地鐵車站三維輔助建設(shè)與管理系統(tǒng)的構(gòu)建

王淑嬙，王乾坤，何辰琛

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

目前我國地鐵在建設(shè)與管理過程中面臨如下問題:①設(shè)計(jì)階段仍以二維設(shè)計(jì)為主，車站布置不直觀;涉及的工點(diǎn)院和專業(yè)較多，相關(guān)專業(yè)的調(diào)整都會(huì)引起其他專業(yè)設(shè)計(jì)邊界的變化，配合起來既頻且繁［1］。②施工階段管網(wǎng)安裝順序混亂，隨意性強(qiáng)，安裝空間不足或管網(wǎng)沖突時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了工程造價(jià)和施工進(jìn)度［2－4］。③運(yùn)行維護(hù)階段車站歷史信息缺失或維修信息不能及時(shí)更新，信息可追溯性較差?；趯傩怨芾淼膭?dòng)態(tài)三維模擬技術(shù)可有效解決上述問題。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(jì)、施工和管理［5］。國內(nèi)建筑業(yè)關(guān)于三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用局限于數(shù)字化城市和效果宏觀展示等層面，具有工程級(jí)應(yīng)用的三維信息管理平臺(tái)較少。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(jì)院，三維設(shè)計(jì)軟件主要以Bently公司的Microstation為主［6］，覆蓋面窄，且沒有擴(kuò)展至建設(shè)管理全過程?；诖?，筆者提出構(gòu)建地鐵車站三維輔助建設(shè)與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輔助三維設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)變更快速修改和實(shí)時(shí)信息更新等功能，進(jìn)行地鐵工程全壽命周期管理探索，為國內(nèi)地鐵建設(shè)行業(yè)提供可借鑒的參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于二、三維一體化的地鐵車站輔助建設(shè)與管理系統(tǒng)，為地鐵車站協(xié)同設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)安裝、即時(shí)調(diào)整和運(yùn)維信息快速更新及查詢等提供信息管理平臺(tái)。預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下:

(1)自動(dòng)生成三維模型。比例為1:1的三維模型是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是屬性管理、漫游瀏覽和交互操作的基礎(chǔ)，系統(tǒng)讀取標(biāo)準(zhǔn)化后的初始CAD圖紙，將信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中并自動(dòng)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(shí)現(xiàn)“一處修改，關(guān)聯(lián)變化”，以保證信息的唯一性。系統(tǒng)采用構(gòu)件庫和數(shù)據(jù)工廠的FEM模塊以及軸線加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速修改功能。

(3)強(qiáng)化用戶體驗(yàn)。目前三維設(shè)計(jì)軟件不易普及與推廣，軟件界面復(fù)雜、專業(yè)性過強(qiáng)和操作步驟繁復(fù)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(biāo)之一。

(4)面向多數(shù)據(jù)集成。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)源廣泛，涉及建設(shè)與管理全過程，因此系統(tǒng)的開放性、兼容性和可擴(kuò)展性要求較高。

1．2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

采用3層架構(gòu)搭建整個(gè)系統(tǒng)的總體框架，分別為數(shù)據(jù)層、邏輯層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層［7］。數(shù)據(jù)層包括二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)。系統(tǒng)邏輯層基于模型加載、三維驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)分析完成對(duì)具體應(yīng)用業(yè)務(wù)的實(shí)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(tái)行為監(jiān)聽線程完成對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)以及用戶權(quán)限日志的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證功能。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

1．3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)使用方包括建設(shè)管理方、設(shè)計(jì)方和施工方，涉及數(shù)據(jù)量大、信息多，因此采用B/S和C/S相結(jié)合的模式［8］。對(duì)系統(tǒng)中三維部分的操作及相關(guān)應(yīng)用使用C/S模式，以保證數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)順暢運(yùn)行，且不受網(wǎng)絡(luò)帶寬、瀏覽器負(fù)載等方面的影響;其他相關(guān)的業(yè)務(wù)管理功能則使用B/S模式，體現(xiàn)其即時(shí)性和方便性的操作特點(diǎn)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

以統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施的原則為指導(dǎo)，將系統(tǒng)功能定位為基礎(chǔ)功能、應(yīng)用功能和拓展功能。基礎(chǔ)功能主要是三維模型基礎(chǔ)操作;應(yīng)用功能包含三維輔助設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù);拓展功能包括三維應(yīng)急管理和后期資產(chǎn)管理。詳細(xì)功能劃分如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

