地鐵車站三維輔助建設與管理系統(tǒng)的構建

王淑嬙，王乾坤，何辰琛

(1．武漢理工大學管理學院，湖北 武漢 430070;2．武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

目前我國地鐵在建設與管理過程中面臨如下問題:①設計階段仍以二維設計為主，車站布置不直觀;涉及的工點院和專業(yè)較多，相關專業(yè)的調整都會引起其他專業(yè)設計邊界的變化，配合起來既頻且繁［1］。②施工階段管網安裝順序混亂，隨意性強，安裝空間不足或管網沖突時有發(fā)生，嚴重影響了工程造價和施工進度［2－4］。③運行維護階段車站歷史信息缺失或維修信息不能及時更新，信息可追溯性較差?；趯傩怨芾淼膭討B(tài)三維模擬技術可有效解決上述問題。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字化技術輔助設計、施工和管理［5］。國內建筑業(yè)關于三維數字化技術的應用局限于數字化城市和效果宏觀展示等層面，具有工程級應用的三維信息管理平臺較少。目前國內地鐵的三維數字化管理尚處于起步階段，其應用也僅局限于少數設計院，三維設計軟件主要以Bently公司的Microstation為主［6］，覆蓋面窄，且沒有擴展至建設管理全過程?；诖?，筆者提出構建地鐵車站三維輔助建設與管理系統(tǒng)，實現輔助三維設計、現場設計變更快速修改和實時信息更新等功能，進行地鐵工程全壽命周期管理探索，為國內地鐵建設行業(yè)提供可借鑒的參考。

1 系統(tǒng)結構設計

1．1 系統(tǒng)設計目標

基于二、三維一體化的地鐵車站輔助建設與管理系統(tǒng)，為地鐵車站協(xié)同設計、現場安裝、即時調整和運維信息快速更新及查詢等提供信息管理平臺。預期實現的目標如下:

(1)自動生成三維模型。比例為1:1的三維模型是工程應用的基礎，也是屬性管理、漫游瀏覽和交互操作的基礎，系統(tǒng)讀取標準化后的初始CAD圖紙，將信息存儲于數據庫中并自動生成三維模型。

(2)局部快速修改。二、三維一體化思想的核心是實現“一處修改，關聯變化”，以保證信息的唯一性。系統(tǒng)采用構件庫和數據工廠的FEM模塊以及軸線加工技術實現快速修改功能。

(3)強化用戶體驗。目前三維設計軟件不易普及與推廣，軟件界面復雜、專業(yè)性過強和操作步驟繁復是其重要原因，因此交互界面友好性是該系統(tǒng)的重要目標之一。

(4)面向多數據集成。該系統(tǒng)數據源廣泛，涉及建設與管理全過程，因此系統(tǒng)的開放性、兼容性和可擴展性要求較高。

1．2 系統(tǒng)邏輯結構

采用3層架構搭建整個系統(tǒng)的總體框架，分別為數據層、邏輯層和業(yè)務應用層［7］。數據層包括二維數據、三維數據、關系數據和文件數據。系統(tǒng)邏輯層基于模型加載、三維驅動以及數據分析完成對具體應用業(yè)務的實現。為保證系統(tǒng)操作數據的安全性，系統(tǒng)采用后臺行為監(jiān)聽線程完成對數據的保護以及用戶權限日志的動態(tài)驗證功能。系統(tǒng)邏輯結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結構圖

1．3 系統(tǒng)網絡結構

系統(tǒng)使用方包括建設管理方、設計方和施工方，涉及數據量大、信息多，因此采用B/S和C/S相結合的模式［8］。對系統(tǒng)中三維部分的操作及相關應用使用C/S模式，以保證數據安全，數據順暢運行，且不受網絡帶寬、瀏覽器負載等方面的影響;其他相關的業(yè)務管理功能則使用B/S模式，體現其即時性和方便性的操作特點。系統(tǒng)網絡結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網絡結構

