几何网格图；
图11为本发明的管道接头BIM精细化建模模型效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明根据原始二维矢量管线和管点数据，自动构建复杂接头不同部件的三维模型，并基于不同部件相互切割剔除接头内部部分和不连通部分，然后融合接头几何网格并进行挂接各部件语义信息，最终生成精细的三维接头BIM模型。
为了构建三维接头模型，需要对复杂接头进行分解处理。对于复杂管道接头，如四通、五通、六通等，根据其出口数量可以分解为n组管段Segment和边缘凸起Bulge（管帽），则三维接头模型可以表示为
Figure 949796DEST_PATH_IMAGE008
。本发明实施例中取n=5，即以五通接头为例进行说明。
请参阅图1，本发明提出一种管道接头BIM精细化建模方法，所述方法包括：
S1、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。
如图2所示为某个五通接头的二维矢量管线和二维管点数据，管线PA、PB、PC、PD、PE在特征点P处基于五通接头相连。
S2、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。
在构建接头三维模型之前，需要先对二维矢量管线和二维矢量管点数据进行处理和提取。
分别以特征点P为起点，沿着二维矢量管线方向以长度为d进行采样得到点F、G、H、J、K，则PF、PG、PH、PJ、PK构成接头管段；
在各个接头管段的基础上，继续沿着二维矢量管线方向以长度l进行采样得到点F'、G'、H'、J'、K'，则FF'、GG'、HH'、JJ'、KK'构成接头的管帽；
设所有管段中的最大管径为maxR，接头管段位置和管帽位置的计算公式为：
Figure 452321DEST_PATH_IMAGE009
上式中，
Figure 256329DEST_PATH_IMAGE010
表示接头管段位置，
Figure 719672DEST_PATH_IMAGE011
表示管帽位置。
S3、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，得到三维主管模型、三维支管模型和三维管帽模型。
步骤S3具体包括如下分步骤：
S31、目标多通接头分解：
S311、获取目标多通接头对应的各个管段的管径和各个二维矢量管线之间夹角信息；
S312、将目标多通接头所连管段的管径按照降序排列，设为
Figure 391961DEST_PATH_IMAGE012
，n为目标多通接头的管道总数，确定目标多通接头的主管段；
一般可以根据接头所连接管道的半径不同，将接头分解为主管和支管。具体的，结合实际地下管网情况，不同管段的管径可能相同也可能不同，确定目标多通接头的主管段的规则如下：
1）如果管段管径为最大管径maxR的条数num >2时，将其中夹角最大的两条管段连接组成主管段；以两条管段PF、PH为例，PF和PH的夹角α的计算公式为：
Figure 624360DEST_PATH_IMAGE013
2）如果管段管径为最大管径maxR的条数num = 2时，将这两条管段连接组成主管段；
3）如果管段管径为最大管径maxR的条数num = 1时，则取最大管径的管段和第二大管径的管段组成主管段。
设第二大管径为secondR，则主管段为变径，需要插值主管段中间部分的管径，对主管段中间部分以插值间距m进行插值，设主管段的长度为Length，则第t个插值点的管径Rt为：
Figure 864848DEST_PATH_IMAGE014
S32、确定支管段和管帽：
通过步骤S31确定主管段后，将除主管段外的其余管段均作为支管段，比如图2的五通接头中，若管段PG和PK共同组成主管段，则剩余管段PF、PH和PJ则均为支管段。确定主管段和支管段后，基于步骤S2的管帽位置的计算公式确定管帽。
S33、进行主管段建模：
设主管段GPK由管段PG和PK共同组成，根据主管段的两个管段之间的夹角∠GPK的大小δ判断是否需要进行空间插值。
S331、当δ>3π/4时，管段PG和PK之间的夹角较大，管道近似直线，如图3所示，此时不需要对主管段的转角进行空间插值，可以直接对点P处的断面进行采样。
结合P点处的断面采样点及主管段两端的断面采样点，即根据点G、P、K处的断面采样点构建主管段几何网格。过点P处的断面可以由平面方程、管段方程联合求解，设断面法向量为（a，b，c），过P点的平面方程为：
Figure 441585DEST_PATH_IMAGE015
