建筑項目MEP設計的BIM信息交付

賴華輝， 周 成， 鄧雪原

(1. 上海交通大學 土木工程系， 上海 200240； 2. 奧雅納工程咨詢(上海)有限公司， 上海 200031)

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)已被廣泛應用于建筑項目規(guī)劃、設計、施工、運維與拆除等階段，其焦點之一是建筑項目不同專業(yè)之間的協(xié)同工作。建筑項目協(xié)同的核心是數(shù)據(jù)交互。在建筑項目生命周期中，各專業(yè)應用的BIM數(shù)據(jù)不斷被創(chuàng)建、積累。為促進各應用之間的數(shù)據(jù)交互，國際組織buildingSMART研究IFC(Industry Foundation Classes)標準用于描述建筑項目各專業(yè)數(shù)據(jù)，并支持各方數(shù)據(jù)交互。然而，實際的業(yè)務應用是基于特定信息。傳統(tǒng)方法是由下游應用人員根據(jù)自身經(jīng)驗從上游模型中手動選擇并提取所需的構(gòu)件及其信息，難以保證信息的準確性，且處理效率低。同時，不同人員處理形成的子模型數(shù)據(jù)不盡相同，難以重復使用。如何規(guī)范建筑項目不同業(yè)務應用所需信息定義是亟待解決的問題。

BuildingSMART研究的IDM(Information Delivery Manul)標準[1]提供一種定義建筑項目特定應用的流程和信息需求的標準化方法。一個早期的IDM項目是Eastman關(guān)于預制混凝土領域的數(shù)據(jù)交互流程和數(shù)據(jù)交換需求的研究[2,3]。Nawari[4]基于IDM標準研究拉伸結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交互需求表達。Sacks等[5]將IDM應用在公路橋梁領域，為研發(fā)的SeeBridge系統(tǒng)制定數(shù)據(jù)收集流程、描述三維模型重建過程和表達幾何信息。Liu等[6]在暖通領域擴展了IDM方法，將信息需求映射到IFC，gbXML，EnergyPlus等數(shù)據(jù)中。上述的國外研究為國內(nèi)IDM發(fā)展提供了理論基礎，但仍需充分結(jié)合我國建筑項目的特點。清華大學課題組基于IFC，IFD(Interface Functional Description)和IDM等提出中國建筑信息模型標準框架[7]。明星等[8]采用IDM方法繪制建筑專業(yè)設計階段的數(shù)據(jù)交互流程。勒金等[9]基于IDM研究從建筑設計到算量的BIM信息交換流程。成榮榮等[10]采用IDM方法分析建筑智能化設計流程，并從軟件解決的角度定義部分任務信息和交換需求。我國目前的IDM研究主要聚焦于理論設計層面，仍未進行實際項目驗證，且相關(guān)研究僅應用在某些特殊領域。本文以建筑項目綜合系統(tǒng)MEP(Mechanical, Electrical & Plumbing)的設計信息交付為研究對象，基于IDM標準詳細分析MEP工程在設計階段的BIM信息交付流程，并設計數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣，明確各階段各設施設備交付的數(shù)據(jù)交換需求。最后，采用實際項目驗證該方法的可行性，為其它工程的BIM信息交付應用提供參考。

1 IDM方法

1.1 IDM作用

為指導并規(guī)范建筑項目的數(shù)據(jù)交換，buildingSMART提出信息交換框架(Information Exchange Framework)[11](圖1)。整個框架呈金字塔形，任何一層都在下一層的基礎上實現(xiàn)。該框架最底層是集成建筑項目所有數(shù)據(jù)的信息模型，在建筑領域即為IFC模型。它是建筑領域數(shù)據(jù)交換的基礎。第二層是MVD(Model View Definition)標準，它能夠滿足特定業(yè)務內(nèi)軟件應用所需的數(shù)據(jù)要求，是IFC標準的子集。中間層是軟件解決方案，是根據(jù)第二層的交換數(shù)據(jù)而研發(fā)的軟件方案。第四層是IDM標準的交換需求，它是滿足特定業(yè)務應用需求的信息集合。該交換需求表達與數(shù)據(jù)格式無關(guān)，即與IFC無關(guān)。它指導著下層軟件解決方案從完整的信息模型中提取所需的數(shù)據(jù)。頂層是用戶的業(yè)務應用實施。