2 系統(tǒng)功能設計

2．1 系統(tǒng)功能結構

以統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施的原則為指導，將系統(tǒng)功能定位為基礎功能、應用功能和拓展功能?；A功能主要是三維模型基礎操作;應用功能包含三維輔助設計、施工和運行維護;拓展功能包括三維應急管理和后期資產管理。詳細功能劃分如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結構

2．2 三維模型操作

三維模型是信息的載體，模型操作使信息得以調取和運轉，是與其他應用功能和拓展功能關聯的途徑。具體內容包括:①模型控制功能。模型控制功能包括三維模型導入導出，動態(tài)更新，土建層、管網層、裝修層和設備層分層顯示，動態(tài)三維標注和屬性數據編輯等。②二、三維信息一體化管理。為了實現“一處修改，關聯變化”的目標定位，系統(tǒng)需提供二、三維數據聯動的功能。③模型分析。用于設計階段的碰撞沖突分析和管網安裝及設備維修階段的空間距離測量分析。

2．3 三維輔助體系

輔助設計體系包括輔助設計、輔助施工和輔助運行維護管理3個方面。

(1)輔助設計。構建協(xié)同三維環(huán)境，真正使整個項目的設計者能夠在統(tǒng)一的工作對象和目標中工作，減少相互溝通和返工所用的時間。以直觀的方式快速修改設計，模型的唯一性決定了二維圖紙的唯一性，可提高設計效率。基于三維模型的各專業(yè)間碰撞沖突自動檢測功能可提高設計質量。具體功能有CAD圖紙二、三維全信息管理，局部設計與修改，碰撞沖突檢測，路徑漫游和三維標注等，如圖4所示。

(2)輔助施工。該系統(tǒng)在施工階段的用途主要體現在兩個方面，一是在施工現場通過網絡遠程調用二、三維信息，指導現場管網布局與安裝;二是若現場環(huán)境與設計環(huán)境不符，可以迅速將現場信息反饋給設計人員，在三維環(huán)境下對設計信息進行變更，節(jié)約設計變更耗時，同時也可避免管網安裝過程中實體管道的重復拆裝，節(jié)約工程造價。

圖4 地鐵車站整體三維圖和碰撞點自動檢測

(3)輔助運行維護管理。地鐵車站完工后，所有工程信息包括土建、管網、設備和裝修信息均反映在三維模型中。在運維階段能方便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局部設計修改功能實時反映到三維模型中，保證三維模型與地鐵車站實體的完全一致性。

2．4 拓展功能

拓展功能主要用于地鐵運行過程中，包括應急管理和資產管理兩個方面。

(1)應急管理。應急管理主要用于地鐵運行過程中基于真三維地鐵車站環(huán)境的安全管理、日常安全教育和救援管理。具體功能體現在培訓模擬演練，包括最佳疏散路徑分析、事故影響區(qū)域分析、救援路徑分析和事故響應調度［9－10］。

(2)資產管理。資產管理是在三維模型及屬性操作的基礎上實現的。結合地鐵沿線周邊土地開發(fā)和物業(yè)租賃經營情況，資產管理包括房屋管理、土地管理、租賃管理、維修管理和機車管理等內容。

3 關鍵技術支持

3．1 系統(tǒng)技術支持體系

實現上述功能的技術分為3個層面，即基礎技術、輔助支持技術和智能分析技術，技術支持體系如圖5所示。

3．2 基礎技術

基礎技術是指搭建系統(tǒng)平臺所必備的基礎功能技術，在該平臺中包括了對數據的管理以及信息系統(tǒng)基礎功能。

圖5 系統(tǒng)技術支持體系

(1)通用功能。它主要包含信息系統(tǒng)搭建所必需的基礎性功能。系統(tǒng)對用戶、權限和日志進行統(tǒng)一的用戶操作封裝;系統(tǒng)應封裝統(tǒng)一的報表制訂功能，為用戶提供統(tǒng)一的用戶數據報表，同時系統(tǒng)還應該具備報表自定義功能;系統(tǒng)還應封裝工作流自定義功能，為用戶設置個性化的工作流應用。

