地鐵車輛段室外綜合管線三維設(shè)計與管理系統(tǒng)

繆 東

（中鐵第四勘察設(shè)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(dān)負(fù)著車輛段內(nèi)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(fù)雜，一直是地鐵車輛段設(shè)計與管理的重點和難點。

目前，室外綜合管線在設(shè)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(shè)計內(nèi)容互為邊界條件，故設(shè)計階段協(xié)調(diào)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(dāng)引發(fā)的安裝空間不足或管線沖突時有發(fā)生，造成重復(fù)或廢棄工程，嚴(yán)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(shù)手段，目前建設(shè)項目決策、設(shè)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(zhì)介質(zhì)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(shù)可有效地解決上述問題。在美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家，包括地鐵和其他公共建筑在內(nèi)的大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理的全過程均已應(yīng)用了三維數(shù)字化技術(shù)輔助設(shè)計、施工和管理。目前國內(nèi)地鐵的三維數(shù)字化管理尚處于起步階段，其應(yīng)用也僅局限于少數(shù)設(shè)計院。三維設(shè)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(shè)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(shè)計與管理系統(tǒng)的解決方案，實現(xiàn)三維輔助二維設(shè)計、根據(jù)現(xiàn)場施工情況快速修改相關(guān)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(shè)計與管理提供參考。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

基于二維、三維設(shè)計軟件構(gòu)建室外綜合管線三維輔助設(shè)計與管理系統(tǒng)，為室外綜合管線多專業(yè)協(xié)同設(shè)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(shè)計及管理平臺。擬達(dá)到如下目標(biāo)：

（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(shè)計圖紙，調(diào)用參數(shù)化建模功能及標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)。

（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(diào)整相關(guān)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(shè)計與管理全過程，因此系統(tǒng)應(yīng)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(gòu)

整個系統(tǒng)采用3層架構(gòu)搭建，分別為平臺層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。平臺層提供基礎(chǔ)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(yīng)用層基于數(shù)據(jù)中心平臺完成具體應(yīng)用業(yè)務(wù)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(quán)限、日志的動態(tài)驗證功能［4］。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)用戶主要包括建設(shè)管理單位、設(shè)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(wù)器（B／S）和客戶機／服務(wù)器（C／S）相結(jié)合的模式［4－5］。系統(tǒng)中三維模型創(chuàng)建、修改、瀏覽等應(yīng)用程序模塊采用C／S模式，以保證操作流暢。其他相關(guān)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

基于系統(tǒng)實用性、標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。三維模型創(chuàng)建功能主要包括與室外綜合管線強相關(guān)的建構(gòu)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(yīng)用主要包含三維輔助設(shè)計、三維輔助施工和三維輔助運維，系統(tǒng)功能細(xì)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(zhǔn)確建立是系統(tǒng)其他功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)需建立管線及連接件數(shù)據(jù)庫、建構(gòu)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(shè)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(diào)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(biāo)注及屬性管理。

2.3 三維輔助應(yīng)用

2.3.1 三維輔助設(shè)計

基于所引入的三維協(xié)同設(shè)計平臺，進行室外綜合三維設(shè)計，減少反復(fù)溝通與重復(fù)調(diào)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(shè)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(shè)計效率。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

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(shè)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(shè)計質(zhì)量。圖4為三維輔助設(shè)計示意圖。

圖4 三維輔助設(shè)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(luò)遠(yuǎn)程調(diào)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(dǎo)現(xiàn)場管線布局與安裝，避免施工與設(shè)計意圖不符。②如果現(xiàn)場情況與設(shè)計環(huán)境不符，可以通過網(wǎng)絡(luò)迅速、直觀地將現(xiàn)場信息反饋至設(shè)計人員，在三維環(huán)境下虛擬調(diào)整，找出最佳解決方案，以節(jié)約設(shè)計變更耗時，避免管線埋設(shè)過程中的重復(fù)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(gòu)筑物、室內(nèi)綜合管線和機電設(shè)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(shè)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(chǔ)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)支持

3.1 基礎(chǔ)功能技術(shù)

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

（1）信息系統(tǒng)基礎(chǔ)功能。系統(tǒng)對用戶、權(quán)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(gòu)筑模型、設(shè)備模型、配件模型，以及建構(gòu)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)或自定義數(shù)據(jù)輸出模板，滿足用戶對結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出需求。

3.2 輔助技術(shù)

輔助技術(shù)主要包括系統(tǒng)所必備的三維設(shè)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(shè)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(guān)模型的創(chuàng)建、加載、漫游及相關(guān)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(diào)用。

3.3 碰撞分析技術(shù)

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(shè)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(guān)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(biāo)記。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實例

室外綜合管線三維設(shè)計與管理系統(tǒng)是在多年工程實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上構(gòu)建而成的，已應(yīng)用于某車輛段室外綜合管線的輔助三維設(shè)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(dá)到了提高地鐵室外綜合管線設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量的目標(biāo)，獲得了建設(shè)單位及施工單位的支持與認(rèn)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(jié)語

通過建立管線及連接件標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫、建構(gòu)筑物標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫及參數(shù)化建模工具，在設(shè)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(shè)計效率及質(zhì)量；在施工階段可實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用、實時瀏覽三維設(shè)計模型，以提高與施工管理的溝通效率，避免重復(fù)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(chǔ)。該系統(tǒng)的建立將為地鐵車輛段室外綜合管線三維設(shè)計、車站綜合管線三維設(shè)計、建設(shè)項目全生命周期管理提供參考。

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