地铁车站三维建筑模型自动生成方法与流程

本发明涉及建筑工程计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种地铁车站三维建筑模型自动生成方法。

背景技术：

目前，在轨道交通设施(例如地铁车站)的建设中，地铁建设规划设计过程中大多采用2D的CAD技术，以二维图纸规划设计为主，设计人员都是通过绘制线条、图块，并不断考虑各种因素、条件，不断修改，逐渐完成地铁车站的平面及立体设计。

上述流程导致以下问题：设计人员后续修改设计的时间较长；设计人员人工做的专项设计，发生错误的概率大；在管线改移设计审查时，与会人员提出的修改建议难以当场进行修改和演示，增加了审查的难度，降低了审查的效率，且不易发现问题，易出现设计缺陷。

总之，现有的地铁车站工作流程极易导致工程项目点不易识别、信息协调困难极大的增加了项目施工风险。这些传统的规划设计技术已经很难满足现代化地铁建设需求。

因此，有必要借助计算机辅助设计来降低设计人员的劳动强度，同时也提高设计质量和效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的发明人针对上述技术问题，开发了借助计算机辅助设计的地铁车站三维建筑模型自动生成方法。本发明通过对各种信息条件统一进行运算和处理，根据设计标准和经验，自动完成车站设计，并通过运算优化得到更加合理的车站模型。

从模型的角度看，地铁车站变化非常多，发明人通过前期的大量调研，包括对已有设计成果的研究，整理出了决定一个车站各个建筑模型的参数种类，并开发了车站建筑模型之间的位置关系和参数计算方法。本发明针对地铁车站的车站用房特点以及走廊等空间要素，自动生成地铁车站建筑三维模型。

可选地，后续还可根据各个专业的管线需求和空间条件，自动在适当区域(例如走廊顶部)生成各个专业管线的三维模型，进一步与地铁车站建筑三维模型整合成完整的地铁车站三维建筑模型。

根据本发明的实施例，提供了一种地铁车站三维建筑模型自动生成方法，包括以下步骤：步骤1、获取车站参数和房间参数；步骤2、根据车站参数和房间参数生成用于排布房间的轮廓；步骤3、根据车站房间的类型和房间优先级、以及所述轮廓的不同区域的区域优先级，在生成的轮廓内的不同区域进行房间的排布；步骤4、根据房间的排布结果生成地铁车站三维建筑模型。

因此，本发明的有益效果主要在于：房间布局速度快、效率高；设计方法简单易学、适应性强；经过算法优化，设计方案更加合理设计质量得到保证。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的地铁车站三维建筑模型自动生成方法的流程示意图；

图2为根据本发明的实施例的地铁车站三维建筑模型自动生成方法中的房间排布的流程示意图；

图3示出了根据本发明的实施例的安装了应用程序的系统的运行环境。

具体实施方式

下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任 何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

下文中，将描述用于实现本发明的实施例。

图1为根据本发明的实施例的地铁车站三维建筑模型自动生成方法的流程示意图。

车站建筑设计是地铁车站三维建筑模型生成的主要内容之一，车站建筑的模型包括车站外墙、车站内墙(房间)、门窗、楼梯，柱子等。根据本发明的实施例，地铁车站三维建筑模型的自动生成，主要分为相互关联的以下步骤：

