基于BIM的設(shè)計施工跨階段數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)研究

琚　娟

(上海建科工程咨詢有限公司，上海　200032)

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基于BIM的設(shè)計施工跨階段數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)研究

琚娟

(上海建科工程咨詢有限公司，上海200032)

基于BIM基準(zhǔn)模型的協(xié)同項目管理，將原來割裂的投資、質(zhì)量、進(jìn)度多目標(biāo)管理，統(tǒng)一為基于BIM基準(zhǔn)模型的動態(tài)優(yōu)化過程，實現(xiàn)了多目標(biāo)聯(lián)動，提升了項目管理的效率。從單階段應(yīng)用擴(kuò)展到建筑工程項目多階段管理應(yīng)用，需要解決跨階段數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)問題。本文提出一種基于BIM的從設(shè)計到施工的跨階段協(xié)同項目管理數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換文件，解決設(shè)計施工跨階段的模型復(fù)用、信息傳遞和設(shè)計變更后多目標(biāo)的信息聯(lián)動問題，真正實現(xiàn)協(xié)同項目管理。

BIM基準(zhǔn)模型； 跨階段數(shù)據(jù)交換； 協(xié)同項目管理

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.04.04

1　引言

建筑工程項目從開始到結(jié)束全生命周期過程中，由于沒有統(tǒng)一的載體，項目信息會在不同階段的銜接處出現(xiàn)斷點，導(dǎo)致下游用戶無法有效獲得上游的數(shù)據(jù)，不同階段信息割裂，業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理等參建單位難以協(xié)同工作[1]。BIM技術(shù)的出現(xiàn)，讓建筑不同階段信息有效傳遞成為可能。

要實現(xiàn)基于BIM的項目管理跨階段數(shù)據(jù)交換，必須建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這是BIM跨階段應(yīng)用的基礎(chǔ)和核心。IFC(Industry Foundation Classes，工業(yè)基礎(chǔ)類)標(biāo)準(zhǔn)解決了BIM的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，定義了BIM對象的基礎(chǔ)類和基礎(chǔ)屬性； OmniClass標(biāo)準(zhǔn)給出了BIM技術(shù)的信息分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，解決了信息的多義性問題，二者均已列入美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)(NBIMS-US)[2-3]。中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院提出了《工業(yè)基礎(chǔ)類平臺規(guī)范》[4]，其等同采用了IFC標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)的制定要求，在編寫格式上作了一些改動。周成[5]提出了設(shè)計階段的信息交付標(biāo)準(zhǔn)，定義了建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備專業(yè)在特定階段所需交付的模型對象與屬性信息。馬智亮等[6]提出了基于BIM 的IPD協(xié)同工作模型與信息利用框架，但是對目前國內(nèi)普遍采用的設(shè)計-招標(biāo)-建造(Design-Bid-Build，簡稱DBB模式)并不適用。陳麗娟等[7]開發(fā)了基于BIM 的大型博覽項目全壽命周期管理平臺，并以武漢國際博覽中心為實例進(jìn)行了驗證，但并未介紹具體的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。

由于建筑工程的多樣性，項目管理目前尚缺乏統(tǒng)一的跨階段信息傳遞內(nèi)容與質(zhì)量的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，這讓參建各方基于BIM的全生命周期協(xié)作并不容易。施工運(yùn)營建筑信息交換標(biāo)準(zhǔn)(Construction Operations Building information exchange，簡稱COBie)[3]解決了基于BIM的從施工階段到運(yùn)維階段的跨階段數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問題，定義了數(shù)據(jù)傳遞流程、格式和方法，美國國家標(biāo)準(zhǔn)和英國國家標(biāo)準(zhǔn)都將COBie納入其參考標(biāo)準(zhǔn)之中，BIM主要軟件廠商(包括Autodesk Revit和Bentley AECOsim等)也已支持其格式。

本文主要研究從設(shè)計階段到施工階段基于BIM的跨階段協(xié)同項目管理數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn).首先定義基于BIM基準(zhǔn)模型的設(shè)計施工協(xié)同項目管理流程，闡述BIM基準(zhǔn)模型的概念，然后提出基于BIM的設(shè)計施工建筑信息交換(Design Construction Building Information Exchange，簡稱DCBIE)方法，包括交換流程、交換內(nèi)容、交換格式3部分，并給出了工程應(yīng)用案例，嘗試建立基于BIM的設(shè)計施工跨階段數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，解決模型復(fù)用、信息傳遞和設(shè)計變更后多目標(biāo)的信息聯(lián)動問題，真正實現(xiàn)協(xié)同項目管理。

