地鐵車輛段室外綜合管線三維設計與管理系統(tǒng)

繆 東

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢／／教授級高級工程師）

地鐵車輛段室外綜合管線（以下簡稱“室外綜合管線”）擔負著車輛段內各種能源、信息的傳輸以及廢污的排放，種類多、專業(yè)接口多、邊界條件復雜，一直是地鐵車輛段設計與管理的重點和難點。

目前，室外綜合管線在設計與管理過程中面臨的問題是：①一般情況下，室外綜合管線交叉點數(shù)不少于400個，由于二維平面圖紙不直觀，多專業(yè)設計內容互為邊界條件，故設計階段協(xié)調難度大。②施工階段管線安裝順序隨意性強。由于施工順序不當引發(fā)的安裝空間不足或管線沖突時有發(fā)生，造成重復或廢棄工程，嚴重影響了工程造價和工程進度［1－2］。③由于缺乏有效的信息技術手段，目前建設項目決策、設計、施工、運營各個階段信息分隔管理，信息傳遞及保存以紙質介質為主，信息協(xié)同性差，信息利用價值低［3］。

基于項目屬性管理的全生命周期動態(tài)三維數(shù)字化技術可有效地解決上述問題。在美國、歐洲和日本等發(fā)達國家，包括地鐵和其他公共建筑在內的大型基礎設施建設管理的全過程均已應用了三維數(shù)字化技術輔助設計、施工和管理。目前國內地鐵的三維數(shù)字化管理尚處于起步階段，其應用也僅局限于少數(shù)設計院。三維設計軟件主要以Bentley 公司的Microstation軟件為主，覆蓋面窄，且沒有擴展至建設管理全過程［4］。基于上述背景，本文提出一種室外綜合管線三維設計與管理系統(tǒng)的解決方案，實現(xiàn)三維輔助二維設計、根據(jù)現(xiàn)場施工情況快速修改相關信息和實時信息更新等功能，進行室外綜合管線工程全生命周期三維數(shù)字化信息管理的探索，為室外綜合管線三維設計與管理提供參考。

1 系統(tǒng)總體架構

1.1 系統(tǒng)設計目標

基于二維、三維設計軟件構建室外綜合管線三維輔助設計與管理系統(tǒng)，為室外綜合管線多專業(yè)協(xié)同設計、施工配合和運營維護信息更新及查詢等提供數(shù)字化設計及管理平臺。擬達到如下目標：

（1）快速創(chuàng)建三維模型。系統(tǒng)根據(jù)各專業(yè)所提供的管線二維設計圖紙，調用參數(shù)化建模功能及標準化數(shù)據(jù)庫，按1：1的比例快速創(chuàng)建三維模型，作為室外綜合管線信息管理和交互操作的基礎。

（2）快速修改三維模型。系統(tǒng)采用參數(shù)化方法創(chuàng)建管線三維對象，以實現(xiàn)通過快速調整相關參數(shù)完成三維對象的快速修改。

（3）用戶操作界面友好。能夠進行方便、快速、多種形式的查詢檢索。

（4）面向多數(shù)據(jù)集成。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)源廣泛，涉及設計與管理全過程，因此系統(tǒng)應具備較強的開放性、兼容性和可擴展性。

1.2 系統(tǒng)邏輯架構

整個系統(tǒng)采用3層架構搭建，分別為平臺層、數(shù)據(jù)層和應用層。平臺層提供基礎框架和可重用組件，數(shù)據(jù)層包括二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)，應用層基于數(shù)據(jù)中心平臺完成具體應用業(yè)務的實現(xiàn)。為保證系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)采用后臺行為監(jiān)聽線程完成對數(shù)據(jù)的保護以及用戶權限、日志的動態(tài)驗證功能［4］。系統(tǒng)邏輯架構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構

