專利名稱：一種基于vrml模型的涵洞可視化設(shè)計(jì)施工的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及公路、鐵路涵洞設(shè)計(jì)與施工，尤其是涉及一種基于VRML模型的涵洞可視化設(shè)計(jì)施工的控制方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有涵洞設(shè)計(jì)方法主要以二維設(shè)計(jì)為主，由于二維設(shè)計(jì)在路基剖面上進(jìn)行，在彎道、大縱坡、斜涵等情況下容易產(chǎn)生誤差，并且無法考慮三維地形的影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)圖紙和施工現(xiàn)場產(chǎn)生不一致。此外，二維設(shè)計(jì)還存在直觀性差、缺乏空間概念等問題，因此，完全采用二維設(shè)計(jì)涵洞的技術(shù)已經(jīng)淘汰?，F(xiàn)有的三維設(shè)計(jì)方法在AUTOCAD系統(tǒng)中完成，其三維可視化功能比較弱，沒有VRML模型的貼圖技術(shù)、動(dòng)畫技術(shù)、交互技術(shù)，而是以效果圖渲染方式實(shí)現(xiàn)，效率較低；這種三維設(shè)計(jì)方法非實(shí)時(shí)化，不能把涵洞設(shè)計(jì)和施工緊密結(jié)合，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和施工是相對獨(dú)立的，無法實(shí)時(shí)模擬施工現(xiàn)場，也無法完成涵洞施工現(xiàn)場實(shí)時(shí)定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種把涵洞設(shè)計(jì)和施工模擬緊密結(jié)合，將涵洞二維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和VRML三維實(shí)體建模技術(shù)充分運(yùn)用到涵洞設(shè)計(jì)和施工控制當(dāng)中，采用VRML建立的三維實(shí)體模型來進(jìn)行涵洞設(shè)計(jì)并模擬施工現(xiàn)場
的方法。
本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案予以解決。
這種方法的特點(diǎn)是包括以下步驟
I)建立涵洞經(jīng)過地段公路VRML三維路面、邊坡、地面實(shí)體模型；
2)確定涵洞類型及洞口形式，完成二維設(shè)計(jì)；
3)根據(jù)二維設(shè)計(jì)結(jié)果建立涵洞VRML三維實(shí)體模型；
4)涵洞三維實(shí)體模型鑲嵌；
5)涵洞施工現(xiàn)場三維模擬；
6)采用VRML模型控制涵洞施工現(xiàn)場實(shí)時(shí)定位；
7)利用正向投影法、體積丈量法輸出設(shè)計(jì)成果；
完成步驟6)后，如果涵洞參數(shù)發(fā)生變化，則回到步驟2)重復(fù)進(jìn)行。


圖1是本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面對照附圖并結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
一種用于某段高速公路的基于VRML模型的涵洞可視化設(shè)計(jì)與施工控制方法，包括以下步驟步驟I)建立涵洞經(jīng)過地段公路VRML三維路面、邊坡、地面實(shí)體模型；步驟1-1)獲取涵洞經(jīng)過地段公路路線測量數(shù)據(jù)路線平面逐樁坐標(biāo)數(shù)據(jù)、路線兩側(cè)地面線數(shù)據(jù)；所述涵洞是公路或鐵路與溝渠相交的地方使水從路下流過的通道，作用與橋相同，但一般孔徑較小，形狀有管形、箱形及拱形等。此外，涵洞還是一種洞穴式水利設(shè)施，有閘門以調(diào)節(jié)水量。