地铁车辆段室外综合管线三维设计与管理系统

缪 东

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉／／教授级高级工程师）

地铁车辆段室外综合管线（以下简称“室外综合管线”）担负着车辆段内各种能源、信息的传输以及废污的排放，种类多、专业接口多、边界条件复杂，一直是地铁车辆段设计与管理的重点和难点。

目前，室外综合管线在设计与管理过程中面临的问题是：①一般情况下，室外综合管线交叉点数不少于400个，由于二维平面图纸不直观，多专业设计内容互为边界条件，故设计阶段协调难度大。②施工阶段管线安装顺序随意性强。由于施工顺序不当引发的安装空间不足或管线冲突时有发生，造成重复或废弃工程，严重影响了工程造价和工程进度［1－2］。③由于缺乏有效的信息技术手段，目前建设项目决策、设计、施工、运营各个阶段信息分隔管理，信息传递及保存以纸质介质为主，信息协同性差，信息利用价值低［3］。

基于项目属性管理的全生命周期动态三维数字化技术可有效地解决上述问题。在美国、欧洲和日本等发达国家，包括地铁和其他公共建筑在内的大型基础设施建设管理的全过程均已应用了三维数字化技术辅助设计、施工和管理。目前国内地铁的三维数字化管理尚处于起步阶段，其应用也仅局限于少数设计院。三维设计软件主要以Bentley 公司的Microstation软件为主，覆盖面窄，且没有扩展至建设管理全过程［4］。基于上述背景，本文提出一种室外综合管线三维设计与管理系统的解决方案，实现三维辅助二维设计、根据现场施工情况快速修改相关信息和实时信息更新等功能，进行室外综合管线工程全生命周期三维数字化信息管理的探索，为室外综合管线三维设计与管理提供参考。

1 系统总体架构

1.1 系统设计目标

基于二维、三维设计软件构建室外综合管线三维辅助设计与管理系统，为室外综合管线多专业协同设计、施工配合和运营维护信息更新及查询等提供数字化设计及管理平台。拟达到如下目标：

（1）快速创建三维模型。系统根据各专业所提供的管线二维设计图纸，调用参数化建模功能及标准化数据库，按1：1的比例快速创建三维模型，作为室外综合管线信息管理和交互操作的基础。

（2）快速修改三维模型。系统采用参数化方法创建管线三维对象，以实现通过快速调整相关参数完成三维对象的快速修改。

（3）用户操作界面友好。能够进行方便、快速、多种形式的查询检索。

（4）面向多数据集成。该系统数据源广泛，涉及设计与管理全过程，因此系统应具备较强的开放性、兼容性和可扩展性。

1.2 系统逻辑架构

整个系统采用3层架构搭建，分别为平台层、数据层和应用层。平台层提供基础框架和可重用组件，数据层包括二维数据、三维数据和文件数据，应用层基于数据中心平台完成具体应用业务的实现。为保证系统操作数据的安全性，系统采用后台行为监听线程完成对数据的保护以及用户权限、日志的动态验证功能［4］。系统逻辑架构图如图1所示。

图1 系统逻辑架构

1.3 系统网络拓扑结构

系统用户主要包括建设管理单位、设计单位和施工单位，交互信息多，数据量大，故采用浏览器／服务器（B／S）和客户机／服务器（C／S）相结合的模式［4－5］。系统中三维模型创建、修改、浏览等应用程序模块采用C／S模式，以保证操作流畅。其他相关的管理功能使用B／S 模式，以确保时效性和便捷性。系统网络拓扑结构如图2所示。

图2 系统网络拓扑结构

2 系统功能设计

2.1 系统功能结构

基于系统实用性、标准化及完备性等原则，将整个系统分为三维模型创建功能、三维辅助应用。三维模型创建功能主要包括与室外综合管线强相关的建构筑物模型创建、各专业管线模型创建和三维出图功能；三维辅助应用主要包含三维辅助设计、三维辅助施工和三维辅助运维，系统功能细分如图3所示。

2.2 三维模型创建

三维模型是室外综合管线信息的载体，模型的快速、准确建立是系统其他功能的基础。系统需建立管线及连接件数据库、建构筑物模型数据库及参数化建模功能，并实现既有三维设计软件对所开发数据库及参数化建模功能的无缝调用，以实现室外综合管线三维模型的快速创建，方便三维模型实时浏览、漫游、动态快速标注及属性管理。

2.3 三维辅助应用

2.3.1 三维辅助设计

基于所引入的三维协同设计平台，进行室外综合三维设计，减少反复沟通与重复调整的时间；利用系统所建立的数据库及参数化建模工具直观快速修改设计。三维模型的唯一性决定了二维施工图纸的唯一性，可提高设计效率。