Figure 58511DEST_PATH_IMAGE016
为P点在全局笛卡尔坐标系O-XYZ下的三维坐标。
S332、当δ≤3π/4时，PG和PK之间的夹角较小，管道转角弯折较大，如图4所示，此时需要对主管段的转角进行空间插值，实现对转角的弧段平滑处理，进行空间插值的具体步骤如下：
（1）分别以P为起点，沿着主管段PG、PK方向以距离k采样得到转角特征点M和N，分别过M和N垂直切割管段PG、PK，两直线交于点O'，以O'M为弧段采样半径，构建平滑弧段连接点M和N；
（2）以O'为中心，沿着平滑弧段
Figure 145416DEST_PATH_IMAGE017
以等角度间隔进行采样，采样点表示为
Figure 822385DEST_PATH_IMAGE018
，f为采样点总数，采样点Pe的计算公式为：
Figure 119374DEST_PATH_IMAGE007
（3）分别以点Pe为中心点采样主管段的断面，构建弧形的主管段几何网格；
（4）对主管段进行纹理贴图，纹理贴图坐标根据主管段的几何顶点分布自动采样计算。
具体的，由于接头中管段不同位置的曲率变化不同，其几何顶点的采样密集程度也不同。为了保持接头不同位置的渲染效果，纹理贴图坐标的计算要根据几何顶点分布自动计算。
如图5所示，设三维接头模型几何网格中的一个四边形面片的顶点分别为Pi,j、Pi+1,j、Pi,j+1、Pi+1,j+1，设点Pi,j+1的纹理坐标为(Ui,j+1，Vi,j+1)，纹理坐标对应的几何顶点距离采样间隔为r，依次可以计算点Pi,j、Pi+1,j、Pi+1,j+1的纹理坐标，实现该面片的纹理贴图。其中几何顶点Pi,j的纹理坐标可以计算为：
Figure 8833DEST_PATH_IMAGE019
几何顶点Pi+1,j+1的纹理坐标的计算公式为：
Figure 215823DEST_PATH_IMAGE020
几何顶点Pi+1,j的纹理坐标的计算公式为：
Figure 922748DEST_PATH_IMAGE021
通过以上步骤即完成主管段建模，得到三维主管模型。
S34、进行支管段建模：
以特征点P为原点，沿着支管段方向为z轴，垂直于z轴为x和y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz，采样计算支管段的管道断面特征点；将局部笛卡尔坐标转换到全局笛卡尔坐标系O-XYZ。以支管段PF为例，支管段PF为直管，为了构建直管三维模型，需要对管道表面点进行采样构网，其建模流程为：
（1）以特征点P为原点，沿着支管段PF方向为z轴，垂直于z轴为x和y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz，采样计算管段断面特征点，如图6所示，支管段断面采样点坐标计算方法如下：
Figure 316820DEST_PATH_IMAGE022
其中β为支管段断面上的采样角度弧度值，符号
Figure 275549DEST_PATH_IMAGE023
为向下取整。
（2）将断面局部笛卡尔坐标转换到全局笛卡尔坐标系O-XYZ，具体通过七参数转换法来实现。设采样点在局部笛卡尔坐标系o-xyz的坐标为（x, y, z），在全局笛卡尔坐标系O-XYZ坐标为（X, Y, Z），则转换方程为：
Figure 461680DEST_PATH_IMAGE024
其中s为缩放比例系数，α为局部笛卡尔坐标系x轴与全局笛卡尔坐标系X轴的夹角，β为局部笛卡尔坐标系y轴与全局笛卡尔坐标系Y轴的夹角，γ为局部笛卡尔坐标系z轴与全局笛卡尔坐标系Z轴的夹角，(Xp，Yp，Zp) 为特征点P在全局笛卡尔坐标系的坐标。
S35、进行管帽建模：
将管帽可以处理为一个与管段相连的圆筒，管段和圆筒组成一个三维接头模型。设管段的管径为R，则对应的管帽的内径为R，外径为(R+h)，其中h为圆筒厚度，实际建模时可将各管段与对应管帽合并建模。比如，设圆筒的外管面为outSurface，内管面为innerSurface，左侧管帽为leftCap，右侧管帽为rightCap，则主管段与管帽合并建模可以表示为：
Figure 480451DEST_PATH_IMAGE025
主管段与管帽合并后的三维建模效果如图7所示。
通过步骤S3的建模，得到三维主管模型、三维支管模型和三维管帽模型组成的整体接头模型如图8所示。
S4、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，连通三维主管模型和三维支管模型。