步驟1-2)獲取涵洞經(jīng)過地段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括路線路基設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、路線邊坡數(shù)據(jù)、坡腳線數(shù)據(jù)；由于設(shè)計(jì)考慮批量化設(shè)計(jì)，在同一條公路路線上，可以考慮一次性獲取多個(gè)涵洞經(jīng)過地段的公路路線測量數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。所述路基是按照路線位置和一定技術(shù)要求修筑的作為路面基礎(chǔ)的帶狀構(gòu)造物，是鐵路和公路的基礎(chǔ)；步驟1-3)根據(jù)路線平面逐樁坐標(biāo)數(shù)據(jù)和路線路基設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立公路路面VRML三維模型，首先計(jì)算出每個(gè)樁號(hào)對應(yīng)的路面邊緣點(diǎn)空間三維坐標(biāo)，VRML的translation節(jié)點(diǎn)定義路面物體的全局坐標(biāo)偏移值，然后采用VRML的不規(guī)則面造型節(jié)點(diǎn)IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)構(gòu)建路面三角網(wǎng)模型。所述VRML (Virtual Real ity Modeling Language)即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言。是一種用于建立真實(shí)世界的場景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言，也具有平臺(tái)無關(guān)性。是目前Internet上基于WWW的三維互動(dòng)網(wǎng)站制作的主流語言。VRML是虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言(Virtual Real ity Model ing Language)的簡稱，本質(zhì)上是一種面向web,面向?qū)ο蟮娜S造型語言，而且它是一種解釋性語言。VRML的對象稱為結(jié)點(diǎn)，子結(jié)點(diǎn)的集合可以構(gòu)成復(fù)雜的景物。結(jié)點(diǎn)可以通過實(shí)例得到復(fù)用，對它們賦以名字，進(jìn)行定義后，即可建立動(dòng)態(tài)的VR (虛擬世界)。步驟1-4)給路面模型賦予材質(zhì)貼圖，利用TextureCoordinate節(jié)點(diǎn)中的紋理坐標(biāo)來指定紋理映射，建立真實(shí)感的路面三維模型。步驟1-5)在路面物體上空采用PointLight節(jié)點(diǎn)建立點(diǎn)光源,利用diffuseColor、ambientIntensity> specularColor、shininess、t ransparency、emissiveColor 來定義路面物體的光照反射系數(shù)，讓整個(gè)場景具備光照效果。步驟1-6)利用步驟1-2)獲取的路線邊坡數(shù)據(jù)、坡腳線數(shù)據(jù)，計(jì)算出公路邊坡模型的空間坐標(biāo)，建立公路邊坡三維模型。所述邊坡是為保證公路整基穩(wěn)定，在公路路基兩側(cè)做成的具有一定坡度的坡面；步驟1-7)利用步驟1-1)獲取的路線兩側(cè)地面線數(shù)據(jù)，結(jié)合邊坡模型的空間坐標(biāo)，建立公路三維地面模型。步驟2)確定涵洞類型及洞口形式，完成二維設(shè)計(jì)；步驟2-1)確定涵洞設(shè)計(jì)類型，涵洞類型可以是圓管涵、蓋板涵、拱涵等，按涵洞樁號(hào)次序整理出各個(gè)涵洞的跨徑、凈高、斜交角度、涵洞溝底地面線數(shù)據(jù)。所述圓管涵是涵洞中的一種，為管壁較薄的鋼筋混凝土管，主要用于小流量的排水涵洞。所述拱涵是涵洞、通道中的一種，用于水或人以及小型機(jī)車由道路下面穿越，采用拱形頂板，一般而言，是利用拱結(jié)構(gòu)良好的抗壓性能，適合涵洞上部填土路堤較高的情況。