圖1 基于BIM技術(shù)的信息交換框架

從圖1可見，IFC，IDM，MVD是基于BIM技術(shù)的信息交換框架的三個重要組成部分(簡稱“BIM信息交換三要素”)。IFC標準支持建筑項目生命周期的所有信息表達，可為不同階段的業(yè)務應用提供基礎數(shù)據(jù)；IDM標準用于對特定階段的應用流程和信息需求進行標準化描述，為軟件從完整的模型中提取所需的信息集合提供依據(jù)；MVD標準的作用是將IDM標準中描述的信息需求轉(zhuǎn)換為軟件可識別的IFC數(shù)據(jù)，形成特定應用所需的子模型。IFC，IDM，MVD三要素的結(jié)合能夠有效實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的信息交換。IDM標準是三要素之間的紐帶。本文主要研究MEP設計中BIM信息交付的IDM應用。

1.2 IDM組成

IDM標準主要由五部分組成[11]：流程圖、交換需求、功能部件、業(yè)務規(guī)則、驗證測試。其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 IDM的組成

(1)流程圖(Process Map，PM)：根據(jù)特定業(yè)務應用的目標，PM定義了各階段的任務內(nèi)容，以及相關(guān)角色，并記錄各子流程與各任務的詳細描述。在IDM標準中，PM的繪制主要采用BPMN(Business Process Modeling Notation)方法[12]。一個流程圖中可能包含多個交換需求。

(2)交換需求(Exchange Requirements，ERs)：ERs描述了PM中特定任務所需的數(shù)據(jù)，包括輸入或輸出的數(shù)據(jù)需求。ERs是交換數(shù)據(jù)的集合[13]。該集合采用非技術(shù)格式描述，主要由該業(yè)務應用的建筑人員定義。

(3)功能部件(Functional Parts，F(xiàn)Ps)：FPs能夠?qū)Rs定義的信息描述轉(zhuǎn)換為以技術(shù)性語言描述的信息(具有相應數(shù)據(jù)格式)。一個ER可能由多個FPs支持，一個FP可能被多個ERs使用。FPs由軟件廠商支持，以形成特定ERs的解決方案。

(4)業(yè)務規(guī)則(Business Rules，BRs)：交換的信息由ERs定義，而信息的詳細程度由BPs規(guī)定。可參考當?shù)貥I(yè)務應用的數(shù)據(jù)標準進行定義。

(5)驗證測試(Verification Tests，VTs)：VTs的目的是檢驗軟件輸出的模型信息是否符合ERs定義的要求。

值得說明的是，該架構(gòu)的組織形式遵循兩項準則：(1)流程及相關(guān)活動的定義位于頂層，中間層是數(shù)據(jù)交換需求的描述，底層是與軟件實施相關(guān)的內(nèi)容；(2)建筑人員主要負責流程圖和交換需求定義，而軟件研發(fā)人員主要負責與軟件實施相關(guān)的功能部件。本文主要從建筑人員的角度出發(fā)，研究MEP工程在設計階段的信息交付流程(PM)和數(shù)據(jù)交換需求(ERs)的定義。

2 MEP設計的BIM信息交付方法

2.1 基于IDM的設計交付流程

建筑工程設計階段包含多個專業(yè)，如建筑、結(jié)構(gòu)、MEP等，不同專業(yè)設計人員完成各自的設計模型后，需要與其它專業(yè)協(xié)同，以保證多專業(yè)設計模型的有效性。經(jīng)過與設計人員調(diào)研，在我國建筑項目設計階段各專業(yè)之間的協(xié)同任務中，MEP系統(tǒng)的設計交付過程主要與建筑專業(yè)產(chǎn)生交集。采用BPMN方法研究并設計MEP系統(tǒng)與建筑專業(yè)之間各階段的協(xié)同過程，如圖3所示。其中，IDM實施指南采用通用流程協(xié)議(Generic Process Protocol，GPP)劃分建筑項目生命周期各階段。結(jié)合我國建筑設計過程的特點，設計過程劃分為方案設計、初步設計、施工圖設計等階段。

