建筑協(xié)同設計的模型視圖管理應用研究

周 成， 鄧雪原

（上海交通大學土木工程系，上海 200240）

建筑設計階段是建筑活動承前啟后的一環(huán)，是多專業(yè)設計人員共同參與完成的工作，主要任務是完成設計圖紙與文檔，CAD技術是輔助工程圖繪制與輸出的重要手段。與手工繪圖相比，建筑CAD設計使建筑設計的幾何信息表達更為準確，并能有效控制圖紙打印的效果。二維CAD圖形通常由大量的點、線、面等幾何元素和灰度、顏色、線型、線寬等非幾何屬性組成。如何管理CAD圖形中所包含的大量信息是設計效率與質量的重要影響因素。CAD圖形信息管理技術應用最為廣泛的是圖層。圖層的應用水平直接影響到模型視圖的管理，影響到視圖信息的共享與交換以及工程圖輸出。圖層標準化對于建筑CAD應用的重要性不言而喻，是國內外學者研究的重點[1-2]，并且已有出版的國際和國家圖層標準[3-4]。而基于圖層標準的模型視圖管理的標準化研究還很缺乏。

在二維CAD建筑設計技術推廣應用的同時，更為高級的三維數(shù)字化建筑設計的研究也在進行。建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）概念于2002年提出，近年來受到建筑行業(yè)廣泛的關注和研究。而對BIM的研究最早開始于1970年，主要研究者是當時任職于卡耐基梅隆大學的Chuck Eastman[5]。BIM旨在促進建筑生命期信息的共享與轉換，在建筑設計階段主要以三維模型表達設計信息。BIM模型基于參數(shù)化對象生成，包含大量屬性與規(guī)則，使模型的表達具有智能性[6]?；贐IM的三維模型支持平、立、剖等視圖的自動生成，各類視圖能保持一致性與自動更新特性。模型視圖管理對于設計成果表達的準確性及可讀性有重要意義，然而卻少有視圖模型管理的研究文獻。

建筑設計工程圖紙通常是多專業(yè)多人共同設計分專業(yè)表達，各專業(yè)表達的內容都是整個建筑工程項目信息的一部分。在設計過程中各專業(yè)需要從其它專業(yè)獲取本專業(yè)設計所需的視圖信息。例如結構專業(yè)需要共享建筑專業(yè)的部分視圖信息——軸線和門、窗、墻的定位等。建筑協(xié)同設計是解決各專業(yè)信息共享與交換的有效手段，它是指在計算機技術支持的網(wǎng)絡環(huán)境中，建筑設計團隊通過信息共享、轉換和相互協(xié)同機制，有序地完成建筑設計任務[7-9]。協(xié)同設計要求多個部門多個專業(yè)共享他人的設計圖形或者模型。一方面，建筑協(xié)同設計正在成為建筑設計領域新的工作模式，并能有效提升設計效率與質量。視圖管理標準化有助于提高視圖信息的易讀性，從而使視圖信息的共享與轉換更加流暢。目前，大多數(shù)建筑設計企業(yè)缺乏嚴格統(tǒng)一的圖層標準，更缺乏視圖的顯示管理標準，設計人員按照個人習慣設置圖形的顯示與分類。這就導致專業(yè)間視圖信息經(jīng)過共享后信息獲取方很難直接得到所需要的圖形信息，為后續(xù)設計帶來不便。另一方面，基于BIM的建筑設計的實踐還比較缺乏，但應用前景很廣闊。雖然BIM建筑設計基于三維模型作信息表達，但二維視圖與圖紙仍是設計的主要部分，也是跨專業(yè)共享與交換的主要信息。目前對于BIM的研究很多，但很少有針對建筑協(xié)同設計階段的模型視圖管理。集成數(shù)據(jù)系統(tǒng)的多視圖建模提供了專業(yè)間信息轉換的方案[10]，但缺乏實用性。為了解決我國建筑設計企業(yè)協(xié)同設計難以推進的困境，上海交通大學和上?，F(xiàn)代建筑設計集團合作承擔了“十一五”國家科技支撐計劃子課題——建筑協(xié)同設計關鍵技術研究，對建筑協(xié)同設計過程中的CAD專業(yè)標準、模型視圖管理標準等作了深入的研究。本文將對建筑協(xié)同設計過程中二維、三維模型視圖管理應用作具體分析。

