基于IDM的建筑工程設計階段流程圖描述方法研究

明 星，周 成，姚毅榮，鄧雪原

（1.上海交通大學土木工程系，上海 200240；2.上海核工程研究設計院，上海 200233）

Building SMART International是一所致力于推動建筑全生命周期OPEN-BIM的機構(gòu)，正在引領(lǐng)IDM標準的發(fā)展。2007年，Building SMART International發(fā)布IDM指南第一版，由Wix和Karlshoej[1]撰寫。指南中詳細闡述了IDM的任務目標，組成部件及開發(fā)方法，為IDM的研究提供參考，并使得標準的制定規(guī)范化。之后指南進行了兩次修訂，最新版本是2010年發(fā)布的1.2版本，由現(xiàn)任國際IDM協(xié)調(diào)員，丹麥技術(shù)大學副教授、Gravicon公司執(zhí)行總裁Karlshoej Jan編寫。2010年，一個特定版本的buildingSMART IDM方法指南提交給ISO組織，并最終正式成為ISO標準，即ISO 29481-1:2010 建筑信息模型-信息交付手冊-第一部分：方法與格式[2]。今后將有更多的材料會逐步添加到標準中，以使得關(guān)于交互方案的記錄與描述更加清晰，可使針對各方之間的交流過程的階段性定義更加明確。同時，IDM項目也將隨著IDM方法的完善與發(fā)展逐步展開。

目前有關(guān)IDM的學術(shù)文章主要來自美國與北歐。發(fā)表時間集中在2009年之后，表明IDM正處于發(fā)展階段。其中，美國佐治亞理工學院的Eastman[3-4]始終致力于預制混凝土領(lǐng)域的BIM數(shù)據(jù)交互的研究，同時在制定與執(zhí)行過程中對IDM 發(fā)展方法給出了廣泛的建議。丹麥技術(shù)大學的Karlshoej[5]以設計施工統(tǒng)包項目中的招標過程為案例，評估IDM表達某一過程的任務序列，信息需求，組織交互以及邏輯關(guān)系4個方面的能力，驗證IDM的協(xié)同方法能否促進過程的標準化以及IDM中的商業(yè)規(guī)則能否支撐作為信息載體的BIM對象的發(fā)展，并對基于項目的IDM執(zhí)行給出意見。德國雷根斯堡應用技術(shù)大學將IDM引入巖土基建工程領(lǐng)域，描述流程圖及交換需求[6]。佛羅里達大學的Nawari[7-8]對結(jié)構(gòu)工程（包括木結(jié)構(gòu)設計）的IDM與MVD進行了大量的研究與分析。賓夕法尼亞州立大學的BIM執(zhí)行計劃(BIM Execution Planning)致力于多項IDM的制定，其中在暖通工程中已有一定的成果[9-10]。而國內(nèi)對IDM的研究范圍窄、內(nèi)容少，目前的文獻主要為對IDM標準概念性介紹[11-12]，IDM標準的研究方法[13]，以及在某一領(lǐng)域的IDM的基礎(chǔ)研究[14]。2010年清華大學軟件學院BIM課題組提出了中國建筑信息模型標準框架(China Building Information Model Standards, CBIMS)的制定，框架中技術(shù)規(guī)范包括3個方面的內(nèi)容：IFC、IFD和IDM的標準研究[15]，但主要從軟件解決方案的角度來展開。信息的交換需求涉及全生命周期各個階段，IDM標準不可能完全由一家機構(gòu)單獨制定，需要多方共同參與，在每一個領(lǐng)域內(nèi)做出努力。

IDM主要由五部分組成：流程圖、交換需求、功能部件、商業(yè)規(guī)則和有效性測試。流程圖與交換需求是IDM的核心。流程圖定義了針對某一特定主題（如從建筑設計到結(jié)構(gòu)設計）的活動流、所涉及的人員角色以及整個過程中需要信息交換的節(jié)點，同時對各流程及相應子流程有詳盡文字描述。交換需求是對流程圖中的特定活動所需交換的一組信息的完整描述，是從建筑師、工程師、建造師等BIM用戶角度出發(fā)的文字性敘述。