图3 系统功能结构

基于三维模型进行多种管线间碰撞检查，查出硬碰撞（指管线实体与实体之间交叉碰撞）及软碰撞（指实体间空间位置未发生重叠，但空间敷设间距不满足规范要求）的问题，并在三维环境中提出虚拟解决方案。三维模型的合理性决定了二维施工图纸的合理性，可提高设计质量。图4为三维辅助设计示意图。

图4 三维辅助设计示意图

2.3.2 三维辅助施工

系统在施工阶段功能包括：①施工单位可通过网络远程调用三维信息，直观了解不同管线间的相对空间位置，辅助理解二维图纸，指导现场管线布局与安装，避免施工与设计意图不符。②如果现场情况与设计环境不符，可以通过网络迅速、直观地将现场信息反馈至设计人员，在三维环境下虚拟调整，找出最佳解决方案，以节约设计变更耗时，避免管线埋设过程中的重复拆装和废弃工程，节约工程投资。

2.3.3 三维辅助运维

系统可在车辆段竣工后，将建构筑物、室内综合管线和机电设备等信息综合，形成车辆段三维模型，可方便运营人员查询整体信息和局部属性信息。同时，各类设备更新或维修信息也能通过修改功能实时反映到三维模型中，保证三维模型与地铁车辆段实体的一致性，为实现地铁车辆段全生命周期的数字化管理奠定基础。

3 系统关键技术支持

3.1 基础功能技术

系统基础功能技术主要包括对数据的管理以及信息系统基础功能。

（1）信息系统基础功能。系统对用户、权限和日志进行统一的用户操作封装；用户操作界面友好，同时具备自动生成、自定义数据报表功能。

（2）三维数据管理。主要包含对各专业管线模型、建构筑模型、设备模型、配件模型，以及建构筑物模型数据库、管线及连接件模型数据库、模型材质库等专用数据库进行数据管理，并提供拓展接口。

（3）其他数据管理。主要包括为数据输出提供标准或自定义数据输出模板，满足用户对结果数据的输出需求。

3.2 辅助技术

辅助技术主要包括系统所必备的三维设计平台、自主开发功能与Bentley软件平台的兼容性［6］。

（1）系统所必备的三维设计软件。系统通过Bentley软件平台实现室外综合管线及相关模型的创建、加载、漫游及相关用户交互功能。

（2）自主开发功能与Bentley软件平台的兼容性。系统通过对Bentley软件平台进行二次开发，完成了室外综合管线专用三维建模功能，实现了Bentley软件平台对所开发功能的无缝调用。

3.3 碰撞分析技术

利用系统编制的室外综合管线空间位置距离计算函数，对管线交叉点处各管线之间的距离及埋深进行计算，并自动与设计规范进行比对后，将存在硬碰撞或软碰撞的问题点的相关数据输出至电子表格，且在三维模型中对问题点进行标记。

4 系统应用实例

室外综合管线三维设计与管理系统是在多年工程实践经验的基础上构建而成的，已应用于某车辆段室外综合管线的辅助三维设计中，并进行了碰撞分析，发现有效碰撞点22处，并在虚拟环境中提出了解决方案，达到了提高地铁室外综合管线设计效率和设计质量的目标，获得了建设单位及施工单位的支持与认可。碰撞分析及虚拟解决方案示例如图5所示。

图5 碰撞分析及虚拟解决方案示例

5 结语

通过建立管线及连接件标准化数据库、建构筑物标准化数据库及参数化建模工具，在设计阶段实现了快速创建三维模型、碰撞分析及快速修改功能，提高了设计效率及质量；在施工阶段可实现远程调用、实时浏览三维设计模型，以提高与施工管理的沟通效率，避免重复或废弃工程；在运维阶段可实现管线三维信息实时查询功能、更新及修改功能，为地铁车辆段进行全生命周期管理奠定基础。该系统的建立将为地铁车辆段室外综合管线三维设计、车站综合管线三维设计、建设项目全生命周期管理提供参考。

［1］王慧霞.地铁车辆段室外综合管线三维设计研究［J］.城市轨道交通研究，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 技术的工程信息管理模式与策略［J］.工程管理学报，2012，4（26）：17.

［4］王淑嫱，王乾坤，何辰琛.地铁车站三维辅助建设与管理系统的构建［J］.武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2012，3（34）：289.

［5］王乾坤，刘昆玉.地铁工程建设应急管理系统的设计［J］.土木工程与管理学报，2011，28（2）：68.

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