1 模型視圖管理的技術特點

根據(jù)模型視圖創(chuàng)建的方法，模型視圖可分為兩類：（1）二維CAD軟件以點、線、面等基本幾何對象創(chuàng)建的二維模型視圖；（2）三維模型軟件基于對象創(chuàng)建的模型生成的各類視圖（平面、立面、剖面以及三維視圖等）。兩類視圖的幾何信息是各類建筑對象（如門、窗、墻、柱等）以及文字注釋等組合而成。信息的多樣性與豐富性需要對模型視圖進行規(guī)范管理，以滿足視圖表達以及打印圖紙的需要。從對現(xiàn)有二維CAD系統(tǒng)以及三維建筑設計系統(tǒng)的視圖管理分析來看，主要有以下技術特點。

1.1 基于圖層的模型視圖管理

圖層是CAD系統(tǒng)用于管理幾何信息的最主要技術。圖層應用分層的概念，根據(jù)信息屬性分類組織圖形幾何信息。相同或相近屬性的信息放置于同一圖層，圖層之間相互獨立，圖層的組合完成視圖的綜合信息表達，如圖1所示。圖元信息的可見特性可通過其所在圖層的屬性進行設置，這些屬性包括可見性、線型、線寬、顏色、可編輯性等。圖層是模型視圖的不可見元素，視圖中可見的是圖層內的信息。每一個視圖均包含多個圖層，形成圖層集。二維模型視圖就是單獨的一個視圖，含一個圖層集。而三維模型通常有多個視圖，含多個圖層集。圖層在二維模型與三維模型的應用有所不同。二維模型的信息由點、線、面等簡單的二維幾何對象組成，圖層對于這類信息的管理靈活性更大，可設置可見性、線型、線寬、線顏色等屬性。而三維模型基于對象創(chuàng)建，對象是構件類的實例化，一個對象就是對一類構件信息的完整表達，線、填充等信息作為對象的一部分，因此，圖層在三維模型中的應用主要是對象的可見性管理。將同一類的對象放置于可以設置可見性的圖層，有助于用戶專注于對其工作有用的信息，而隱藏其余無關的信息。另外，圖層的分類與命名標準化對建筑對象分類以及視圖表達規(guī)范化有重要意義。

圖1 圖形的信息分成多個圖層表達

1.2 基于對象的模型視圖管理

建筑三維設計系統(tǒng)按類劃分信息，墻、梁、柱等均作為單獨類，模型中的對象是類的實例化?；趯ο蟮膮?shù)化建模是BIM建模技術的重要特征。在參數(shù)化設計中，構件類預先定義，包括構件類固定和參數(shù)化的幾何信息，以及控制參數(shù)的關系與規(guī)則。構件類的屬性與規(guī)則定義了對象（即構件實例）在視圖中的表達以及與其它構件的關聯(lián)，模型對象根據(jù)關聯(lián)信息的變化而自動更新。BIM建模軟件提供預定義的對象類或族，某些軟件商還提供對象類或族的網(wǎng)絡下載以及自定義對象類的功能。

三維模型是對象的組合表達，平面、立面、剖面以及三維視圖是模型信息的一部分，是模型可視信息的表達。對象的屬性及規(guī)則定義了多種顯示形式，以滿足在不同視圖中表達的需求。比如，對象的屬性定義了其平面視圖的顯示形式，包括線顏色、線寬、線型、填充等信息，以在平面模型視圖中表達。對象在模型視圖中的表達由對象屬性定義，或者由對象所屬類的屬性定義，還可以兩者共同定義，如圖2所示。

類的顯示樣式定義了該類對象的基本顯示方式，基于該類新建對象采用其初始顯示方式，在模型視圖中可重新設置對象的顯示方式。模型視圖的顯示管理是對象顯示樣式的組合管理。模型視圖的顯示配置作為顯示集，是對視圖內所有對象顯示樣式的綜合設置。每一個模型視圖都對應一個顯示集。對于模型視圖的顯示設置方式通常分為兩種：（1）直接對視圖中的對象設置顯示樣式；（2）設置視圖中構件類的顯示樣式。顯示集僅對其應用的視圖起作用，不會影響其它視圖中同類對象的顯示。在實際應用中，可根據(jù)不同的視圖表達需求定義對應的顯示集模板（如平面、立面、剖面都有不同的顯示集模板），以規(guī)范視圖的顯示管理。