2　基于BIM基準(zhǔn)模型的設(shè)計施工協(xié)同項目管理過程

2.1基于BIM的項目管理動態(tài)優(yōu)化過程

建筑工程項目管理過程是一個多目標(biāo)(包括進(jìn)度、費用、質(zhì)量、安全等的)整體優(yōu)化過程，一個目標(biāo)的變動往往會影響到其他目標(biāo)的調(diào)整，但不同目標(biāo)管理往往分屬不同部門甚至多個單位，造成多目標(biāo)聯(lián)動更新困難。

基于BIM基準(zhǔn)模型的項目管理過程優(yōu)化，其核心價值在于將原來割裂的投資、質(zhì)量、進(jìn)度等項目管理目標(biāo)統(tǒng)一為基于BIM基準(zhǔn)模型的動態(tài)優(yōu)化過程，不論參建單位的業(yè)務(wù)流程如何，基于BIM的項目管理過程都可以統(tǒng)一描述為建立BIM基準(zhǔn)模型、工程實施、與基準(zhǔn)模型檢查對標(biāo)、整改完善的PDCA動態(tài)優(yōu)化過程(如圖1所示)。

圖1　基于BIM基準(zhǔn)模型的設(shè)計施工項目管理動態(tài)優(yōu)化過程

建立的BIM基準(zhǔn)模型是一個BIM模型，模型中包含了質(zhì)量、投資、進(jìn)度等管理目標(biāo)的基準(zhǔn)信息，既可以單獨應(yīng)用，也可以聯(lián)動分析。工程實施按照既定的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行，流程中涉及設(shè)計和施工兩個階段中業(yè)主、設(shè)計、施工、造價咨詢等多方角色。檢查對標(biāo)是將實際施工的階段性成果與基準(zhǔn)模型進(jìn)行對比，找出其中的差異性。整改推進(jìn)是對不一致的地方進(jìn)行整改，對工程下一步實施工作進(jìn)行調(diào)整。目標(biāo)計劃調(diào)整之后，需要對基準(zhǔn)模型進(jìn)行修正，在新的修正基準(zhǔn)模型基礎(chǔ)上繼續(xù)實施。

基于BIM基準(zhǔn)模型的設(shè)計施工項目管理動態(tài)優(yōu)化過程，通過打通底層數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多目標(biāo)聯(lián)動，將大幅提高項目管理效率。

與基于二維圖紙的項目管理過程相比，基于BIM基準(zhǔn)模型的設(shè)計施工項目管理動態(tài)優(yōu)化過程具有以下特點：

(1)設(shè)計施工的目標(biāo)統(tǒng)一，從原來相互割裂的投資、質(zhì)量、進(jìn)度等項目管理目標(biāo)統(tǒng)一為BIM基準(zhǔn)模型；

(2)設(shè)計施工的工作介質(zhì)統(tǒng)一，從原來無法數(shù)據(jù)共享的施工圖紙統(tǒng)一為基于BIM基準(zhǔn)模型不斷修正的增量模型；

(3)設(shè)計施工的后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)一，從原來郵件方式的文件傳輸?shù)浇y(tǒng)一平臺的多目標(biāo)流程聯(lián)動，實現(xiàn)項目管理過程可視化追蹤。

2.2BIM基準(zhǔn)模型

BIM基準(zhǔn)模型是項目模型庫中每個構(gòu)件版本在特定時期的一個“快照”，它提供一個項目的階段性標(biāo)準(zhǔn)，施工階段工作均基于此標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過授權(quán)后才能修正基準(zhǔn)模型。建立一個初始基準(zhǔn)模型后，以后每次對其進(jìn)行的修正都將記錄為一個修正記錄，包括增加、刪除、更改構(gòu)件及其屬性的記錄，直到建成下一個基準(zhǔn)模型。

BIM基準(zhǔn)模型簡稱H3W模型，包含4個基本要素：

(1)什么時間(When)；

(2)什么位置(Where)；

(3)什么工藝(How)(包括用多少人工、什么材料、什么設(shè)備和工藝標(biāo)準(zhǔn)等)；

(4)建造什么構(gòu)件(What)。

項目管理目標(biāo)主要包括三個方面：質(zhì)量、進(jìn)度和投資。相應(yīng)的BIM基準(zhǔn)模型主要包括質(zhì)量基準(zhǔn)模型、進(jìn)度基準(zhǔn)模型和投資基準(zhǔn)模型。不同類別的基準(zhǔn)模型是分階段建立的，基準(zhǔn)模型經(jīng)批準(zhǔn)后作為項目實施的基準(zhǔn)，也是項目實施控制的依據(jù)。