圖3 基于BPMN的MEP與建筑專業(yè)之間的信息交付流程

為便于軟件識別與區(qū)分，每個任務模塊增加設計交付流程的時序編號。圖3中每個ER采用信息模型表示，并設置統(tǒng)一的編碼規(guī)則，即“創(chuàng)建方專業(yè)代碼_ER.版本號”。進一步，需提取完整模型中的部分數(shù)據(jù)形成子模型，以交付其它專業(yè)。采用“創(chuàng)建方專業(yè)代碼_ER.版本號-接收方專業(yè)代碼_ER.版本號”的統(tǒng)一編碼規(guī)則命名該子模型。對于協(xié)同應用的專業(yè)模型，采用“創(chuàng)建方專業(yè)代碼-BIM_Co”的編碼規(guī)則(Co表示Coordinate)。統(tǒng)一編碼方式不僅有利于規(guī)范建筑人員對信息模型的使用，也能夠提高軟件對信息模型的處理效率。

應該說明的是，MEP包括暖通、電氣、給排水專業(yè)，圖3以MEP(此處使用代碼“M”)作為整體系統(tǒng)說明MEP與建筑專業(yè)之間的協(xié)同關(guān)系，在實際設計流程中，MEP將進一步細分為暖通、電氣、給排水專業(yè)(創(chuàng)建方專業(yè)代碼分別為“M”“E”“P”)。圖4展示了給排水專業(yè)設計階段的信息交付流程。

圖4 基于BPMN的給排水專業(yè)設計信息交付流程

進一步，需詳細描述流程圖中每個任務，以明確各任務的工作內(nèi)容。采用功能描述、分析、表現(xiàn)等分類統(tǒng)一流程圖中各任務的描述模板。圖5展示了給排水專業(yè)信息交付流程中任務3.1和子任務3.1.2的詳細描述。

2.2 基于IDM的數(shù)據(jù)交換需求

在圖4的流程圖中，每個任務可能需要其它專業(yè)的交付數(shù)據(jù)，如任務3.3需要輸入信息模型A_ER.1-P_ER.1，或產(chǎn)生自身專業(yè)的信息模型，如任務3.4經(jīng)審核通過后形成信息模型P_ER.1，并形成其它專業(yè)所需的子模型(如P_ER.1-A_ER.2)。在不同階段，每個專業(yè)交付的信息模型所包含的構(gòu)件與屬性的信息詳細程度各不相同。因此，需針對不同階段的信息模型定義相應的數(shù)據(jù)交換需求。通過調(diào)研設計單位，整理并分析暖通、電氣、給排水專業(yè)各階段交付模型的數(shù)據(jù)需求[14]。為統(tǒng)一MEP系統(tǒng)各專業(yè)信息模型的數(shù)據(jù)需求定義，設計如圖6所示的數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣。該矩陣的橫軸為不同的信息模型，縱軸為信息模型中的對象或信息。在MEP設計的數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣中，縱軸的“對象組/信息組”主要包括項目、系統(tǒng)、管道、管件、設備等。其中，“設備信息”列舉了暖通、電氣、給排水專業(yè)的主要設備。針對MEP系統(tǒng)設施設備的特點，“屬性信息”主要包括幾何、位置、系統(tǒng)、材質(zhì)、特殊屬性等類型。為明確模型創(chuàng)建方或接收方的數(shù)據(jù)交換需求，矩陣中采用“R(Required，需要)”“O(Op-tional，可選)”“(空)(不填)”三個選項表示對應信息是否需要的狀態(tài)。特別地，幾何信息的詳細程度是影響構(gòu)件外觀的重要因素，將幾何信息的詳細程度劃分為“象征性”“大概”“精確”等級別，以滿足不同交付信息模型對幾何外觀的要求。由于篇幅有限，表1以給排水的水泵設備為例，展示不同交付環(huán)境下水泵設備及其信息的需求情況。