圖2 模型、對象、類與視圖之間的關系

2 二維建筑協(xié)同設計的模型視圖顯示管理

2.1 基于二維模型的協(xié)同設計視圖管理方法

二維建筑協(xié)同設計的應用模式通常采用開設共享項目服務器，團隊中的設計人員根據(jù)設置的權限訪問服務器中的文件信息。各專業(yè)成員通過鏈接項目服務器圖形文件的形式共享信息。在建筑設計中，當本專業(yè)參照外專業(yè)的文件信息時，本專業(yè)應用的只是外專業(yè)的部分信息，而且為了與本專業(yè)信息區(qū)分，避免顯示上的沖突，需要作一定的顯示修改，以達到本專業(yè)的繪圖設計要求。比如，給排水專業(yè)參照建筑專業(yè)圖紙時，需要關閉建筑專業(yè)某些信息的顯示和修改建筑專業(yè)某些信息的顏色。

統(tǒng)一的CAD圖層標準是實施建筑協(xié)同設計的基礎，是協(xié)同設計相關流程順利有效進行的前提。統(tǒng)一的圖層標準也是模型視圖管理標準化的基礎。在建筑協(xié)同設計過程中，模型視圖管理除了考慮本專業(yè)的圖形顯示需要，還需結合建筑設計各專業(yè)之間的圖形信息參照流程（如結構專業(yè)參照建筑文件信息、給排水專業(yè)參照建筑文件信息等）。方法如下：在專業(yè)間發(fā)生參照關系的時候，或者參照關系完成時，判定流程類別，自行選擇對應的模型視圖管理配置文件，對參照信息進行設置，如圖3所示。因為一個模型視圖包含了大量的圖層信息，多達幾十甚至上百個圖層，設計人員若自行管理非常繁瑣，且每個設計人員對于其他專業(yè)的圖層信息并不清楚，所以通過軟件系統(tǒng)提供的API進行二次開發(fā)實現(xiàn)模型視圖管理操作，可以大幅增加設計人員使用的準確性與便捷性。

圖3 二維協(xié)同設計視圖管理的實施方法

2.2 基于AutoCAD的協(xié)同設計視圖管理

二維建筑設計CAD軟件的代表是Autodesk公司開發(fā)的 AutoCAD與Bentley公司的MicroStation。AutoCAD在建筑設計領域使用范圍很廣，本文著重分析基于AutoCAD平臺的協(xié)同設計模型視圖管理。AutoCAD應用圖層分類管理視圖信息。圖層的屬性包括開關、凍結、鎖定、顏色、線型、線寬、打印樣式等。開關用于控制視圖信息的可見性；鎖定控制可選擇性；顏色、線型、線寬控制圖形的顯示效果，并與打印樣式結合控制最終打印圖紙效果。圖層的命名與分類標準化是對圖元信息以及視圖進行管理的基礎。外部參照是AutoCAD實現(xiàn)文件信息傳遞與共享的關鍵技術。通過外部參照，參照圖形中的修改將反映在當前圖形中。通過在當前圖形中參照其他設計人員的圖形協(xié)調項目組成員之間的工作，從而與其他設計人員所做的修改保持同步。

建筑設計過程中除了專業(yè)之間的信息共享與交換外，專業(yè)內部也需要作信息的共享與交換。結合AutoCAD的技術特點，以AutoCAD為軟件平臺的協(xié)同設計模型視圖管理實施方法如下。（1）建立各專業(yè)的CAD圖層標準，可有效控制專業(yè)的視圖表達效果與圖紙質量，也有利于專業(yè)內部的信息共享與交換；（2）建立針對信息共享流程的視圖圖層標準，如表1所示，A-S表示建筑專業(yè)信息被結構專業(yè)參照時所定義的視圖圖層修改信息，其它流程與A-S類似，視圖圖層標準信息存儲于配置文件或Excel文件中；（3）執(zhí)行視圖圖層標準，當其它專業(yè)的信息共享到當前視圖后，根據(jù)流程關系執(zhí)行視圖圖層標準，以滿足當前視圖的表達需要。目前，通過為上海現(xiàn)代建筑設計集團、上海核工程研究設計院以及上海華東發(fā)展城建設計集團等設計企業(yè)進行協(xié)同設計平臺推廣，大量應用了本文所介紹的基于圖層的模型視圖管理方法處理各專業(yè)之間的設計信息共享與轉換，就是模型視圖管理的具體應用，取得了良好的效果。