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(diào)取和運(yùn)轉(zhuǎn)，是與其他應(yīng)用功能和拓展功能關(guān)聯(lián)的途徑。具體內(nèi)容包括:①模型控制功能。模型控制功能包括三維模型導(dǎo)入導(dǎo)出，動(dòng)態(tài)更新，土建層、管網(wǎng)層、裝修層和設(shè)備層分層顯示，動(dòng)態(tài)三維標(biāo)注和屬性數(shù)據(jù)編輯等。②二、三維信息一體化管理。為了實(shí)現(xiàn)“一處修改，關(guān)聯(lián)變化”的目標(biāo)定位，系統(tǒng)需提供二、三維數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)的功能。③模型分析。用于設(shè)計(jì)階段的碰撞沖突分析和管網(wǎng)安裝及設(shè)備維修階段的空間距離測(cè)量分析。

2．3 三維輔助體系

輔助設(shè)計(jì)體系包括輔助設(shè)計(jì)、輔助施工和輔助運(yùn)行維護(hù)管理3個(gè)方面。

(1)輔助設(shè)計(jì)。構(gòu)建協(xié)同三維環(huán)境，真正使整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)者能夠在統(tǒng)一的工作對(duì)象和目標(biāo)中工作，減少相互溝通和返工所用的時(shí)間。以直觀的方式快速修改設(shè)計(jì)，模型的唯一性決定了二維圖紙的唯一性，可提高設(shè)計(jì)效率。基于三維模型的各專業(yè)間碰撞沖突自動(dòng)檢測(cè)功能可提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。具體功能有CAD圖紙二、三維全信息管理，局部設(shè)計(jì)與修改，碰撞沖突檢測(cè)，路徑漫游和三維標(biāo)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(xiàn)在兩個(gè)方面，一是在施工現(xiàn)場(chǎng)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程調(diào)用二、三維信息，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)布局與安裝;二是若現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與設(shè)計(jì)環(huán)境不符，可以迅速將現(xiàn)場(chǎng)信息反饋給設(shè)計(jì)人員，在三維環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)信息進(jìn)行變更，節(jié)約設(shè)計(jì)變更耗時(shí)，同時(shí)也可避免管網(wǎng)安裝過程中實(shí)體管道的重復(fù)拆裝，節(jié)約工程造價(jià)。

圖4 地鐵車站整體三維圖和碰撞點(diǎn)自動(dòng)檢測(cè)

(3)輔助運(yùn)行維護(hù)管理。地鐵車站完工后，所有工程信息包括土建、管網(wǎng)、設(shè)備和裝修信息均反映在三維模型中。在運(yùn)維階段能方便查詢整體信息和局部屬性信息。同時(shí)，各類設(shè)備更新或維修信息也能通過局部設(shè)計(jì)修改功能實(shí)時(shí)反映到三維模型中，保證三維模型與地鐵車站實(shí)體的完全一致性。

2．4 拓展功能

拓展功能主要用于地鐵運(yùn)行過程中，包括應(yīng)急管理和資產(chǎn)管理兩個(gè)方面。

(1)應(yīng)急管理。應(yīng)急管理主要用于地鐵運(yùn)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(xiàn)在培訓(xùn)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(yīng)調(diào)度［9－10］。

(2)資產(chǎn)管理。資產(chǎn)管理是在三維模型及屬性操作的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合地鐵沿線周邊土地開發(fā)和物業(yè)租賃經(jīng)營情況，資產(chǎn)管理包括房屋管理、土地管理、租賃管理、維修管理和機(jī)車管理等內(nèi)容。

3 關(guān)鍵技術(shù)支持

3．1 系統(tǒng)技術(shù)支持體系

實(shí)現(xiàn)上述功能的技術(shù)分為3個(gè)層面，即基礎(chǔ)技術(shù)、輔助支持技術(shù)和智能分析技術(shù)，技術(shù)支持體系如圖5所示。

3．2 基礎(chǔ)技術(shù)

基礎(chǔ)技術(shù)是指搭建系統(tǒng)平臺(tái)所必備的基礎(chǔ)功能技術(shù)，在該平臺(tái)中包括了對(duì)數(shù)據(jù)的管理以及信息系統(tǒng)基礎(chǔ)功能。

圖5 系統(tǒng)技術(shù)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(chǔ)性功能。系統(tǒng)對(duì)用戶、權(quán)限和日志進(jìn)行統(tǒng)一的用戶操作封裝;系統(tǒng)應(yīng)封裝統(tǒng)一的報(bào)表制訂功能，為用戶提供統(tǒng)一的用戶數(shù)據(jù)報(bào)表，同時(shí)系統(tǒng)還應(yīng)該具備報(bào)表自定義功能;系統(tǒng)還應(yīng)封裝工作流自定義功能，為用戶設(shè)置個(gè)性化的工作流應(yīng)用。