如图8所示，基于主管和支管分别建模的方法构建接头，必然导致中间部分交叉，从而导致三维接头模型内部拓扑关系错误。而三维管道拓扑属性直接与连通分析、净距分析、爆管分析等相关，对于城市规划、地下建设、灾害事故应急等具有重要意义。因此，需要对接头内部进行切割，保持拓扑正确性。
图8中得到的三维接头模型，拓扑属性错误可以分为主管拓扑不连通和支管内部交叉。其中，主管拓扑不连通可以用支管段切割主管段实现，支管内部交叉可以用主管段切割支管段实现。
步骤S4具体包括如下分步骤：
S41、由于管道中间为空，为了方便切割计算，分别构建各个管段的封闭几何体，包括管段和对应的管帽。
以管段PF为例，其封闭几何体Q可以表达为：
Figure 627399DEST_PATH_IMAGE026
其中，Plane表示平面，pipe表示管道，Origin表示原点，Normal表示法向量，Start为起点，End为终点，rF为管段PF的半径。
S42、基于三维支管模型切割三维主管模型，以切除主管段侧壁与支管段封闭几何体在支管段封闭几何体内部的交叉部分，实现主管段与支管段拓扑连通。
S43、基于三维主管模型切割三维支管模型，以切除支管段封闭几何体与主管段封闭几何体在主管段封闭几何体内部的交叉部分，实现支管段在主管段内部多余交叉部分的切除。
以主管段GPK和支管段PF为例，设主管段GPK的封闭几何体为Q2，支管段PF的封闭几何体为Q1，则Q1与Q2相互切割计算可以表达为：
Figure 124239DEST_PATH_IMAGE027
其中，out表示切除，in表示前者被包含在后者里面的部分，
Figure 397832DEST_PATH_IMAGE028
表示Q2被包含在Q1中的部分，即主管段封闭几何体Q2的侧壁与支管段封闭几何体Q1在支管段封闭几何体Q1内部的交叉部分，记为第一交叉部分，如图9所示，图9左侧的图即为主管段侧壁上被切割掉的第一交叉部分，其对应图9右侧的图中的黑圈部分。
Figure 587505DEST_PATH_IMAGE029
表示Q1被包含在Q2中的部分，即支管段封闭几何体Q1与主管段封闭几何体Q2在主管段封闭几何体Q2内部的交叉部分，记为第二交叉部分，如图10所示，图10左侧的图即为支管段上被切割掉的第二交叉部分，其对应图10右侧的图中的黑框部分。
本发明基于实体几何布尔算法进行主管和支管封闭几何体相互切割计算，简化了几何数据量的同时进行三维拓扑分析，避免了主管拓扑不连通和支管内部交叉等拓扑属性错误问题，实现三维主管和支管相互连通。
S5、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。
由于接头模型是通过多个部件组合的方式实现建模，三维主管模型和三维支管模型合并和切割后，必然存在重复顶点的情况。本发明对切割后的三维主管模型与三维支管模型、三维管帽模型进行接头几何顶点融合，几何顶点融合通过检索衔接部分或相交部分顶点坐标，并判断顶点坐标相似性的方法实现重复点去重操作，将顶点相似度高的去除，从而实现三维接头模型一体化。具体重复点去除操作包括以下两种情况：
（1）三维主管模型或三维支管模型与三维管帽模型的衔接部分，通过几何顶点融合实现管段与管帽一体化；
（2）三维主管模型与三维支管模型相互切割后的相交部分，通过几何顶点融合，实现主管段与支管段一体化。
通过三维接头切割融合后，挂接各部件语义信息，最终的五通接头三维模型具有较好的拓扑连通性和可视化效果，如图11所示。
本发明根据目标多通接头的原始二维管线数据和管点矢量数据，提取几何和属性信息，将目标多通接头分解为主管段、支管段和管帽，分别根据真实的管道数据插值采样进行主管段建模、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，保持了接头内部拓扑关系的正确性，并通过模型融合实现接头的不同部分之间的一体化融合，管道表面基于真实纹理贴图，三维模型更加精细美观。
与上述方法实施例相对应，本发明还提出一种管道接头BIM精细化建模装置，所述装置包括：
数据获取模块：用于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；
矢量裁剪模块：用于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；
三维建模模块：用于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，得到三维主管模型、三维支管模型和三维管帽模型；
