虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法

摘要

本发明公开了一种虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法，利用桥梁组件特征及组件间相互作用规则，快捷、准确地建立桥梁三维模型，并提供便捷的模型编辑与修改方法，为提升高速铁路桥梁设计水平提供有力的技术支持。本发明所涉及的虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法的技术步骤包括：S1-梁三维参数化建模，S2-铁路轨道三维参数化建模，S3-桥面系三维参数化建模，S4-墩台三维参数化建模，S5-梁、铁路轨道、桥面系、墩台组合得到桥梁三维模型，S6-桥梁模型导入虚拟环境。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路设计建模技术，特别是涉及高速铁路桥梁三维参数化建模技术。

背景技术

在高速铁路勘察设计过程中，桥梁作为重要的铁路设计要素，其设计质量直接影响铁路线路安全。根据设计图建立桥梁的真实三维模型，并将其放置于真实地理环境中，能够预演工后效果，检查设计误差，提高铁路勘察设计的质量。目前我国在桥梁三维建模方面已有若干研究成果，这些研究均针对特定桥梁，将其直接应用于高速铁路桥梁三维建模存在如下两方面问题：没有铁路轨道设计接口；参数设计不适用于高速铁路桥梁建模。采用已有成果建立高速铁路桥梁三维模型操作复杂，且需要辅以大量人工编辑，生产效率低。

发明内容

针对现有铁路桥梁三维建模技术存在的问题，本发明推出一种虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法，其目的在于，利用桥梁组件特征及组件间相互作用规则，快捷、准确地建立桥梁三维模型，并提供便捷的模型编辑与修改方法，为提升高速铁路桥梁设计水平提供有力的技术支持。

本发明所涉及的虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法，技术步骤包括：S1-梁三维参数化建模，S2-铁路轨道三维参数化建模，S3-桥面系三维参数化建模，S4-墩台三维参数化建模，S5-梁、铁路轨道、桥面系、墩台组合得到桥梁三维模型，S6-桥梁模型导入虚拟环境。

S1-梁三维参数化建模：首先根据设计图统计梁的基础信息和梁的变化信息，然后合并梁的基础信息和梁的变化信息，通过参数化建模获得梁的三维模型。

S2-铁路轨道三维参数化建模：首先实现铁轨参数化建模与轨枕参数化建模，其次根据铁轨与轨枕的相对位置关系，实现铁轨与轨枕的自动停靠，并将铁轨与轨枕组合成为单个铁路轨道模型；然后根据铁路轨道数目和铁路轨道间距参数将单个铁路轨道模型组合成为完整的铁路轨道模型；最后设置铁路轨道与梁的相对位置关系，并实现铁路轨道与梁的自动停靠。

S3-桥面系三维参数化建模：首先分组件构造桥面系各组成部件，其次设置各组成部件与梁之间的相对位置关系，然后根据各组成部件与梁之间的相对位置关系，实现部件在梁上的自动停靠，最后将各组成部件组合成为完整的桥面系模型。

S4-墩台三维参数化建模：首先沿线路走向根据设计图纸依次建立各桥墩的三维模型，然后根据各桥墩里程值确定桥墩与梁的相对位置关系，实现桥墩与梁的自动停靠，最后将各桥墩组合成为完整的墩台模型。

S5-梁、铁路轨道、桥面系、墩台组合得到桥梁三维模型：根据各组件与梁的停靠关系，将各组件组合得到完整的桥梁三维模型。

S6-桥梁模型导入虚拟环境：首先将铁路沿线真实的三维地形数据导入三维显示平台，构造虚拟现实环境，然后将桥梁三维模型的数据格式转换为三维显示平台可识别的数据格式，最后将桥梁模型、对应的纹理图片、模型的属性信息导入三维显示平台进行显示、浏览和查询。

本发明在对高速铁路桥梁要素进行深入分析之后，采用面向组件的建模方法，根据组件在真实世界的属性和行为特征建模，用户只需输入或调整参数，即可实现高速铁路桥梁三维模型的快速建立与编辑，减少了桥梁三维建模的人工作业量，提高了桥梁三维建模的自动化程度，为高速铁路选线和设计提供了有效辅助。

附图说明

图1为虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法技术流程图。

图中标记说明：

S1、梁三维参数化建模  

S2、铁路轨道三维参数化建模  

S3、桥面系三维参数化建模  

S4、墩台三维参数化建模  

S5、梁、铁路轨道、桥面系、墩台组合得到桥梁三维模型  

S6、桥梁模型导入虚拟环境。

具体实施方式

结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1显示虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法的基本流程。如图所示，本发明涉及的虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法包括如下步骤：梁三维参数化建模S1，铁路轨道三维参数化建模S2，桥面系三维参数化建模S3，墩台三维参数化建模S4，梁、铁路轨道、桥面系、墩台组合得到桥梁三维模型S5，桥梁模型导入虚拟环境S6。