對目前國內(nèi)普遍采用的DBB承發(fā)包模式和對采用清單計價的建筑工程，BIM基準(zhǔn)模型的建立順序通常是：

(1)BIM質(zhì)量基準(zhǔn)模型。以設(shè)計單位提交的經(jīng)施工圖審查機(jī)構(gòu)審查合格的施工圖設(shè)計文件配套的BIM模型作為質(zhì)量基準(zhǔn)模型；

圖2　設(shè)計施工數(shù)據(jù)交換流程圖

(2)BIM投資基準(zhǔn)模型。以業(yè)主單位在施工合同清單價格基礎(chǔ)上形成的BIM模型作為投資基準(zhǔn)模型；

(3)BIM進(jìn)度基準(zhǔn)模型。以工程開工前施工單位提交的、經(jīng)業(yè)主審批通過的進(jìn)度計劃為基礎(chǔ)形成的BIM模型作為進(jìn)度基準(zhǔn)模型。

3　基于BIM的設(shè)計施工協(xié)同項目管理數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(DCBIE)

要實現(xiàn)基于BIM基準(zhǔn)模型的設(shè)計施工項目管理動態(tài)優(yōu)化過程，需要從底層打通質(zhì)量、投資、進(jìn)度的數(shù)據(jù)關(guān)系，從而實現(xiàn)多目標(biāo)聯(lián)動。DCBIE數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的目的即在于此，它包括數(shù)據(jù)交換流程、數(shù)據(jù)交換內(nèi)容和數(shù)據(jù)交換格式三部分。

3.1設(shè)計施工數(shù)據(jù)交換流程

設(shè)計施工的數(shù)據(jù)交換主要涉及業(yè)主、設(shè)計、施工、造價咨詢等單位，要實現(xiàn)基于BIM的項目管理PDCA動態(tài)優(yōu)化過程，同時適應(yīng)不同建設(shè)單位的自定義流程，必須對業(yè)務(wù)流程進(jìn)行統(tǒng)一和抽象，而不是基于業(yè)務(wù)的簡單存儲。基于BIM的設(shè)計施工跨階段數(shù)據(jù)交換流程如圖2所示。

業(yè)主單位與設(shè)計單位溝通確定項目需求(包括功能需求、空間需求、設(shè)備需求、投資需求等)之后，設(shè)計單位負(fù)責(zé)從概念到BIM質(zhì)量基準(zhǔn)模型的設(shè)計，基準(zhǔn)質(zhì)量模型包括建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)電設(shè)計、幕墻設(shè)計、景觀設(shè)計等多個專業(yè)模型。

在BIM質(zhì)量基準(zhǔn)模型基礎(chǔ)上，輸入施工合同工程造價信息，形成投資基準(zhǔn)模型。

在質(zhì)量和投資基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，工程開工前，輸入施工進(jìn)度計劃信息，形成BIM進(jìn)度基準(zhǔn)模型。

施工過程中，當(dāng)發(fā)生工程變更時，對變更費用和進(jìn)度進(jìn)行評估，根據(jù)現(xiàn)場簽證、工程變更或費用索賠等情況，經(jīng)業(yè)主審批通過后，同步修正投資、質(zhì)量和進(jìn)度模型。

3.2交換內(nèi)容

要實現(xiàn)DCBIE數(shù)據(jù)交換，必須對交換內(nèi)容進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，包括交換項目標(biāo)準(zhǔn)化、項目字段標(biāo)準(zhǔn)化、字段格式標(biāo)準(zhǔn)化和交換文件標(biāo)準(zhǔn)化。其中最有難度的是交換項目的標(biāo)準(zhǔn)化部分，需要從基礎(chǔ)底層數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象，既能覆蓋必要的交換項目，又盡可能減少冗余，并具有清晰的邏輯關(guān)系。

根據(jù)以上分析，本文提出以基準(zhǔn)模型-偏差-變更為核心要素的信息族，描述基于BIM的設(shè)計施工協(xié)同項目管理的交換項目，如圖3所示。

圖3　DCBIE交換內(nèi)容框架圖

BIM基準(zhǔn)模型由構(gòu)件組成，構(gòu)件具有三維幾何模型及屬性信息，構(gòu)件屬性信息包含了構(gòu)件編碼、位置和工序?qū)傩裕⒗^承了構(gòu)件類型的工藝屬性。根據(jù)實際需要，多個構(gòu)件可以組成不同的樹形構(gòu)件組，如設(shè)計階段建筑構(gòu)件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、機(jī)電構(gòu)件等，或者施工階段的單位工程、分部工程、分項工程等。所有構(gòu)件的質(zhì)量信息構(gòu)成質(zhì)量基準(zhǔn)模型，包括構(gòu)件編碼、位置、幾何形狀、材料、標(biāo)準(zhǔn)等屬性； 所有構(gòu)件的投資信息構(gòu)成投資基準(zhǔn)模型，包括構(gòu)件編碼、單價、數(shù)量、合同價等屬性； 所有構(gòu)件的進(jìn)度信息構(gòu)成進(jìn)度基準(zhǔn)模型，包括構(gòu)件編碼、計劃開始時間、計劃完成時間、人工、設(shè)備等信息。