步骤1(S10)、获取车站参数和房间参数；

步骤2(S20)、根据车站参数和房间参数生成用于排布房间的轮廓；

步骤3(S30)、根据预定规则，在生成的轮廓内进行房间的排布；

步骤4(S40)、根据房间的排布结果生成地铁车站三维建筑模型。

其中，车站参数和房间参数不仅包含了用户根据设计对象的设计要求，也包括通过这些参数运算得到的计算所用到的设计参数。

车站参数可分为多个大类，主要用于确定车站总体体量，各个功能区域的大小和位置，以及一些模型的公共参数，比如墙厚等等。

房间参数决定了车站内房间需要布局的房间的数量、大小、相互关系等参数，用于车站内部房间的排布。

用户根据前期车站总体要求，选择车站内房间，并修正参数，得到这个车站用到的所有房间参数。

房间参数可包括：

1、房间表数据，包含3个部分，即：

1)用房库，包括所有房间的名称和配置的门参数；

2)工区用房库，描述了每个工区包含的房间；

3)位置库，描述了各个房间中间的关系，房间面积等特征参数，系统根据选择的车站参数，自动组合出一个车站的用房表。

2、组团库，用于定义一组房间整体布置的方式，以图库形式存在。

下面说明车站外框的自动生成过程。

车站外框的生成过程，是按照车站参数提供的参数，经过运算得到，然后通过CAD平台提供的工具绘制完成。

车站外框被分为公共区、用房区、通风机房区，分别由车站参数计算得到相关参数，具体的数据关系如下：

1、车站主体纵向长度规模

纵向长度＝公共区纵向柱跨宽度×公共区纵向柱跨数量+公共区变形缝跨度+设备区纵向柱跨数量+通风机房纵向柱跨宽度+端头风道纵向柱距

其中，公共区纵向柱跨宽度的关联要素包括：车型、工法、横跨形式。

公共区纵向柱跨数量的关联要素包括：编组、车型、工法、横跨形式。

公共区变形缝跨度的关联要素包括：车型、编组、横跨形式、工法(暗挖没有，明挖有)。

设备区纵向柱跨数量的关联要素包括：车型、工法、横跨形式、站台宽度、变电所类型、站台形式、通风模式(需要预留后2项接口)。

通风机房纵向柱跨宽度的关联要素包括：通风模式、工法、横跨形式。

端头风道纵向柱距的关联要素包括：通风模式、盾构井类型、盾构机尺寸。

2、车站横向柱距

其关联关系包括：车型、站台宽度、横跨形式。

3、有效站台长度

其关联要素包括：车型、编组。

4、轨道中心线

其关联要素包括：车型。

此外，由于配线的存在，车站当中的部分柱子，必须避让配线而进行位 置调整，相关流程如下：

a)从线路岔心开始向车站远端计算，结构柱边缘距离线路中心线最近点小于2150mm时，按照2150mm向站台宽度内侧进行横向平移。

b)当根据线路偏移的结构柱之间距离小于1500mm时，两个结构柱合并为一个700*1000结构柱。

c)结构柱距离线路线小于2000mm时，则结构柱取消，按照配线形式确定结构柱位。

d)当两条正线与单渡线或是停车线的线路线之间距离大于5000mm时，则需要按照柱跨关系增加一个700*1000的结构柱；增设位置距离正线线路线2150mm。

此外，对于选择外挂形式设置的地铁车站，获取外挂站主体的大端、小端、外挂部分的墙体极限位置。外挂车站外框设计是由用户先根据地形条件，划定范围红线(控制线)，也就是车站的最大范围，再根据用房情况，综合得到最为合理的外框模型。

下面说明车站内部房间自动排布的方法。

图2为根据本发明的实施例的地铁车站三维建筑模型自动生成方法中的房间排布的流程示意图。

如图2所示，车站内部的房间排布分为站厅层布置和站台层布置两个部分，以站厅层布置为主，站台层布局根据上下层对应关系和房间大小和数量完成布局。

1、站厅层房间布置

站厅大端采用U型通道设计、并将用房区分割为分为三个空调分区，依照空调分区，将在大端放置的房间按空调类别，安排在三个分区中，然后依照房间位置关系，排布每个分区的房间，并依据空调分区房间面积均衡的要求，调整部分房间的位置。

总体上，房间布置包括以下排布规则：

1)固定房间排布规则：首先排布固定位置的房间(包括组团，固定位置包括区域两个端部)，然后按相邻关系排布相关房间。其次考虑不可跨区房间 按临近原则，向外顺序布置。

2)可调房间(跨区)排布规则：

固定房间布置完毕以后，顺序(大小及方向)布置本区可跨区房间，如果布置不下的可调房间作为可调房间布置到其他有空余区域中。其他区域中(1,3区)，首先布置本区域可调房间，然后布置其他分区调配过来的可调房间，布置其他区域可调房间时，按房间大小顺序，依照交替领先原则，交叉放置到空调分区中，并记录各自延伸到公共区的距离。

其中，需要考虑组团位置、柱子影响、门的布置、距离模式整合等等细节问题。

房间分区需要进行通道定位，具体步骤如下。

沿默认的公共区与用房区分界线开始搜索柱子(注意变跨位置的柱子)，未变跨位置，以两排柱子外边为通道墙的内边，通道宽2000mm；变跨位置，按下图形式确认通道路径；

站台层大端，通道墙外边均与两排柱子外边对其即可；

按用户选择的布置区域(如站厅层大端)读取对应的“车站用房”；

获取当前区域的自动布置程序，站厅层大端需按默认空调区域将房间分组；

按通道形式将布置区域分为三个区。

房间所属区域的分配和自动布置的具体规则如下：

(1)读取站厅层大端卫生间组团、楼梯间组团包含的房间名，将车站用房站厅层大端的这些房间过滤掉；

(2)将具有相邻关系的房间组合成新的房间，如房间A、B具有相邻关系，则A、B作为一个房间出现在后面的自动布置程序，组合前的房间如果同时存在可跨区和不可跨区，则新房间是不可跨区；