表1 針對專業(yè)之間信息共享流程的視圖圖層標準分類

3 三維建筑協(xié)同設計的模型視圖管理

3.1 基于三維模型的協(xié)同設計視圖管理方法

三維設計在機械工程中的應用已十分普及，然而建筑工程不同于機械工程，在相當長時間內，不可能實現(xiàn)對所有建筑構件進行數(shù)字化加工生產(chǎn)，尤其是混凝土結構，所以還需通過二維視圖（平面、立面、剖面）來表達工程設計?；趯ο蠼⑷S模型，參數(shù)化對象自動更新的特性可保持各視圖之間的協(xié)調性與一致性。建筑設計由多專業(yè)配合完成，模型表達也是分專業(yè)的。視圖一方面滿足本專業(yè)表達需要，另一方面提供給其他專業(yè)共享。不同的設計人員對模型視圖表達的無序會成為協(xié)同設計的最大障礙，使得信息難以共享。因此，三維建筑協(xié)同設計更需要確定的模型視圖標準。模型視圖標準分兩部分：1）本專業(yè)視圖表達標準；2）與其它特定專業(yè)信息共享的模型視圖標準，分別定義各類對象的顯示樣式，以滿足信息接收方的需求。專業(yè)間的信息共享與轉換通過鏈接的方式進行。鏈接的方式可以使被鏈接模型反映在主模型中，當被鏈接模型修改后，主模型會自動更新被鏈接模型信息。三維模型的鏈接內容包括三維模型視圖和各類二維視圖。設計人員可以選擇特定的鏈接信息在主模型中顯示。為保證鏈接模型視圖顯示的準確性，需應用特定傳遞流程的模型視圖標準。視圖顯示標準可在項目模板中定義。采用預先定義視圖的項目模板，則相應視圖會自動生成。因此，基于三維模型的協(xié)同設計顯示管理方法可按以下步驟進行：（1）統(tǒng)一顯示集配置標準；（2）鏈接模型建立用于交換的視圖，并按模型視圖顯示標準定義顯示信息；（3）主模型鏈接參照模型；（4）選擇對應的視圖在主視圖中顯示。

3.2 基于Revit的協(xié)同設計視圖管理

Revit是美國Autodesk公司的三維建筑設計軟件。Revit基于對象創(chuàng)建模型，對象按照類別、族和類型進行分類。類別對建筑模型對象和注釋對象進行分類，如門、窗、墻、柱和文字注釋等類別。族用于根據(jù)對象參數(shù)的公用、使用方式的相同和圖形表示的相似對類別進一步分組。類型則是特定尺寸的模型對象族，是對族的進一步分類。類別、族和類型的相互關系如圖4所示。用戶通過族的類型創(chuàng)建對象實例，各種實例組合成為完整的建筑模型。由建筑模型生成平面、立面、剖面等各類視圖以及相關明細表。

圖4 Revit元素分類

Revit采用基于類的視圖顯示管理方式。當創(chuàng)建對象實例時，實例的初始顯示由該對象類別的可見性參數(shù)控制。對象實例的屬性通常不可設置實例的顯示特性。“對象樣式”是設置對象類可見性參數(shù)的工具，這些參數(shù)包括線寬、線顏色、線型圖案和材質。對象樣式中不僅對對象類的整體可見性參數(shù)進行定義，還可對對象類的部件可見性參數(shù)進行定義。如圖5所示，窗的整體以及部件（玻璃、洞口等）的可見特性可分別設置。

對象樣式定義了模型視圖的初始顯示特性，適用于模型中的各個視圖。對于特定的視圖，可通過視圖的屬性——可見性與圖形替換，如圖6所示，定義視圖中對象的可見性以及對象的顯示樣式?？梢娦?圖形替換可設置當前模型視圖所包含對象可見性，以及線寬、線顏色、填充圖案等。如圖6所示，“可見性”一列中勾選對象表示可見，不勾選對象表示不可見，“投影/表面”以及“截面”可設置對象的線特性與填充圖案?？梢娦?圖形替換可從對象的整體和部件兩個層面來設置可見性參數(shù)。如窗的整體以及部件（如窗的玻璃、洞口等）的可見性參數(shù)可分別設置。對象樣式的可見性參數(shù)和可見性/圖形替換特性共同控制著特定視圖的顯示，而可見性/圖形替換的特性設置優(yōu)先于對象樣式的設置。比如，對象樣式中定義了窗的初始線顏色，而在特定的視圖中可通過可見性/圖形替換再次設置窗的線顏色后，會替換對象樣式中的設置。Revit模型的創(chuàng)建以及視圖的顯示管理可由圖7表示，對象樣式的設置通過類的實例化在模型中表現(xiàn)，模型視圖的顯示屬性設置覆蓋對象樣式的設置。