▲給排水方案設計(ID:3.1)功能描述該過程需要實現(xiàn)的目標:1.確定建筑性質(zhì)類別以及工程設計范圍;2.確定生活或生產(chǎn)給水、消防給水來源(包括自備水源及市政給水管網(wǎng)),了解水源情況(水壓、水質(zhì)等);3.計算確定生活、生產(chǎn)用水量,消防用水量;4.根據(jù)建筑物性質(zhì)確定生活或生產(chǎn)給水系統(tǒng)的供水方案;5.確定熱水供應范圍,計算耗熱量、熱水量,確定熱水供水方案;6.根據(jù)根據(jù)建筑物性質(zhì)及功能組成確定消防系統(tǒng)的組成類別(消火栓、自動噴淋、泡沫、氣體等)、用水量、火災延續(xù)時間、危險等級及供水方案;7.生活污廢水及生產(chǎn)廢水系統(tǒng)排水量的計算及確定排水方案;8.雨水排放量的計算及雨水排放形式的選擇;9.確定飲用凈水系統(tǒng)方案;10.確定中水系統(tǒng)處理方案;11.有排放要求的污、廢水的處理方法;12.煤氣(或天然氣)用氣量及氣壓的計算;13.其他節(jié)能、節(jié)水和環(huán)保等方案的確定。分析 生活給水系統(tǒng)供水方案分析、消防系統(tǒng)供水方案分析、排水制度及方案分析、建筑節(jié)水、節(jié)能減排分析。表現(xiàn)方案階段對BIM無要求。▼生活給水系統(tǒng)供水方案分析(ID:3.1.1)▲消防系統(tǒng)供水方案分析(ID:3.1.2)功能描述該子過程的目標:1.確定消防供水來源;2.根據(jù)建筑性質(zhì),確定消防系統(tǒng)種類(消火栓、自動噴水、泡沫滅火等);3.根據(jù)建筑性質(zhì)和設計規(guī)范,確定消防系統(tǒng)用水量。分析無表現(xiàn)無▼排水制度及方案分析(ID:3.1.3)▲建筑節(jié)水節(jié)能減排分析(ID:3.1.4)

圖5 給排水方案設計與消防系統(tǒng)供水方案分析任務描述

圖6 MEP設計的數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣說明

表1 給排水專業(yè)設計中水泵的數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣

3 案例分析

本章以實際辦公樓項目的MEP設計交付為例說明所提出方法的使用流程。根據(jù)圖3定義的不同階段的信息模型需求，表2匯總了該項目MEP設計在不同階段交付的信息模型數(shù)據(jù)。

表2 MEP設計中創(chuàng)建的設計模型與交付模型

注：“構(gòu)件個數(shù)”的統(tǒng)計結(jié)果是根據(jù)信息模型中IFC構(gòu)件實體的數(shù)量進行計算

在該項目中，MEP各專業(yè)信息模型采用Autodesk Revit軟件的MEP模塊構(gòu)建，并分別輸出為暖通、電氣、給排水的IFC模型。上述模型是相應專業(yè)在初步設計階段的信息模型，即M_ER.1，E_ER.1，P_ER.1。將上述的完整模型輸入自主研發(fā)的基于IFC標準的BIM協(xié)同管理平臺[15]，該平臺能夠根據(jù)數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣，自動輸出所需交付的滿足IFC標準的子模型。根據(jù)本項目MEP設計的數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣，自動輸出信息模型M_ER.1-E.ER.2，E_ER.1-A_ER.2，P_ER.1-A_ER.2等，避免建筑人員采用BIM軟件手動選取所需構(gòu)件，提高其它專業(yè)對MEP專業(yè)模型數(shù)據(jù)的使用效率與精度。