(3)筛选车站用房中不可跨区房间；

(4)布置第二区靠近公共区的车站控制室和综控设备室；

(5)布置楼梯间组团、卫生间组团，这两个组团位于固定柱子的两侧；

(6)校验卫生间组团与综控设备室，看是否有空余面积无间隙，且空间 不足，则按房间面积降幅原则缩小车站控制室和综控设备室，看是否在不发生外扩的情况下实现房间摆放，无法摆放则按最小距离外扩；

如有间隙，且间隙面积大于等于0.5倍站长值班室面积，则移动站长值班室到此间隙，注意移动后有两种可能，需要外扩或者增加一个空白房间；

(7)布置第一区、第三区具不可跨区的房间，首先布置靠近公共区的A、A的相邻房间B、B的相邻房间C……；

(8)完成不可跨区房间的布置后，筛选各区具有对位关系的房间，将这些房间分配到各自所属区域；

(9)剩余所有房间，按面积排序，房间中面积最大者填补到剩余空间最大的区域，循环此流程直至所有房间分配完毕；

(10)校验是否需要外扩，如果不需要，则按此条件进行自动布置，如果需要外扩，则按房间面积降幅进行调整，调整后再次验证是否需要外扩，仍需外扩则弹出窗口提示用户外扩距离，并由用户选择是否按此外扩进行自动布置；

(11)第二区楼梯间组团后面的房间，按相邻关系优先布置，剩余被分配到此区域的房间按“靠近”原则优先布置，最后布置没有位置要求的房间；

(12)第一区和第三区，按相邻公共区房间最优先布置，其次为靠近关系，再次为对位关系，最后是无位置要求的房间；

下面，以外挂车站布置为例，说明房间排布流程。

1)首先，通过小端控制线和车站要素(见车站参数)计算出车站中心点位置；

2)通过车站中心点和车站要素(见车站参数)计算大端设备用房区起点；

3)依照车站参数计算车站外轮廓参数(详见车站参数)以及外挂区域尺寸；

4)依次考察3种车站外挂方式，按照房间组优先级挤出顺序(房间挤出原则见后)，进行房间组挤出的逐个布置到外挂区域，同时，按照站内房间布置流程，布置站内房间，并根据站内布置房间的结果，调整车站柱跨，修正车站长度，直至车站大端端墙进入控制线范围为止，作为推荐方案A；继续 挤出房间，重复上述计算，取出在控制线内且车站总长最短的方案作为推荐方案B；

当一种外挂方式满足控制线要求以后，不再考察后面一种外挂方式。

4)列出方案A和方案B区间内的所有可行方案，列表显示所有方案的收缩距离和预计“备用房间面积”，之后可由用户手动选择最终方案；

5)如果全部外挂方式均无法满足控制线要求，则提示用户“当前控制线控制范围无法实现车站用房的全面布置，请调整控制线位置”；

6)外挂部分的墙体不可超出外挂控制线，一旦超出，提示用户“当前控制线控制范围无法实现车站用房的全面布置，请调整控制线位置”。

下面说明房间挤出原则。

在房间表中设有“外挂房间组”、“外挂优先级”、“外挂位置”三项属性，用于自动生成外挂站时被挤出到外挂部分的房间参考。设计外挂车站时首先考虑外挂位置，再考虑外挂等级，按顺序考虑相关房间的移出计算。

上述3种车站外挂方式说明如下。

1)变电所双层布置在主体

该种外挂方式中，房间表增加一个房间“变配电室(3)”后，将“外挂优先级”为1、2、3、4的房间组依次外挂到站厅外挂部分。车站只设站厅层外挂一排房间。通道和房间位置按标准尺寸定义。

2)变电所单层布置到站台外挂

该种外挂方式中，将“变电所房间组”外挂到站台外挂，将“外挂优先级”为0、1、2、3、4、5的房间组依次外挂。

车站外挂两排房间，通道位置为标准定义，站厅房间排布第一排为优先级0、2，其它位于第二排，站台一排房间。

3)变电所、部分用房单层布置到站台外挂

该种外挂方式中，将“变电所房间组”+“部分用房”外挂到站台外挂，将“外挂优先级”为0、1、2、3、4、5、6、7、8的房间组依次外挂，注意“民用通信设备”外挂到站台。