由于建筑活動的多樣性及復雜性，不同建筑在全生命周期的流程和交換需求往往是不同的。但是在建筑設計階段，不同建筑的設計流程和交換需求是有共性的，這為建立建筑設計階段的IDM標準提供了可能。國外有關(guān)IDM的理論與研究方法已很豐富，在結(jié)構(gòu)設計、能量分析、設備運維以及基建工程等多個方面展開了卓有成效的研究，buildingSMART International編寫了IDM手冊并最終成為ISO標準，為IDM標準的制定提供規(guī)范性參考。而在國內(nèi)幾乎沒有對IDM標準的針對性研究，在著力制定國家BIM標準的背景下，需要有更多的研究機構(gòu)投入到IDM標準的研究當中。本文在國外IDM研究基礎(chǔ)上，聯(lián)合上海核工程研究設計院（上海交通大學“工程勘察設計階段BIM應用技術(shù)研究”課題），首次提出基于IDM的建筑設計階段建筑專業(yè)的詳細流程圖描述，推動IDM理論深入到設計企業(yè)，接受實踐檢驗。

1 流程圖的描述方法

1.1 業(yè)務流程建模標注BPMN

IDM中的流程圖繪制采用的是業(yè)務流程建模標記方法(Business Process Modeling Notation,BPMN)。BPMN 是對象管理組織(Object Management Group, OMG)開發(fā)，于2006年正式被采納為用于表達流程圖的標準，最新版本是2011年發(fā)布的2.0版本。BPMN整合了早期模型標注方法的理念，IDEF0(Integration Definition for Function Modeling)中一些有用的概念和UML(Unified Modeling Language)中的活動圖表部件都涵蓋在其中[16]。

BPMN過程模型（如圖1所示）的主要組成部分包括：① 泳池(Swimming Pool)，代表所要描述的流程；② 泳道(Swimming Lane)，一個泳池可以劃分為多個泳道，泳道用于將不同功能性目標的任務歸類，一般可以以角色活動來劃分泳道，另外，信息模型作為單獨的角色類型擁有專屬的泳道，而交換需求作為數(shù)據(jù)對象放置于信息模型泳道；③ 流對象，包含任務(Tasks)，BPMN中的基本單位，用于描述需要完成的工作類型，一個任務可能包含多個子任務，用“+”加以標記，另外任務有可能是需要重復進行的過程，添加循環(huán)符號，事件(Events)用于區(qū)別不同的起始事情或者結(jié)果，網(wǎng)關(guān)(Gateways)用于做決策；④連接對象，包含順序流和消息流。

圖1 BPMN過程模型的組成部分

流程圖的繪制工作可以使用 Microsoft VISIO軟件，其中內(nèi)置了BPMN的各種組成部件。流程圖中的每一個任務都有特定的序號，作為索引，與活動定義表相鏈接，再以表格形式對該活動進行文字性敘述。

1.2 流程定義的標準表格描述

每個流程定義圖都需附加對其進行簡單描述的文字信息。為了IDM標準制定的規(guī)范化，需要事先定制描述模板，模板中羅列一份標準定義所需包含的全部信息，使用者只需填入相應的內(nèi)容即可。在整個流程定義之前是流程圖概述表格如表1所示，用于介紹流程定義所屬的專業(yè)以及項目階段（這里對應于ISO的項目階段定義），同時包括可選的作者信息以及版本號信息，以便進行修訂與管理。而針對活動的具體描述，表2共分為3個部分：功能、分析與表現(xiàn)。功能部分表述對應的活動或任務所需要達到的目標，分析則是由所要實現(xiàn)的功能決定的需要包含的細化的活動內(nèi)容，表現(xiàn)則是整個活動的結(jié)果，最終以怎樣的形式加以提交或呈現(xiàn)。這樣，在標準的方法和體系下，用戶就能夠著手制定IDM標準。

表1 流程圖概述表格

表2 流程描述表格

2 基于IDM的建筑設計流程圖及描述

圖2表達了建筑設計流程，包含兩個部分：建筑師在建筑設計各個階段中的設計過程，與結(jié)構(gòu)、給排水、暖通、電氣等其他專業(yè)和BIM模型協(xié)調(diào)員的交換需求。每個交換需求用信息模型表示，并通過一定的命名規(guī)則進行編碼，“專業(yè)代碼_ER.序號”。同時，一個模型可能需要傳遞給多個專業(yè)，每個專業(yè)需要模型中不同的內(nèi)容，并最終作為自身專業(yè)交流模型的一部分，因此也用一定命名規(guī)則進行編碼，“創(chuàng)建方專業(yè)代碼_ER.序號-接收方專業(yè)代碼_ER.序號”（BIM模型協(xié)調(diào)無專業(yè)代碼，直接采用“專業(yè)代碼-BIM_Co”的命名規(guī)則，Co為Coordinate的縮寫，代表分析類型）。