步驟2-2)建立通用圖數(shù)據(jù)查詢機(jī)制。將涵洞通用圖中的不同涵洞類型、填土高度、跨徑、斜交角度的設(shè)計(jì)規(guī)范數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，供設(shè)計(jì)中查詢使用。步驟2-3)建立可視化設(shè)計(jì)視圖。進(jìn)入第一個(gè)涵洞，初步確定涵底標(biāo)高和涵底縱坡，使用VRML的IndexedLineSet節(jié)點(diǎn)在視圖中繪制出涵底輪廓線、涵頂輪廓線、溝底地面線，并采用emissiveColor節(jié)點(diǎn)區(qū)分各種線條顏色；同時(shí)根據(jù)涵洞樁號(hào)和斜交角度以及步驟1-2)獲取的路線路基設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在二維視圖中繪制出路基立面圖；步驟2-4)進(jìn)行涵洞洞口設(shè)計(jì)，設(shè)置涵洞洞口類型，在可視化視圖中調(diào)整洞口參數(shù)，使之滿足進(jìn)出口排水需要，并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)涵底標(biāo)高、涵底縱坡，盡量與與溝底地面線吻合步驟2-5)根據(jù)涵洞設(shè)計(jì)跨徑、凈高、斜交角度、允許承載力、填土高度等，訪問步驟2-2)建立的通用圖數(shù)據(jù)庫，查找出合理的設(shè)計(jì)方案，確定涵洞涵管、蓋板、拱圈、涵臺(tái)、臺(tái)帽、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及鋼筋配筋信息。所述蓋板涵是洞身由蓋板、臺(tái)帽、涵臺(tái)、基礎(chǔ)和伸縮縫等組成。填土高度為I 8米，甚至可達(dá)12米。所述拱圈是拱涵的主要承重構(gòu)件，承受橋上傳來的全部荷載。并通過它把荷載傳遞給涵臺(tái)和基礎(chǔ)。步驟2-6)根據(jù)可視化設(shè)計(jì)中確定的涵長，以及涵洞沉降縫設(shè)置的需要，定義涵洞管節(jié)布局方法。例如蓋板涵設(shè)計(jì)中需要定義端部斜板、I米板、75厘米板的布設(shè)方式。步驟3)根據(jù)二維設(shè)計(jì)結(jié)果建立涵洞VRML三維實(shí)體模型；步驟3-1)使用VRML建模語言建立標(biāo)準(zhǔn)件三維模型庫，將涵洞三維模型分割為涵管、蓋板、拱圈、涵臺(tái)、臺(tái)帽、支撐梁、基礎(chǔ)、各種洞口等，物體中心坐標(biāo)全部移動(dòng)到坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0,0),并將這些標(biāo)準(zhǔn)件各自以不同的VRML模型文件存儲(chǔ)。步驟3-2)建立當(dāng)前設(shè)計(jì)涵洞的VRML模型坐標(biāo)體系，以涵洞流水方向?yàn)閄坐標(biāo)軸、路基中心線為Y坐標(biāo)軸，兩線相交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。并定義X坐標(biāo)值在路基中心線右側(cè)為正值，左側(cè)為負(fù)值；Y坐標(biāo)值在涵底中心上方為正，下方為負(fù)。步驟3-3)根據(jù)步驟2-6)得出的涵洞管節(jié)布局方法，按照涵洞實(shí)際構(gòu)造，根據(jù)涵洞的涵管、蓋板、拱圈、涵臺(tái)、臺(tái)帽、支撐梁、基礎(chǔ)、各種洞口的實(shí)際尺寸，采用VRML的Inline節(jié)點(diǎn)調(diào)用各自的標(biāo)準(zhǔn)件三維模型庫，并使用translation、rotation、scale節(jié)點(diǎn)控制模型空間坐標(biāo)、角度、大小，分別建立每個(gè)管節(jié)的實(shí)體模型，定義為涵洞細(xì)部模型，每一個(gè)涵洞細(xì)部模型均為獨(dú)立物體，并分別編號(hào)管理。步驟3-4)使用VRML的TouchSensor接觸傳感器，為每個(gè)涵洞細(xì)部模型單獨(dú)建立控制節(jié)點(diǎn)，用于動(dòng)態(tài)裝配和控制。步驟3-5)根據(jù)步驟3-2)建立的VRML模型坐標(biāo)體系，并參照涵底縱坡，計(jì)算出每個(gè)管節(jié)所處的X，Y坐標(biāo)，將步驟3-3)建立的涵洞細(xì)部模型裝配為一個(gè)完整的涵洞三維實(shí)體模型。步驟4)涵洞三維實(shí)體模型鑲嵌；根據(jù)涵洞斜交角度將涵洞三維實(shí)體模型鑲嵌到路線模型。步驟4-1)根據(jù)步驟I)建立的公路VRML三維路面、邊坡、地面實(shí)體模型，獲取涵洞中心涵底的空間坐標(biāo)，使用VRML的translation節(jié)點(diǎn)將步驟3)建立的涵洞三維實(shí)體模型裝配到該點(diǎn)。