接下来，可选地，可根据房间布置的结果，继续进行管线排布。总体来说，在根据本发明的实施例的管线自动布置的过程中，有用信息主要包括通路的空间信息、以及各个管线的端点信息。根据预定规则，结合上述两类信息，能够通过运算得到各个管线系统的最优路径。

根据本发明的实施例的地铁车站三维建筑模型自动生成方法中的管线自动布置过程主要包括以下步骤：

步骤1、获取用于管线布置的通路的空间数据；

其中，根据从建筑专业提供的地铁车站所处的建筑构件的几何信息、车站参数等，能够获取用于布置各类管线的通路的空间数据。所述建筑构件可包括墙、门窗、柱子等模型。例如，所述几何信息包括车站中心坐标、车站尺寸(长度、宽度)等数字信息，并以特定的数据结构来描述。

步骤2、获取各类管线系统的管线的端点信息、以及管径信息等；

其中，所述端点信息包括管线的起点、终点信息(例如，风道的出口、入口位置)，还可包括管线的中间节点信息。

步骤3、根据在步骤1和2中获取的信息，得到各管线的全部可能的管线路径，然后，每个管线分别选取一个可能的管线路径，经排列组合后得到包括每个管线的管线路径的多个候选管线排布方案，其中，所述管线路径由其所经过的通路片段表示；

步骤4、根据每个候选管线排布方案中的管线路径在其所经过的每个通路片段上的管线信息，从所述候选管线排布方案中选取一个作为最优管线排布方案。

步骤5、确定最优管线排布方案中的每条管线在其所经过的每个通路片段的断面上的位置。

其中，先确定最优管线排布方案所经过的通路片段中填充率最高的通路片段(最不利位置)，然后，确定填充率最高的通路片段中的每条管线在断面上的位置(先在最不利位置上排管)，之后再确定其他通路片段中的每条管线在断面上的位置。

具体地，所述步骤1包括：

步骤1-1、获得通路轮廓线；

其中，以在走廊中心点为起点，可自动搜索墙和门窗，绘制并得到走廊封闭的轮廓线。轮廓线可绘制到终端位置。此外，还允许调整自动搜索得到的空间范围，或者调整轮廓、也可以自动合并断线。

另外，可根据任一现有方法，获得用于上述通路的轮廓线，为了简明起见，在此不再赘述。

步骤1-2、根据通路轮廓线，将通路分割为通路片段；

其中，根据在上面获得的轮廓线，进行轮廓配对，得到每对轮廓的中心线，并将中心线识别为连续线段。连续线段可分为直段、转弯两个类型。每个直段为一个独立的最小的管线布置单元，在该单元中，各类管线的布置位置是一致的。

步骤1-3、获取每个通路片段的截面信息；

其中，进行通路中的结构识别，包括梁柱的识别和顶部结构的识别。顶部结构根据梁柱和顶部的形状，形成包络线，完成截面的整体形状。根据识别结果，记录每个通路片段的截面中的发生变化的位置(相对于中心线)，即形成了通路片段的截面信息。

步骤1-4、根据截面的形状，将通路片段分为若干子段。

例如，截面形状发生变化的位置作为每个子段的分界，并记录分界信息。这些变化包括：不同高度吊顶产生变化位置，结构(梁、掖、角、顶等)变化的位置，横穿管路发生的位置。

具体地，在所述步骤2中，按专业、系统分类，同一平面图中可设置管线的多个起点、多个终点，起点需要有编号，且同一个专业、系统的起点、终点需要用编号建立关系。

例如，端点可有如下限制：任何专业、系统，均为一个起点对应多个终点，不可以多个起点对应一个终点。起点、终点可以位于通路内或通路外；

例如，在动照专业中，动照系统会设置多个起点，所有起点和所有终点生成的n条路径要整合为一个路径。其它专业(给排水、通风、弱电)的多个起点生成的多条路径不需要整合。

可选地，在自动布置各专业管线之前，精简各个分系统的终点数量，规则如下：

a、同一段通路内的同系统的n个终点可以合并为一个终点考虑，只提供一个路径方案，例如，如果一共有5个终点分别属于两个通路，实际上可以认为是两个终点(起点：圆圈+点，终点：圆圈+叉)；

b、当一段通路内出现起点和终点共存的情况时，需要以起点所在位置作为分界线，将两侧的终点分别合并；

c、按照规则a，作为示例，如果系统原有的11个终点中的每个都有两种排布方案(上/下)，共计2¹¹＝2048种，则在将11个终点合并为5组(每组内采用同一方案)之后，只剩下2⁵＝32种排布方案。