1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

系統(tǒng)用戶主要包括建設管理單位、設計單位和施工單位，交互信息多，數(shù)據(jù)量大，故采用瀏覽器／服務器（B／S）和客戶機／服務器（C／S）相結合的模式［4－5］。系統(tǒng)中三維模型創(chuàng)建、修改、瀏覽等應用程序模塊采用C／S模式，以保證操作流暢。其他相關的管理功能使用B／S 模式，以確保時效性和便捷性。系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

2 系統(tǒng)功能設計

2.1 系統(tǒng)功能結構

基于系統(tǒng)實用性、標準化及完備性等原則，將整個系統(tǒng)分為三維模型創(chuàng)建功能、三維輔助應用。三維模型創(chuàng)建功能主要包括與室外綜合管線強相關的建構筑物模型創(chuàng)建、各專業(yè)管線模型創(chuàng)建和三維出圖功能；三維輔助應用主要包含三維輔助設計、三維輔助施工和三維輔助運維，系統(tǒng)功能細分如圖3所示。

2.2 三維模型創(chuàng)建

三維模型是室外綜合管線信息的載體，模型的快速、準確建立是系統(tǒng)其他功能的基礎。系統(tǒng)需建立管線及連接件數(shù)據(jù)庫、建構筑物模型數(shù)據(jù)庫及參數(shù)化建模功能，并實現(xiàn)既有三維設計軟件對所開發(fā)數(shù)據(jù)庫及參數(shù)化建模功能的無縫調用，以實現(xiàn)室外綜合管線三維模型的快速創(chuàng)建，方便三維模型實時瀏覽、漫游、動態(tài)快速標注及屬性管理。

2.3 三維輔助應用

2.3.1 三維輔助設計

基于所引入的三維協(xié)同設計平臺，進行室外綜合三維設計，減少反復溝通與重復調整的時間；利用系統(tǒng)所建立的數(shù)據(jù)庫及參數(shù)化建模工具直觀快速修改設計。三維模型的唯一性決定了二維施工圖紙的唯一性，可提高設計效率。

圖3 系統(tǒng)功能結構

基于三維模型進行多種管線間碰撞檢查，查出硬碰撞（指管線實體與實體之間交叉碰撞）及軟碰撞（指實體間空間位置未發(fā)生重疊，但空間敷設間距不滿足規(guī)范要求）的問題，并在三維環(huán)境中提出虛擬解決方案。三維模型的合理性決定了二維施工圖紙的合理性，可提高設計質量。圖4為三維輔助設計示意圖。

圖4 三維輔助設計示意圖

2.3.2 三維輔助施工

系統(tǒng)在施工階段功能包括：①施工單位可通過網(wǎng)絡遠程調用三維信息，直觀了解不同管線間的相對空間位置，輔助理解二維圖紙，指導現(xiàn)場管線布局與安裝，避免施工與設計意圖不符。②如果現(xiàn)場情況與設計環(huán)境不符，可以通過網(wǎng)絡迅速、直觀地將現(xiàn)場信息反饋至設計人員，在三維環(huán)境下虛擬調整，找出最佳解決方案，以節(jié)約設計變更耗時，避免管線埋設過程中的重復拆裝和廢棄工程，節(jié)約工程投資。

2.3.3 三維輔助運維

系統(tǒng)可在車輛段竣工后，將建構筑物、室內綜合管線和機電設備等信息綜合，形成車輛段三維模型，可方便運營人員查詢整體信息和局部屬性信息。同時，各類設備更新或維修信息也能通過修改功能實時反映到三維模型中，保證三維模型與地鐵車輛段實體的一致性，為實現(xiàn)地鐵車輛段全生命周期的數(shù)字化管理奠定基礎。

3 系統(tǒng)關鍵技術支持

3.1 基礎功能技術

系統(tǒng)基礎功能技術主要包括對數(shù)據(jù)的管理以及信息系統(tǒng)基礎功能。

（1）信息系統(tǒng)基礎功能。系統(tǒng)對用戶、權限和日志進行統(tǒng)一的用戶操作封裝；用戶操作界面友好，同時具備自動生成、自定義數(shù)據(jù)報表功能。