(2)三維數(shù)據(jù)管理。它主要包含對(duì)建筑模型、管網(wǎng)模型、設(shè)備模型、配件模型，以及模型材質(zhì)庫方面的數(shù)據(jù)管理。

(3)其他數(shù)據(jù)管理。它主要包括對(duì)CAD圖紙和數(shù)據(jù)輸出模板的管理。CAD圖紙管理包括實(shí)現(xiàn)CAD圖紙的自動(dòng)空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存于空間數(shù)據(jù)庫;同時(shí)系統(tǒng)為數(shù)據(jù)輸出提供標(biāo)準(zhǔn)的輸出模板，用戶也可自定義數(shù)據(jù)模板，滿足用戶結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出需求。

3．3 輔助支持

輔助支持主要包括系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)能力以及三維平臺(tái)所必備的三維引擎功能。

(1)數(shù)據(jù)工廠。數(shù)據(jù)工廠對(duì)系統(tǒng)最為重要的是FEM模塊以及軸線設(shè)計(jì)。FEM模塊為系統(tǒng)封裝了對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)CAD圖紙的歸檔、分析和模型變換等功能。軸線設(shè)計(jì)是三維管網(wǎng)輔助設(shè)計(jì)的核心，對(duì)軸線的規(guī)劃與編輯是系統(tǒng)的核心技術(shù)。

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

(3)數(shù)據(jù)可視化。數(shù)據(jù)可視化是系統(tǒng)的最終展示方式，將三維場(chǎng)景作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的展示基礎(chǔ)，并輔以多樣化的、符合專業(yè)要求的統(tǒng)計(jì)圖表，完成用戶對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)果要求。

3．4 智能分析

智勇分析涵蓋系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)以及空間的分析能力，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供輸出結(jié)果，其核心功能表現(xiàn)為三維分析。

(1)碰撞分析。通過系統(tǒng)編制的空間處理函數(shù)，對(duì)多個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行X、Y、Z 3個(gè)平面上的位置分析與對(duì)比，用于判斷所設(shè)計(jì)的管網(wǎng)在實(shí)際施工過程中是否會(huì)存在相交、互通的可能。

(2)軸線分析。軸線分析主要用于對(duì)管網(wǎng)基礎(chǔ)線路的鋪設(shè)實(shí)現(xiàn)。首先固定軸線，然后由系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)的直徑以及預(yù)留工作區(qū)間等相關(guān)數(shù)值自動(dòng)對(duì)整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行渲染，并以該渲染為基礎(chǔ)作出對(duì)應(yīng)的碰撞分析。

(3)剖面分析。它是設(shè)計(jì)與安裝過程中工程應(yīng)用最為廣泛的，通過任意剖面自動(dòng)切割技術(shù)自動(dòng)生成剖面圖，讓管理者、設(shè)計(jì)者和系統(tǒng)操作用戶快速查閱剖面信息。

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

4 實(shí)例檢驗(yàn)

地鐵車站三維輔助建設(shè)與管理系統(tǒng)的功能設(shè)置和關(guān)鍵技術(shù)選擇是在前期成果和充分調(diào)研的基礎(chǔ)上構(gòu)建而成的。前期開發(fā)的地鐵車站綜合管網(wǎng)三維沖突分析系統(tǒng)已應(yīng)用于寧波軌道交通1號(hào)線一期工程(含20座車站)的輔助三維設(shè)計(jì)，應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)每個(gè)車站的綜合管網(wǎng)進(jìn)行碰撞檢查和校核工作，已達(dá)到提高地鐵設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量的目標(biāo)。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(shè)與管理系統(tǒng)功能的設(shè)置符合實(shí)際工程需求，技術(shù)選擇先進(jìn)可行。

圖6 二、三維一體化功能展示

5 結(jié)論

地鐵車站三維輔助建設(shè)與管理系統(tǒng)立足于建設(shè)項(xiàng)目全壽命周期輔助管理，在設(shè)計(jì)階段可以實(shí)現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計(jì)、沖突分析、剖面分析和快速聯(lián)動(dòng)修改功能;施工階段可遠(yuǎn)程調(diào)用三維設(shè)計(jì)模型，漫游整體布局，快速調(diào)整安裝過程中的現(xiàn)場(chǎng)變更，縮短安裝耗時(shí)，節(jié)約投資;運(yùn)行維護(hù)階段可實(shí)時(shí)查詢?nèi)S信息，在三維環(huán)境下展開應(yīng)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(nèi)建設(shè)行業(yè)全壽命周期管理提供可借鑒的參考。

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