具体地，在进行所述步骤3之前，还可包括如下设置过程。

1)设置初始条件

作为示例，排布的管线类型包括：风管、桥架、水管，且共分三层。

设置各类管线的排布条件，包括长宽比、管径比例，等等。

2)设置排布规则；

排布规则包括全局规则和各种管线的布置规则。

例如全局规则为：两侧、单侧，一般优先选用双侧布置，布置空间比较窄时选用单侧。

各种管线的布置规则包括各种管线的上下位置关系、距离顶壁、侧壁的位置关系，等等。

具体地，所述步骤4工作流程包括：

步骤4-1、将各个管线路径布置方案与通路片段匹配，并存储匹配关系；

步骤4-2、计算各个通路片段的管线填充率、平均填充率、以及填充率方差；

其中，例如，填充率为：填满＝1，填不满<1，填不下>1，

步骤4-3、可选地，还可根据管线长度、经过通路片段的数量等因素，计算管线布置方案的优化率；

例如，管线长度越短，经过通路片段的数量越少、填充率方差越小，则 优化率越高。

步骤4-4、结合上述计算结果，选择最优管线布置路径；

选择原则如下：

平面路径最优规则：总长度短，经过的通路数量少为最优。

具体地，在步骤4-2中，如下计算断面布置管线的填充率：

步骤4-2-1、计算布置管线区域的总面积(顶下、吊顶上，减去横穿管、掖脚、梁所占面积)

步骤4-2-2、计算风管所占面积(包括距离顶的距离+侧面到侧面墙的距离)

步骤4-2-3、计算各种桥架所占面积和(各种桥架+上下左右所需要的空隙的面积)

步骤4-2-4、计算水管所占面积(各种水管+上下左右所占的空隙面积)

步骤4-2-5、计算检修空间所占面积(风管区域不需要，只用桥架至水管区间)

步骤4-2-6、将上述各个所占面积之和除以总可布置空间面积*0.7，即可计算出填充率。

具体地，所述步骤5可包括：

步骤5-1、确定最优管线排布方案所经过的通路片段中填充率最高的通路片段；

步骤5-2、确定填充率最高的通路片段中的每条管线在断面上的位置；

步骤5-3、根据在步骤5-2中确定的位置，按照填充率的降序，依次确定其他通路片段中的每条管线在断面上的位置。

综上所述，本发明就是通过对各种专业的房间和管线需求信息和走廊路径的三维空间信息统一进行运算和处理，根据房间和管线布置的相关标准和经验，自动排布并优化路径，在走廊中自动生成房间和管线模型。因此，本发明的有益效果主要在于：管线房间和布局速度快、效率高；设计方法简单易学；经过算法优化，设计方案更加合理设计质量得到保证。

根据本发明的实施例的安装了应用程序的系统

参照图3，其示出了根据本发明的实施例的安装了应用程序的系统的运行环境。

在本实施例中，所述的安装应用程序的系统安装并运行于电子装置中。所述电子装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该电子装置可包括但不限于存储器、处理器及显示器。图3仅示出了具有上述组件的电子装置，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。所述安装了程序的系统可以可为商业可用的操作系统，例如系列操作系统，所述程序可以是AutoCAD平台，同时，也可以是其它三维软件的平台，如Revit等。

所述存储器在一些实施例中可以是所述电子装置的内部存储单元，例如该电子装置的硬盘或内存。所述存储器在另一些实施例中也可以是所述电子装置的外部存储设备，例如所述电子装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括所述电子装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器用于存储安装于所述电子装置的应用软件及各类数据，例如所述安装应用程序的系统的程序代码等。所述存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

所述处理器在一些实施例中可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行所述存储器中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述安装应用程序的系统等。

所述显示器在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。所述显示器用于显示在所述电子装置中处理的信息以及用于显示可视化的用户界面，例如应用菜单界面、应用图标界面等。所述电子装置的部件通过系统总线相互通信。

由上，将理解，为了说明的目的，这里已描述了本发明的具体实施例，但是，可作出各个修改，而不会背离本发明的范围。本领域的技术人员将理解，流程图步骤中所绘出或这里描述的操作和例程可以多种方式变化。更具 体地，可重新安排步骤的次序，可并行执行步骤，可省略步骤，可包括其它步骤，可作出例程的各种组合或省略。因而，本发明仅由所附权利要求限制。