（2）三維數(shù)據(jù)管理。主要包含對各專業(yè)管線模型、建構筑模型、設備模型、配件模型，以及建構筑物模型數(shù)據(jù)庫、管線及連接件模型數(shù)據(jù)庫、模型材質庫等專用數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理，并提供拓展接口。

（3）其他數(shù)據(jù)管理。主要包括為數(shù)據(jù)輸出提供標準或自定義數(shù)據(jù)輸出模板，滿足用戶對結果數(shù)據(jù)的輸出需求。

3.2 輔助技術

輔助技術主要包括系統(tǒng)所必備的三維設計平臺、自主開發(fā)功能與Bentley軟件平臺的兼容性［6］。

（1）系統(tǒng)所必備的三維設計軟件。系統(tǒng)通過Bentley軟件平臺實現(xiàn)室外綜合管線及相關模型的創(chuàng)建、加載、漫游及相關用戶交互功能。

（2）自主開發(fā)功能與Bentley軟件平臺的兼容性。系統(tǒng)通過對Bentley軟件平臺進行二次開發(fā)，完成了室外綜合管線專用三維建模功能，實現(xiàn)了Bentley軟件平臺對所開發(fā)功能的無縫調用。

3.3 碰撞分析技術

利用系統(tǒng)編制的室外綜合管線空間位置距離計算函數(shù)，對管線交叉點處各管線之間的距離及埋深進行計算，并自動與設計規(guī)范進行比對后，將存在硬碰撞或軟碰撞的問題點的相關數(shù)據(jù)輸出至電子表格，且在三維模型中對問題點進行標記。

4 系統(tǒng)應用實例

室外綜合管線三維設計與管理系統(tǒng)是在多年工程實踐經(jīng)驗的基礎上構建而成的，已應用于某車輛段室外綜合管線的輔助三維設計中，并進行了碰撞分析，發(fā)現(xiàn)有效碰撞點22處，并在虛擬環(huán)境中提出了解決方案，達到了提高地鐵室外綜合管線設計效率和設計質量的目標，獲得了建設單位及施工單位的支持與認可。碰撞分析及虛擬解決方案示例如圖5所示。

圖5 碰撞分析及虛擬解決方案示例

5 結語

通過建立管線及連接件標準化數(shù)據(jù)庫、建構筑物標準化數(shù)據(jù)庫及參數(shù)化建模工具，在設計階段實現(xiàn)了快速創(chuàng)建三維模型、碰撞分析及快速修改功能，提高了設計效率及質量；在施工階段可實現(xiàn)遠程調用、實時瀏覽三維設計模型，以提高與施工管理的溝通效率，避免重復或廢棄工程；在運維階段可實現(xiàn)管線三維信息實時查詢功能、更新及修改功能，為地鐵車輛段進行全生命周期管理奠定基礎。該系統(tǒng)的建立將為地鐵車輛段室外綜合管線三維設計、車站綜合管線三維設計、建設項目全生命周期管理提供參考。

［1］王慧霞.地鐵車輛段室外綜合管線三維設計研究［J］.城市軌道交通研究，2013（11）：110.

［2］Olatunji O A. A preliminary review on the legal implications of BIM and model ownership［J］.Electronic Journal of Information Technology in Construction，2011（16）：687.

［3］李勇，管昌生.基于BIM 技術的工程信息管理模式與策略［J］.工程管理學報，2012，4（26）：17.

［4］王淑嬙，王乾坤，何辰琛.地鐵車站三維輔助建設與管理系統(tǒng)的構建［J］.武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2012，3（34）：289.

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［6］Krishnan GV，Taylor J E.Harnessing MicroStation V8i［M］.New York：Bentley Institute，2010.