步驟4-2)采用VRML的rotation節(jié)點(diǎn),根據(jù)涵洞的斜交角度和路線方位角，將涵洞三維實(shí)體模型旋轉(zhuǎn)至實(shí)際位置；步驟4-3)關(guān)閉涵洞三維實(shí)體模型的顯示，在端部管節(jié)位置，沿著旋轉(zhuǎn)后涵管的內(nèi)壁方向建立一個(gè)虛擬物體，如果是蓋板涵，該物體為長寬分別為跨徑和凈高的立方體，如果是圓管涵，該物體為直徑為內(nèi)管徑的圓柱體，然后使用左右側(cè)路基分別與進(jìn)出口的虛擬物體做布爾運(yùn)算，得到挖洞后的路基三維模型。步驟4-4)顯示隱藏的涵洞三維實(shí)體模型，完成涵洞三維實(shí)體模型的鑲嵌。步驟5)涵洞施工現(xiàn)場三維模擬；按常規(guī)設(shè)計(jì)方法，完成步驟2)之后，已經(jīng)可以生成設(shè)計(jì)圖紙，并按圖進(jìn)行施工。但是，由于路線縱坡、路線彎道、洞口交角的影響，在很多細(xì)節(jié)問題上，實(shí)際的施工現(xiàn)場和二維圖紙上的計(jì)算值將會(huì)存在一定出入，如施工完成后再去調(diào)整，將影響工程質(zhì)量和工程進(jìn)度。本步驟通過VRML三維模型模擬施工后涵洞和公路路基銜接情況。步驟5-1)通過三維顯示設(shè)備，在三維視圖中觀看裝配好的涵洞三維實(shí)體模型，查看涵洞進(jìn)出口與路基邊坡的銜接情況。步驟5-2)通過撰寫VRML腳本語言實(shí)現(xiàn)VRML的虛擬測量功能，直接獲取每個(gè)涵洞細(xì)部實(shí)體任何部位的精確坐標(biāo)和角度，這個(gè)坐標(biāo)和角度和實(shí)際施工現(xiàn)場情況完全一致，因此該數(shù)據(jù)可用于在模擬涵洞施工現(xiàn)場，能對每個(gè)部件實(shí)現(xiàn)精確定位。步驟6)采用VRML模型控制涵洞施工現(xiàn)場實(shí)時(shí)定位；步驟6-1)在銜接誤差較小的情況下，微調(diào)整個(gè)涵洞三維實(shí)體模型，讓整個(gè)模型在步驟3-2)建立的坐標(biāo)體系中進(jìn)行左右平移或上下升降，使得左右進(jìn)出口與邊坡接順；步驟6-2)在銜接誤差較大的情況下，一般為進(jìn)出口位置離邊坡相差的距離大于管節(jié)長度的50%,首先通過Touchsensor接觸傳感器觸發(fā)刪除或復(fù)制物體功能,增減涵洞管節(jié)模型，然后微調(diào)整個(gè)涵洞三維實(shí)體模型，讓整個(gè)模型在步驟3-2)建立的坐標(biāo)體系中進(jìn)行左右平移或上下升降，使得左右進(jìn)出口與邊坡接順；步驟6-3)由于地形模型的三維可視化，在三維顯示設(shè)備中，變換不同視點(diǎn)，通過VRML場景漫游方法查看涵洞周邊由步驟1-7)建立的公路三維地面模型，如果有更加經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)方案，則通過平移、升降、旋轉(zhuǎn)管節(jié)模型，尋找最佳設(shè)計(jì)方案。步驟6-4)如果涵底升降高差過大，對涵頂填土高度影響過大，導(dǎo)致涵洞的蓋板、涵臺(tái)、基礎(chǔ)等發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，或者涵洞斜交角度發(fā)生變化，則以新的涵底高程及涵底縱坡返回到步驟2-4)設(shè)計(jì)涵洞洞口重新設(shè)計(jì)，以查找出新的涵洞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)并重新建立VRML三維模型。