在方案設計階段，建筑師根據(jù)業(yè)主需求形成場地和體量模型A_ER.0。在初步設計階段，形成包含一定建筑構(gòu)件的BIM初步設計模型A_ER.1。同時，接收結(jié)構(gòu)模型(S_ER.1-A_ER.2)、給排水模型(P_ER.1-A_ER.2)、暖通模型(M_ER.1-A_ER.2)、電氣模型(E_ER.1-A_ER.2)進行建筑詳細設計，形成BIM詳細設計模型A_ER.2。最終將A-BIM_Co信息模型交付給BIM模型協(xié)調(diào)員。

表3是對整個建筑設計流程圖的概括性描述。

圖2 建筑專業(yè)BPMN流程圖

表3 建筑設計流程圖概述

表4～表9是對建筑設計的各個過程的描述表格，詳細描述了從建筑方案設計(ID:1.1)到建筑詳細設計審核(ID:1.6)的各項要求（各過程的ID詳見圖2）。

表4 建筑方案設計(ID:1.1)

表6 建筑初步設計(ID:1.3)

表7 初步設計階段審核(ID:1.4)

表8 建筑詳細設計(ID:1.5)

表9 詳細設計階段審核(ID:1.6)

3 討論與展望

流程圖的描述方法，即業(yè)務流程建模標注BPMN和用于流程定義的標準表格，使用已經(jīng)較為廣泛，特別是前者，由于它具有可直接轉(zhuǎn)換為業(yè)務流程執(zhí)行語言(Business Process Execution Language, BPEL)、可基于XML方法進行流程控制等優(yōu)點而被廣泛采用。

本文核心內(nèi)容是建筑工程設計階段的流程圖描述，首先給出了建筑設計的總體流程圖，包括建筑、結(jié)構(gòu)和MEP專業(yè)，接下來通過與建筑設計院合作，提出了建筑專業(yè)的設計流程圖，對建筑方案設計、方案階段審核、建筑初步設計、初步設計審核、建筑詳細設計、建筑詳細審核以及形成建筑BIM模型等7個流程控制節(jié)點進行了詳盡的功能描述、分析和表現(xiàn)。但是要成為行業(yè)IDM標準還需要多方共同商討決定，研究人員需要和設計院合作，以具體工程項目為案例來應用這套標準，以期不斷調(diào)整和完善該標準，使其能夠真正指導設計院工作，解決當前BIM技術(shù)下信息傳遞無序、無規(guī)則的現(xiàn)狀。

基于建筑專業(yè)的流程圖描述，作者還對結(jié)構(gòu)專業(yè)和MEP專業(yè)進行了詳盡的設計流程圖描述，方法是類似的，由于篇幅所限，將在后續(xù)文章中發(fā)表闡述。另外，IDM的兩大核心之一的交換需求，在流程圖中已經(jīng)予以體現(xiàn)，但并沒有給出詳細的描述，作者已經(jīng)對其進行了研究，并通過和設計院合作進行了表達。

IDM標準是否能真正應用到BIM軟件，還取決于模型視圖(Model View Definition, MVD)。MVD是建筑產(chǎn)品模型格式（通常為IFC）的子集，它提供一套完整的信息概念描述，用于AEC（建筑/工程/建造）工作流中的特殊信息交換。也就是說，針對特定BIM軟件之間的特定目的的信息交換，利用IFC標準表達IDM標準，再輔以程序支持，最終實現(xiàn)有效且有用的BIM軟件數(shù)據(jù)傳遞。關(guān)于MVD的研究以美國牽頭正在各國陸續(xù)開展，多個模型視圖定義已共享到互聯(lián)網(wǎng)[17]，這也將是作者重點關(guān)注與研究的方向之一。