從表2可見，不同階段的信息模型所包含的設施設備信息各不相同，且隨著建筑項目的推進，各專業(yè)信息模型所包含的數(shù)據(jù)量逐漸增加。進一步，各專業(yè)交付給其它專業(yè)的子模型也各不相同，圖7分別列舉了暖通、電氣、給排水專業(yè)交付給其它專業(yè)的構(gòu)件及其屬性情況。交付的子模型構(gòu)件數(shù)遠少于原模型，如表2所示。例如電氣信息模型只需要暖通信息模型的風機、空調(diào)等用電設備的位置、幾何尺寸、電壓功率等信息。經(jīng)協(xié)同管理平臺的處理與輸出，子模型M_ER.1-E.ER.2的構(gòu)件個數(shù)為724，約占原模型M_ER.1構(gòu)件個數(shù)的3.6%。形成的子模型符合IFC標準，不依賴于任何軟件，可返回支持IFC標準的專業(yè)軟件中進行其它業(yè)務應用，擴大了模型數(shù)據(jù)的使用范圍。

圖7 MEP設計中各專業(yè)信息模型交付

該項目的MEP設計交付過程采用所提出的IDM方法進行交付流程設計與數(shù)據(jù)交換需求定義，并在研發(fā)的協(xié)同管理平臺中實現(xiàn)滿足數(shù)據(jù)交換需求的子模型輸出，不僅驗證了采用IDM標準開展模型信息交付方法的可行性，也為IDM標準在我國實際項目中應用提供了技術(shù)支撐。應該說明的是，本研究提出的方法通過數(shù)據(jù)交換需求的預先定義，形成數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣，該矩陣可根據(jù)項目情況及時更新，具有通用性與適應性。

4 結(jié) 論

建筑項目各專業(yè)在不同階段所需的信息模型各不相同，需建立一種統(tǒng)一的標準方法開展所需交付信息的描述、提取與管理。BIM信息交換三要素IFC，IDM，MVD為該問題的解決提供了理論基礎。本文以MEP設計的BIM信息交付為例，研究IDM標準在MEP設計過程中的信息交付應用，具體結(jié)論如下：

(1)采用標準的BPMN方法繪制MEP系統(tǒng)各專業(yè)設計階段的信息交付流程，明確各階段的任務、時序以及負責角色，并設計流程圖任務說明的統(tǒng)一模板，用于詳細描述各任務的功能、分析和表現(xiàn)。

(2)在調(diào)研暖通、電氣、給排水在設計階段的數(shù)據(jù)交換需求基礎上，定義各階段交付模型的所需數(shù)據(jù)，包括構(gòu)件對象、屬性信息等，并明確交付模型的數(shù)據(jù)交換需求，為建筑項目多專業(yè)之間的協(xié)同提供準確的子模型數(shù)據(jù)。

本文采用實際項目MEP工程的BIM設計交付案例說明基于IDM的設計交付方法，形成的交付流程和數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣可擴展到其它采用BIM技術(shù)進行信息交付的工程，也能夠為我國關(guān)于建筑項目的BIM標準制定提供技術(shù)支撐。

IFC，IDM，MVD作為BIM信息交換的三要素，IDM標準定義了特定應用流程中各任務的數(shù)據(jù)交換需求，MVD標準的Concept元素可將數(shù)據(jù)交換需求與IFC標準的實體、屬性或?qū)傩约M行關(guān)聯(lián)，形成IFC的子集，軟件可根據(jù)這些子集定義輸出符合特定應用數(shù)據(jù)交換需求的IFC子模型。本文研發(fā)的BIM協(xié)同管理平臺可根據(jù)數(shù)據(jù)交換需求定義矩陣輸出所需交付的子模型，后期將進一步研究IDM與MVD結(jié)合的數(shù)據(jù)交換技術(shù)路線，以兼容任意業(yè)務應用的MVD定義，實現(xiàn)建筑項目更廣泛的BIM信息交付。