(2)三維數據管理。它主要包含對建筑模型、管網模型、設備模型、配件模型，以及模型材質庫方面的數據管理。

(3)其他數據管理。它主要包括對CAD圖紙和數據輸出模板的管理。CAD圖紙管理包括實現CAD圖紙的自動空間數據轉換，并將轉換結果保存于空間數據庫;同時系統(tǒng)為數據輸出提供標準的輸出模板，用戶也可自定義數據模板，滿足用戶結果數據的輸出需求。

3．3 輔助支持

輔助支持主要包括系統(tǒng)對數據的設計能力以及三維平臺所必備的三維引擎功能。

(1)數據工廠。數據工廠對系統(tǒng)最為重要的是FEM模塊以及軸線設計。FEM模塊為系統(tǒng)封裝了對CAD文檔的分析與修改功能，通過系統(tǒng)的FEM模塊能快捷地實現對CAD圖紙的歸檔、分析和模型變換等功能。軸線設計是三維管網輔助設計的核心，對軸線的規(guī)劃與編輯是系統(tǒng)的核心技術。

(2)三維引擎。通過ARCGIS平臺，完成對三維模型的加載、三維場景的構建以及用戶與三維場景的交互操作。

(3)數據可視化。數據可視化是系統(tǒng)的最終展示方式，將三維場景作為系統(tǒng)數據的展示基礎，并輔以多樣化的、符合專業(yè)要求的統(tǒng)計圖表，完成用戶對數據的結果要求。

3．4 智能分析

智勇分析涵蓋系統(tǒng)對數據以及空間的分析能力，為系統(tǒng)的數據提供輸出結果，其核心功能表現為三維分析。

(1)碰撞分析。通過系統(tǒng)編制的空間處理函數，對多個管網進行X、Y、Z 3個平面上的位置分析與對比，用于判斷所設計的管網在實際施工過程中是否會存在相交、互通的可能。

(2)軸線分析。軸線分析主要用于對管網基礎線路的鋪設實現。首先固定軸線，然后由系統(tǒng)根據管網的直徑以及預留工作區(qū)間等相關數值自動對整個管網進行渲染，并以該渲染為基礎作出對應的碰撞分析。

(3)剖面分析。它是設計與安裝過程中工程應用最為廣泛的，通過任意剖面自動切割技術自動生成剖面圖，讓管理者、設計者和系統(tǒng)操作用戶快速查閱剖面信息。

(4)空間距離分析?？臻g距離分析是GIS的基礎技術，主要用于測量檢修空間或安裝空間是否符合要求。

4 實例檢驗

地鐵車站三維輔助建設與管理系統(tǒng)的功能設置和關鍵技術選擇是在前期成果和充分調研的基礎上構建而成的。前期開發(fā)的地鐵車站綜合管網三維沖突分析系統(tǒng)已應用于寧波軌道交通1號線一期工程(含20座車站)的輔助三維設計，應用該系統(tǒng)對每個車站的綜合管網進行碰撞檢查和校核工作，已達到提高地鐵設計效率和設計質量的目標。二、三維一體化功能展示如圖6所示。地鐵車站三維輔助建設與管理系統(tǒng)功能的設置符合實際工程需求，技術選擇先進可行。

圖6 二、三維一體化功能展示

5 結論

地鐵車站三維輔助建設與管理系統(tǒng)立足于建設項目全壽命周期輔助管理，在設計階段可以實現三維協(xié)同設計、沖突分析、剖面分析和快速聯動修改功能;施工階段可遠程調用三維設計模型，漫游整體布局，快速調整安裝過程中的現場變更，縮短安裝耗時，節(jié)約投資;運行維護階段可實時查詢三維信息，在三維環(huán)境下展開應急救援模擬演練，并利用局部快速修改功能將維修信息更新至三維系統(tǒng)中。該系統(tǒng)的建立將為國內建設行業(yè)全壽命周期管理提供可借鑒的參考。

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