4 結(jié)論

本文對基于BIM的建筑協(xié)同設計工作模式進行定義，用BPMN方法繪制建筑專業(yè)從方案設計到形成BIM模型的整個流程圖，描述了每個流程模塊的詳細活動內(nèi)容以及存在信息交互的流程節(jié)點。主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下：

（1）業(yè)務流程建模標記BPMN是繪制流程圖的有效方法。通過事件、活動、連接對象與網(wǎng)關(guān)的組合，配合以描述活動的功能、分析以及表現(xiàn)的定義表格，即可將建筑設計的流程表達清楚。

（2）流程的定義不是針對一款或一類BIM平臺軟件的操作指南，而是對整體業(yè)務模式的把握，同時也是專業(yè)間信息交換需求定義的前提。本文對建筑工程整個設計流程做了概述，并對建筑專業(yè)設計流程做了具體的定義，為后續(xù)研究基于BIM技術(shù)的數(shù)據(jù)共享與交換奠定了基礎(chǔ)。

[1]Wix J, Karlshoej J.Information delivery manual guide to components and development methods [EB/OL].(2010-05-12).http://iug.buildingsmart.org/idms/metho ds-and-guides.

[2]ISO 29481-1:2010, Building Information Modeling—Information Delivery Manual— par1: Methodology and format [S].

[3]Jeong Y, Eastman C, Sacks R, Kaner I.Benchmark tests for BIM data exchanges of precast concrete [J].Automation in Construction, 2009, (18): 469-484.

[4]Panushev I, Eastman C, Sacks R, Venugopal M, Aram V.Development of the national BIM standard (NBIMS)for precast/prestressed concrete [C]//Proceedings of the CIB W78 2010: 27th International Conference -Cairo, Egypt, 2010: 18.

[5]Karlshoej J.Information delivery manuals to integrate building product information intodesign [C]//Proceedings of the CIB W78 -W102 2011:International Conference- Sophia Antipolis, France,2011.

[6]Obergriesser M, Borrman A.Infrastructural BIM standards-development of an information delivery manual for geotechnical design and analysis process [J].Ework and Ebusiness in Architecture, Engineering,Construction, 2012: 581-587.

[7]Nawaril N.Standardization of structural BIM [C]//Proceeding of the 2011ASCE Int.Workshop on Computing in Civil Engineering, 2011: 405-412.

[8]Nawari1 N.BIM standardization and wood structures [C]//Proceeding of the 2012 ASCE Int.Workshop on Computing in Civil Engineering, 2012: 294-300.

[9]Liu Y, Leicht R, Messner J.Identify information exchanges by mapping and analyzing the integrated heating, ventilating, and air conditioning (HVAC)design process [C]//Proceeding of the 2012 ASCE Int.Workshop on Computing in Civil Engineering, 2012:618-625.

[10]LEE Sanghoon, Liu Yifan, Chunduri S, Solnosky R,Messner J, Leicht R, Anumba C.Development of a process model to support integrated design for energy efficient buildings [C]//Proceeding of the 2011ASCE Int.Workshop on Computing in Civil Engineering,2012: 261-268.

[11]李楚舒, 崔 路.基于IFC的建筑協(xié)同設計標準研究初探[J].土木建筑工程信息技術(shù), 2011, 3(2):1-4.

[12]何關(guān)培.實現(xiàn)BIM價值的三大支柱-IFC/IDM/IFD [J].土木建筑工程信息技術(shù), 2011, 3(1): 108-116.

[13]周 成, 鄧雪原.IDM標準的研究現(xiàn)狀與方法[J].土木建筑工程信息技術(shù), 2012, 4(4): 22-27.

[14]靳 金, 安景合, 黃錳鋼.BIM信息交換流程標準制定方法研究[J].土木建筑工程信息技術(shù), 2012,4(4): 15-21.

[15]清華大學軟件學院BIM課題組.中國建筑信息模型標準框架[J].土木建筑工程信息技術(shù), 2010, 2(2):1-5.

[16]Wix J.Quick guide: business process modeling notation[EB/OL].(2007-01-08).http://iug.buildingsmart.org/idms/methods-and-guides.

[17]See R.IFC solution factory: model view definition site [EB/OL].(2013-05-23).http://www.blis-project.org/IAI-MVD/.