模型切割模块：用于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，连通三维主管模型和三维支管模型；
模型融合模块：用于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。
以上装置实施例和方法实施例是一一对应的，装置实施例简述之处请参阅方法实施例即可。
本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前述的方法。
本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种管道接头BIM精细化建模方法，其特征在于，所述方法包括：
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，得到三维主管模型、三维支管模型和三维管帽模型；
所述根据目标多通接头分布，将目标多通接头分解为主管段、支管段和管帽具体包括：
获取目标多通接头对应的各个管段的管径和各个二维矢量管线之间夹角信息；
将目标多通接头所连管段的管径按照降序排列；
设所有管段中的最大管径为maxR，确定目标多通接头的主管段的规则如下：
1）如果管段管径为最大管径maxR的条数num > 2时，将其中夹角最大的两条管段连接组成主管段；
2）如果管段管径为最大管径maxR的条数num = 2时，将这两条管段连接组成主管段；
3）如果管段管径为最大管径maxR的条数num = 1时，则取最大管径的管段和第二大管径的管段组成主管段，设第二大管径为secondR，则主管段为变径，需要插值主管段中间部分的管径；对主管段中间部分以插值间距m进行插值，主管段的长度为Length，则第t个插值点的管径Rt为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
除主管段外的其余管段均为支管段，按照管帽位置的计算公式确定管帽；
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，连通三维主管模型和三维支管模型；
所述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具体包括：
分别构建各个管段的封闭几何体，该封闭几何体包括管段和对应的管帽；
基于三维支管模型切割三维主管模型，以切除主管段侧壁与支管段封闭几何体在支管段封闭几何体内部的交叉部分，实现主管段与支管段拓扑连通；
基于三维主管模型切割三维支管模型，以切除支管段封闭几何体与主管段封闭几何体在主管段封闭几何体内部的交叉部分，实现支管段在主管段内部多余交叉部分的切除；
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。
2.根据权利要求1所述的管道接头BIM精细化建模方法，其特征在于，所述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、管帽建模位置坐标具体包括：
设目标多通接头中各管道相连的交点处为P，PA、PB、PC、PD、PE分别为各个管道的二维矢量管线，分别以特征点P为起点，沿着二维矢量管线方向以长度为d进行采样得到点F、G、H、J、K，则PF、PG、PH、PJ、PK构成接头管段；
继续沿着二维矢量管线方向以长度l进行采样得到点F'、G'、H'、J'、K'，则FF'、GG'、HH'、JJ'、KK'构成接头的管帽；
设所有管段中的最大管径为maxR，接头管段位置和管帽位置的计算公式为：
Figure 673299DEST_PATH_IMAGE002
表示接头管段位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示管帽位置。
3.根据权利要求2所述的管道接头BIM精细化建模方法，其特征在于，所述进行主管段建模具体包括：
根据主管段的两个管段之间的夹角δ的大小判断是否需要对转角进行空间插值：
当δ>3π/4时，直接对目标多通接头中各管道相连的交点P处的断面进行采样，结合主管段两端的断面采样点构建主管段几何网格；
当δ≤3π/4时，需要对转角进行空间插值，分别以目标多通接头中各管道相连的交点P为起点，沿着主管段方向以距离k采样得到转角特征点M和N，分别过M和N垂直切割主管段的两个管段，两直线交于点O'，以O'M为弧段采样半径，构建平滑弧段连接点M和N，沿着平滑弧段
Figure 865246DEST_PATH_IMAGE004