偏差是工程實施現(xiàn)狀與基準(zhǔn)模型對標(biāo)的結(jié)果，包括構(gòu)件編碼、偏差類型、目標(biāo)值、實際值等屬性。變更是對基準(zhǔn)模型的修正，包括構(gòu)件編碼、變更類型、位置、工序、工藝等屬性。偏差和變更涉及的證據(jù)、流程文件作為文件屬性輸入到相應(yīng)構(gòu)件中。

BIM構(gòu)件類型是非常重要的概念，是指具有固定特征的一類結(jié)構(gòu)組件，相當(dāng)于三維建模環(huán)境中的類對象，如鋼筋混凝土矩形梁、PHC管樁等。同一種構(gòu)件類型，其幾何特征和工藝特征相同，幾何尺寸可變。建筑工程BIM構(gòu)件分類及編碼尚無國家標(biāo)準(zhǔn)，本文參考文獻(xiàn)[8]中的項目名稱和項目編碼，構(gòu)件類型及編碼在參數(shù)選用表中選擇。構(gòu)件工藝標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[9]中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。另外，位置是描述構(gòu)件在某一時刻的局部坐標(biāo)位置，用樓層和軸網(wǎng)表示。工序表示構(gòu)件隨時間從開始到完成的施工過程。

在設(shè)計階段，設(shè)計單位定義了構(gòu)件及構(gòu)件的位置、材料屬性，確定了質(zhì)量基準(zhǔn)模型； 造價咨詢單位定義了構(gòu)件的單價、數(shù)量、合同價屬性，確定了投資基準(zhǔn)模型； 在施工階段，施工單位定義了構(gòu)件的工序、工藝屬性，確定了進(jìn)度基準(zhǔn)模型。通用信息在設(shè)計或施工階段均可定義和更新。

3.3交換格式

在圖3 DCBIE交換內(nèi)容框架圖中，所有交換內(nèi)容用一個Excel文件表示； 這個Excel文件一共包含20張工作表，每一種交換內(nèi)容用一個表格表示； 每一個表格包含固定的字段，代表該交換內(nèi)容的屬性； 每一字段具有明確的格式，如文本型、數(shù)值型、日期型等。

DCBIE通過電子表格進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其交換格式有以下特性：

(1)所有交換內(nèi)容都包含于一個電子表格內(nèi)；

(2)電子表格需要符合設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)格式；

(3)可參考外部文件信息。

4　應(yīng)用案例

下面以一座兩層樓的簡單住宅為例，說明基準(zhǔn)模型的概念，驗證基于BIM進(jìn)行設(shè)計施工數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(DCBIE)的可行性。示例項目包括3個BIM模型：設(shè)計階段BIM模型(質(zhì)量基準(zhǔn)模型和投資基準(zhǔn)模型)、施工階段BIM模型(進(jìn)度基準(zhǔn)模型)和施工階段設(shè)計變更(假設(shè)某個構(gòu)件尺寸發(fā)生變化)后修正的基準(zhǔn)模型分別如圖4～圖6所示。設(shè)計階段BIM模型共包含85個構(gòu)件，施工階段BIM模型共包含88個構(gòu)件(刪除3個，增加6個)， 1個構(gòu)件發(fā)生設(shè)計變更。

數(shù)據(jù)交換步驟如下：

圖4　設(shè)計階段BIM模型

圖5　施工階段BIM模型

圖6　設(shè)計變更BIM模型

設(shè)計階段設(shè)計單位建立BIM質(zhì)量基準(zhǔn)模型(見圖4)及并輸入質(zhì)量信息(見表1)；

2)設(shè)計階段造價咨詢單位讀取質(zhì)量基準(zhǔn)模型，輸入投資信息(見表2)，生成BIM投資基準(zhǔn)模型(模型仍是圖5)；

3)施工階段施工單位讀取投資基準(zhǔn)模型，并進(jìn)行局部修正，假設(shè)根據(jù)施工模擬需要，樓板和屋頂分別分成2塊施工，刪除原來的2個樓板和屋頂，分別新增2個，見圖5中圓形圈注部分和表4加粗部分(樓板被遮擋看不見)，輸入進(jìn)度信息(見表3)，生成BIM進(jìn)度基準(zhǔn)模型(見圖5)；