步驟6-5)在施工現(xiàn)場按照步驟5-2)的虛擬測量方法實(shí)時(shí)更新測量數(shù)據(jù)，按調(diào)整后的模型坐標(biāo)和方位角，控制涵洞的各個(gè)細(xì)部模型的精確位置，完成涵洞的施工現(xiàn)場實(shí)時(shí)定位。步驟7)利用正向投影法、體積丈量法輸出設(shè)計(jì)成果；步驟7-1)利用調(diào)整后的三維實(shí)體，在XY、YZ、XZ三個(gè)平面做正向投影，繪制出與三維實(shí)體一致的涵洞設(shè)計(jì)平面圖、立面圖、剖面圖。該成果可根據(jù)需求直接用于施工圖設(shè)計(jì)和竣工圖設(shè)計(jì)。步驟7-2)丈量三維實(shí)體的體積，計(jì)算出涵體的混凝土或片石用量，并利用步驟2-5)搜索出的鋼筋配筋信息來計(jì)算整個(gè)涵洞的各個(gè)標(biāo)號(hào)鋼筋用量，最終計(jì)算出涵洞的施工工程數(shù)量表。該成果可根據(jù)需求直接用于施工圖設(shè)計(jì)和竣工圖設(shè)計(jì)。步驟7-3)回到步驟2-3)，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)涵洞的二維設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)及施工模擬。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，則應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于VRML模型的涵洞可視化設(shè)計(jì)施工的控制方法，其特征在于，包括如下步驟1)建立涵洞經(jīng)過地段公路VRML三維路面、邊坡、地面實(shí)體模型；2)確定涵洞類型及洞口形式，完成二維設(shè)計(jì)；3)根據(jù)二維設(shè)計(jì)結(jié)果建立涵洞VRML三維實(shí)體模型；4)涵洞三維實(shí)體模型鑲嵌；5)涵洞施工現(xiàn)場三維模擬；6)采用VRML模型控制涵洞施工現(xiàn)場實(shí)時(shí)定位；7)利用正向投影法、體積丈量法輸出設(shè)計(jì)成果。
2.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，完成步驟6)后，如果涵洞參數(shù)發(fā)生變化，則回到步驟2)重復(fù)進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于VRML模型的涵洞可視化設(shè)計(jì)施工的控制方法，本發(fā)明的方法把涵洞設(shè)計(jì)和施工模擬緊密結(jié)合，將涵洞二維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和VRML三維實(shí)體建模技術(shù)充分運(yùn)用到涵洞的施工控制當(dāng)中，采用VRML建立的三維實(shí)體模型來進(jìn)行涵洞設(shè)計(jì)并模擬施工現(xiàn)場，可在施工前通過三維顯示設(shè)備發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和實(shí)際施工的不符，從而避免設(shè)計(jì)誤差或人為失誤等多種因素產(chǎn)生的返工；并能在三維施工模擬中，通過場景漫游、交互式操作方式尋找最佳設(shè)計(jì)方案。使用該方法不但能提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)精度，而且能縮短施工周期，減少工程造價(jià)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103049624SQ20131002203
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者陳國 , 聶復(fù)生, 許景春, 徐世田, 張伯根, 朱海濤 申請人:江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司