以等角度间隔进行采样，采样点表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，f为采样点总数，采样点Pe的计算公式为：
Figure 210777DEST_PATH_IMAGE006
分别以点Pe为中心点采样主管段的断面，构建弧形的主管段几何网格；
对主管段进行纹理贴图，纹理贴图坐标根据主管段的几何顶点分布自动采样计算。
4.根据权利要求2所述的管道接头BIM精细化建模方法，其特征在于，所述支管段建模和管帽建模具体包括：
支管段建模时，以特征点P为原点，沿着支管段方向为z轴，垂直于z轴为x和y轴，构建局部笛卡尔坐标系o-xyz，采样计算支管段的管道断面特征点；将断面局部笛卡尔坐标转换到全局笛卡尔坐标系O-XYZ；
管帽建模时，将管帽作为与管段相连的圆筒，管段和圆筒组成一个三维接头模型；设管段的管径为R，则对应的管帽的内径为R，外径为(R+h)，其中h为圆筒厚度，将管帽与对应管段合并建模。
5.根据权利要求1所述的管道接头BIM精细化建模方法，其特征在于，所述融合切割后的三维主管模型与三维支管模型、三维管帽模型具体包括：
对于三维主管模型或三维支管模型与三维管帽模型的衔接部分，通过几何顶点融合实现管段与管帽一体化；
对于三维主管模型与三维支管模型相互切割后的相交部分，通过几何顶点融合，实现主管段与支管段一体化；
所述几何顶点融合通过检索衔接部分或相交部分的顶点坐标，并判断顶点坐标相似性的方法实现重复点去重操作。
6.一种管道接头BIM精细化建模装置，其特征在于，所述装置包括：
数据获取模块：用于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；
矢量裁剪模块：用于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；
三维建模模块：用于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，得到三维主管模型、三维支管模型和三维管帽模型；所述根据目标多通接头分布，将目标多通接头分解为主管段、支管段和管帽具体包括：
获取目标多通接头对应的各个管段的管径和各个二维矢量管线之间夹角信息；
将目标多通接头所连管段的管径按照降序排列；
设所有管段中的最大管径为maxR，确定目标多通接头的主管段的规则如下：
1）如果管段管径为最大管径maxR的条数num > 2时，将其中夹角最大的两条管段连接组成主管段；
2）如果管段管径为最大管径maxR的条数num = 2时，将这两条管段连接组成主管段；
3）如果管段管径为最大管径maxR的条数num = 1时，则取最大管径的管段和第二大管径的管段组成主管段，设第二大管径为secondR，则主管段为变径，需要插值主管段中间部分的管径；对主管段中间部分以插值间距m进行插值，主管段的长度为Length，则第t个插值点的管径Rt为：
Figure 298818DEST_PATH_IMAGE001
除主管段外的其余管段均为支管段，按照管帽位置的计算公式确定管帽；
模型切割模块：用于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，连通三维主管模型和三维支管模型；所述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具体包括：
分别构建各个管段的封闭几何体，该封闭几何体包括管段和对应的管帽；
基于三维支管模型切割三维主管模型，以切除主管段侧壁与支管段封闭几何体在支管段封闭几何体内部的交叉部分，实现主管段与支管段拓扑连通；
基于三维主管模型切割三维支管模型，以切除支管段封闭几何体与主管段封闭几何体在主管段封闭几何体内部的交叉部分，实现支管段在主管段内部多余交叉部分的切除；
模型融合模块：用于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。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；
其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现如权利要求1~5任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使计算机实现如权利要求1~5任一项所述的方法。
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