4)施工階段設(shè)計變更時，對基準(zhǔn)模型進(jìn)行局部修正，假設(shè)一層西側(cè)窗戶類型和尺寸進(jìn)行變更(見圖6中圓形圈注部分所示)，相應(yīng)的質(zhì)量、投資、進(jìn)度信息同步更新(見表4加粗部分)。

表1質(zhì)量基準(zhǔn)模型構(gòu)件信息表

表2　投資基準(zhǔn)模型構(gòu)件信息表

表3　進(jìn)度基準(zhǔn)模型構(gòu)件信息表

表4　設(shè)計變更后基準(zhǔn)模型構(gòu)件信息表

根據(jù)DCBIE定義的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，通過在Revit和Navisworks中開發(fā)插件，可以自動實現(xiàn)上述設(shè)計施工階段的數(shù)據(jù)交換。

5　結(jié)語

本文基于BIM基準(zhǔn)模型重新定義了項目管理流程，在此基礎(chǔ)上提出一種基于BIM的從設(shè)計階段到施工階段的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，稱為DCBIE數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)交換流程、數(shù)據(jù)交換內(nèi)容和數(shù)據(jù)交換格式，從數(shù)據(jù)底層打通了質(zhì)量、投資、進(jìn)度等的數(shù)據(jù)關(guān)系。通過對模型的局部更新解決了從設(shè)計階段到施工階段的BIM模型復(fù)用問題，而不必重新建模； 通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換格式解決了信息傳遞的有效性，避免了信息的重復(fù)輸入； 另外，設(shè)計變更后項目管理多目標(biāo)聯(lián)動更新，避免了不同目標(biāo)單獨修正及可能存在的沖突等問題。

DCBIE數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合了我國的計量規(guī)范和施工質(zhì)量驗收規(guī)范，符合我們的設(shè)計和施工習(xí)慣。同時，由于數(shù)據(jù)交換以表格文件方式進(jìn)行，可與絕大部分建筑工程項目管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在實際應(yīng)用中，通常適用于DBB工程項目管理模式，由業(yè)主牽頭操作，這種模式最突出的特點是強(qiáng)調(diào)工程項目的實施必須按設(shè)計-招標(biāo)-建造的順序進(jìn)行，基準(zhǔn)模型的建立和修正也按照此順序進(jìn)行。DBB模式下，參與項目的各方即業(yè)主、設(shè)計、承包商等在各自合同的約定范圍內(nèi)，行使基于BIM基準(zhǔn)模型進(jìn)行項目管理的相應(yīng)權(quán)利和義務(wù)，在不同階段輸入輸出不同的模型和信息，各方的權(quán)、責(zé)、利分配明確。IPD(項目集成交付)管理模式下同樣可以適用，仍然由業(yè)主牽頭，基于BIM基準(zhǔn)模型的動態(tài)優(yōu)化過程仍然成立，參建各方關(guān)于建模及數(shù)據(jù)交換的職責(zé)沒有明顯區(qū)別，但是質(zhì)量、投資、進(jìn)度等基準(zhǔn)模型建立的時間提前到概念設(shè)計階段，并在后續(xù)過程中持續(xù)優(yōu)化，可以獲得更高的實施效率和效益。

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Research on the Design Construction Building Information Exchange(DCBIE)based on BIM

Ju Juan

(ShanghaiJIANKEEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Shanghai200032，China)

The collaborative project management method based on BIM benchmark model can improve our efficiency of project management，because it represents the project as a multi-objective dynamic optimization processfrom original fragmented management of investment，quality and schedule to a benchmark BIM model.The data exchange standards are fundamental and important when we talk about the exchange based on the benchmark model from one single stage to multi-stages of construction projects.In this article，one standard of design construction building information exchange based on BIM is put forward to realize the collaborative project management，which uses a standard data exchange file to solve many problems such as model reuse，information transfer and multi-objective dynamic modification after design changes.

Benchmark BIM； Design Construction Building Information Exchange； Collaborative Project Management

上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目“房屋建筑工程信息模型協(xié)同管理應(yīng)用技術(shù)研究和示范”(項目編號： 15DZ1203401)； 上海市企業(yè)技術(shù)中心能力建設(shè)項目“上海建科工程咨詢有限公司技術(shù)中心能力建設(shè)項目”(項目編號：滬創(chuàng)新J-2014-05)

F407.9

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1674-7461(2016)04-0021-06