圖5 Revit對象樣式顯示管理選項

圖6 特定視圖的可見性/圖形替換設置

圖7 Revit模型視圖的管理機制

基于Revit的協(xié)同設計采用鏈接模型的方式。根據(jù)模型視圖管理技術特點，在三維建筑協(xié)同設計中，可利用對象樣式進行本專業(yè)模型視圖管理，利用特定視圖的可見性參數(shù)設置管理專業(yè)間的鏈接模型視圖顯示。Revit的鏈接功能與AutoCAD的外部參照功能相類似，鏈接模型的修改可更新至主模型。利用視圖的可見性參數(shù)設置定義視圖模板，視圖模板分別針對各專業(yè)間模型視圖共享流程定義隱藏和顯示圖元、修改圖元的顯示。比如結構專業(yè)鏈接建筑模型視圖，首先需要在建筑模型中創(chuàng)建專門提交給結構專業(yè)的視圖，然后根據(jù)結構專業(yè)的需求設置這些視圖的顯示，最后，結構專業(yè)鏈接建筑專業(yè)模型，并選擇對應的視圖，就可方便實現(xiàn)三維建筑協(xié)同設計中結構專業(yè)對建筑專業(yè)模型視圖的有效管理。其余專業(yè)間的模型視圖共享與此類似，通過這樣的方法可避免各專業(yè)設計人員在共享其它專業(yè)信息時對模型視圖的無序設置，從而實現(xiàn)各專業(yè)設計人員之間模型視圖信息的有序共享。

4 結 論

模型視圖管理旨在使多專業(yè)多人共同參與設計的模型視圖表達標準化，提高模型視圖信息交換的流暢性與準確性。20多年的二維建筑CAD應用推廣，使得設計人員大多已形成個人使用的二維模型視圖管理方法。而在群體使用的建筑協(xié)同設計中，二維模型視圖管理應用缺乏標準的流程。結合在設計企業(yè)中推廣建筑協(xié)同設計的實踐，本文分析了二維建筑設計的視圖管理技術，并給出建筑協(xié)同設計的視圖管理應用流程。同時，本文從當前建筑設計的發(fā)展趨勢對三維建筑協(xié)同設計的視圖管理方法及流程作了分析，并提出了三維建筑協(xié)同設計的視圖管理流程。但是，由于三維協(xié)同設計在應用經(jīng)驗上的缺乏，視圖管理的標準仍需在實踐中摸索。隨著三維建筑設計使用需求的增加，對三維建筑模型視圖管理的標準化研究與應用會更為迫切。

[1]申志超, 王強強, 謝 衛(wèi). CAD標準是規(guī)范勘察設計企業(yè)協(xié)同設計活動的基本準則[J]. 中國勘察設計,2009, (6): 48-52.

[2]Howard R, Bjork B. Use of standards for CAD layers in building [J]. Automation in Construction, 2007,16(3): 290-297.

[3]ISO 13567: 1998, Technical product documentation -organization and naming of layer for CAD [S].

[4]GB/T 18617. 1-2002. 技術產(chǎn)品文件-CAD圖層的組織和命名第1部分: 概述與原則[S].

[5]Laserin J, 王 新. BIM的歷史[J]. 建筑創(chuàng)作. 2011,(6): 146-150.

[6]Eastman C, Teicholz P, Sacks R, et al. BIM handbook second edition [M]. New Jersey: John Wiley & Sons,Inc. 2010.

[7]王潛平, 林宗楷, 郭玉釵. 計算機支持的協(xié)同設計[J].計算機輔助設計與制造, 1995, (9): 28-30.

[8]周 成, 鄧雪原. 廣域網(wǎng)建筑協(xié)同設計平臺安全性與適用性研究[J]. 土木建筑工程信息技術, 2010,2(2): 16-21.

[9]高佐人, 吳煒煜. 建筑設計協(xié)同系統(tǒng)模型研究與通用平臺實現(xiàn)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2003,CIMS(S1): 112-117.

[10]Hirota T, Hashimoto M. Data model transformation in CAD system for multi-view modeling [J]. Wuhan University Journal of Natural Sciences, 2001, 6(1-2):410-415.