S1-梁三维参数化建模：首先根据设计图统计梁的基础信息和梁的变化信息，然后合并梁的基础信息和梁的变化信息，通过参数化建模获得梁的三维模型。在统计梁的基础信息的过程中，首先统计梁面特征，即统计梁面排水类型、梁面宽、梁承载的轨道数目、轨道间距参数；然后统计梁三维模型各表面建筑材料。在统计梁的变化信息的过程中，首先根据设计图，统计梁截面变化点的里程值，称为梁截面变化里程；然后根据设计图中桥梁的立面图，在距离较长、变化曲率较大的两个梁截面变化里程之间插入新的梁截面变化里程，所有变化里程值组成的集合称为梁截面变化里程集合；再然后沿线路走向，根据里程值大小对梁截面变化里程集合内数据进行排序；最后获取梁截面变化里程集合内每个里程值对应的梁截面几何参数，步骤包括：第一步，依次从集合内提取里程值，记为M_i，M_i对应的梁截面几何参数记为F_i；第二步，查找设计图，若设计图中存在该里程处梁截面信息，则从设计图中获取F_i，否则对M_i进行标记；第三步，若集合内所有里程值均被取出，转到第四步，否则转到第一步；依次从集合内提取被标记的里程值M_j，获取集合内与M_j最邻近的两个未被标记的里程值，记为M_p与M_q，对应梁截面几何参数为F_p与F_q，根据设计图中桥梁的立面图确定内插系数，对F_p与F_q进行内插计算，获得F_j；第五步，重复第四步至所有被标记的里程值均被取出；第六步，将所有梁段的三维结构体组合成为完整的梁的三维结构体；第七步，采用纹理贴图方式表现梁的建筑材料。

S2-铁路轨道三维参数化建模：首先实现铁轨参数化建模与轨枕参数化建模，其次根据铁轨与轨枕的相对位置关系，实现铁轨与轨枕的自动停靠，并将铁轨与轨枕组合成为单个铁路轨道模型，然后根据铁路轨道数目和铁路轨道间距参数将单个铁路轨道模型组合成为完整的铁路轨道模型，最后设置铁路轨道与梁的相对位置关系，并实现铁路轨道与梁的自动停靠。在设置铁路轨道与梁的相对位置关系的过程中，首先设置铁路轨道与梁的相对位置关系为中心对齐、铁路轨道底部与梁面顶部相切；然后根据铁路轨道与梁的相对位置关系，实现铁路轨道与梁的自动停靠。

S3-桥面系三维参数化建模：首先分组件构造桥面系各组成部件，其次设置各组成部件与梁之间的相对位置关系，然后根据各组成部件与梁之间的相对位置关系，实现部件在梁上的自动停靠，最后将各组成部件组合成为完整的桥面系模型。在分组件构造桥面系各组成部件的过程中，按照类型将桥面系的组成部件分为防护和管线两种模型。防护建模过程中，对防护模型进行细化，将防护分为防护包括侧向挡块、防护墙和护栏模型，对设计图纸中出现的模型进行参数化建模。侧向挡块参数建模采用长度、宽度、高度描述侧向挡块的几何形状，采用挡块间距描述侧向挡块的排布状况，通过参数化建模得到侧向挡块的三维结构体，并采用纹理贴图方式表现侧向挡块的建筑材料。防护墙参数建模采用长度、宽度、高度描述防护墙的几何形状，通过参数化建模得到防护墙的三维结构体，并采用纹理贴图方式表现防护墙的建筑材料。护栏参数建模过程中，将护栏按照构件分为纵向立柱、横向立柱和纵向立柱间的挡板模型，首先对纵向立柱和横向立柱进行参数化建模；然后根据横向立柱顶部与纵向立柱顶部相切这一相对位置关系，实现横向立柱与纵向立柱的自动停靠；再然后对挡板进行参数化建模；最后将纵向立柱、横向立柱、挡板组合成为护栏三维模型。纵向立柱参数化建模过程中，采用直径描述柱体的几何形状，采用立柱间距描述纵向立柱的排布状况，通过参数化建模得到纵向立柱的三维结构体，并采用纹理贴图方式表现纵向立柱的建筑材料。横向立柱参数化建模过程中，采用直径描述柱体的几何形状，采用立柱间距描述横向立柱的排布状况，通过参数化建模得到横向立柱的三维结构体，并采用纹理贴图方式表现横向立柱的建筑材料。挡板参数化建模过程中，挡板几何参数为板长、宽、厚度，均可从纵向立柱与横向立柱的参数中获取，通过参数化建模得到挡板的三维结构体，采用纹理贴图方式表现挡板的建筑材料。管线建模过程中，管线特指梁体表面的管线，包括管槽和盖板模型，首先对管槽和盖板进行参数化建模；然后根据盖板底部与管槽顶部相切这一相对位置关系，实现管槽与盖板的自动停靠；最后将管槽与盖板组合成为完整的管线模型。管槽参数化建模过程中，采用宽度、高度、槽深、槽间距、槽壁厚度、弧度参数描述管槽的几何形状，通过参数化建模得到管槽的三维结构体，采用纹理贴图方式表现管槽的建筑材料。盖板参数化建模过程中，采用长度、宽度和高度描述盖板的几何形状，通过参数化建模得到盖板的三维结构体，采用纹理贴图方式表现盖板的建筑材料。

S4-墩台三维参数化建模：首先沿线路走向根据设计图纸依次建立各桥墩的三维模型，然后根据各桥墩里程值，确定桥墩与梁的相对位置关系，实现桥墩与梁的自动停靠，最后将各桥墩组合成为完整的墩台模型。建立各桥墩的三维模型过程中，桥墩结构包括支座、墩身、基础、桩模型，首先对支座、墩身、基础和桩进行参数化建模；然后根据墩身相对于基础的偏移参数，实现墩身与基础的自动停靠；再根据桩相对于基础的偏移参数，实现桩与基础的自动停靠；最后将墩身、基础和桩组合成为墩台模型。支座参数化建模过程中，将支座分为底部支座台、矩形支架和圆柱形支架模型，首先对底部支座台、矩形支架和圆柱形支架进行参数化建模；然后由底向上实现底部支座台、矩形支架和圆柱形支架的自动停靠；最后将底部支座台、矩形支架和圆柱形支架组合成为支座模型。底部支座台参数化建模过程中，采用长、宽、高、斜率、曲率、分段数参数描述底部支座台的几何形状，通过参数化建模得到底部支座台的三维结构体，采用纹理贴图方式表现底部支座台的建筑材料。矩形支架参数化建模过程中，采用长、宽、高参数描述矩形支架的几何形状，通过参数化建模得到矩形支架的三维结构体，采用纹理贴图方式表现矩形支架的建筑材料。圆柱形支架参数化建模过程中，采用半径、高、分段数参数描述圆柱形支架的几何形状，通过参数化建模得到圆柱形支架的三维结构体，采用纹理贴图方式表现圆柱形支架的建筑材料。墩身参数化建模过程中，墩身按照类型不同分为通用墩身、不等跨墩身和桥台，依照设计图，对不同类别墩身进行参数化建模，包括：通用墩身参数化建模，采用弧直径、长、宽、高参数描述通用墩身的几何形状，通过参数化建模得到通用墩身的三维结构体，采用纹理贴图方式表现通用墩身的建筑材料；不等跨墩身参数化建模，采用弧直径、长、宽、高、不等跨高度、不等跨宽度、不等跨朝向参数描述不等跨墩身的几何形状，通过参数化建模得到不等跨墩身的三维结构体，采用纹理贴图方式表现不等跨墩身的建筑材料；桥台参数化建模，采用长、宽、高、桥台朝向参数描述桥台的几何形状，通过参数化建模得到桥台的三维结构体，采用纹理贴图方式表现桥台的建筑材料。基础参数化建模过程中，采用层数、层对象长、宽、高描述基础的几何形状，通过参数化建模得到基础的三维结构体，采用纹理贴图方式表现基础的建筑材料。桩参数化建模过程中，采用直径和高度描述桩的几何形状，采用偏移坐标、排布方式（如矩形桩、梅花桩）描述桩的排布状况，通过参数化建模得到桩的三维结构体，采用纹理贴图方式表现桩的建筑材料。

S5-梁、铁路轨道、桥面系、墩台组合得到桥梁三维模型：根据各组件与梁的停靠关系，将各组件组合得到完整的桥梁三维模型。

S6-桥梁模型导入虚拟环境：首先将铁路沿线真实的三维地形数据导入三维显示平台，构造虚拟现实环境，然后将桥梁三维模型的数据格式转换为三维显示平台可识别的数据格式，最后将桥梁模型、对应的纹理图片、模型的属性信息导入三维显示平台进行显示、浏览和查询。