基于BIM的建筑正向協(xié)同設(shè)計(jì)平臺模式研究

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010)

1 概述

圖1 基于CAD的兩種設(shè)計(jì)核心流程

在建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)全過程中，工作成果的信息化、溝通協(xié)同的實(shí)時(shí)性、離散成果的合理歸類與檢索，決定了BIM正向設(shè)計(jì)應(yīng)用的效率與成果質(zhì)量。傳統(tǒng)基于CAD的協(xié)同設(shè)計(jì)流程見圖1，其核心均為對工程文件夾內(nèi)圖紙文件、文本文件進(jìn)行一定程度的管理，并采用規(guī)定統(tǒng)一文件名、圖層名稱、圖紙外參等一系列輔助方式更進(jìn)一步提高文件協(xié)同過程中的規(guī)范性與便捷性。

但采用該方式時(shí)，建筑設(shè)計(jì)過程中的各類信息仍舊分存在不同CAD文件內(nèi)對應(yīng)的圖層中，各類功能的二次開發(fā)難度極大。

隨著BIM的逐步發(fā)展，以帶參數(shù)構(gòu)件為基本單元作為一個(gè)存儲整體、模型切圖及標(biāo)注進(jìn)行圖紙表達(dá)逐步成為信息化設(shè)計(jì)的主流，設(shè)計(jì)人員、校審、負(fù)責(zé)人由面向圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚰Ｐ?，整體流程見圖2。

圖2 基于BIM的正向設(shè)計(jì)核心流程

在這種設(shè)計(jì)模式下，協(xié)同設(shè)計(jì)平臺需要解決的問題，由基于文件架構(gòu)協(xié)同轉(zhuǎn)向了基于構(gòu)件協(xié)同，對數(shù)據(jù)架構(gòu)和形式有了更深入的要求[1-2]。

2 正向協(xié)同設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

目前，設(shè)計(jì)院推行三維信息化設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)專業(yè)對抗震計(jì)算模型信息已能夠成熟存儲及調(diào)用、設(shè)備專業(yè)也能對設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行BIM模型設(shè)計(jì)、交底、管線綜合等工作、建筑專業(yè)能較好地完成本專業(yè)的建模與后續(xù)的部分輔助分析工作。然而，在對建設(shè)項(xiàng)目的整體推進(jìn)過程中，仍無法做到全流程的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，仍以單專業(yè)的三維設(shè)計(jì)為主，以傳統(tǒng)的二三維互提資料進(jìn)行協(xié)同，主要原因如下：

(1)三維設(shè)計(jì)增加的工作量：基于三維設(shè)計(jì)后，除二維平面信息外，設(shè)計(jì)人員還需指定三維信息、空間裁剪關(guān)系、構(gòu)件優(yōu)先級關(guān)系、非幾何信息的表達(dá)方式等。

(2)反復(fù)修改下的協(xié)同流程：CAD設(shè)計(jì)時(shí)通過在圖紙上直接進(jìn)行標(biāo)注，互相參照二維圖紙時(shí)直接查閱對應(yīng)為位置的批注，溝通直接有效。而當(dāng)采用三維協(xié)同時(shí)，則需處理模型中的批注，并能在不同視圖中均進(jìn)行體現(xiàn)。

(3)設(shè)計(jì)知識的可重用性、二維與三維成果如何無縫對接：在二維設(shè)計(jì)過程中，具有大量較強(qiáng)規(guī)律性內(nèi)容，都采用通用大樣進(jìn)行設(shè)計(jì)說明及描述，目前我國也發(fā)布大量規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、通用圖集等一系列措施，需要施工技術(shù)人員現(xiàn)場再作處理。在采用三維設(shè)計(jì)后，通常理解為施工技術(shù)人員可以不依賴上述的這些內(nèi)容，依照三維模型即可施工。這對模型的精度和準(zhǔn)確性有了非常高的要求，然而在目前相關(guān)軟件技術(shù)手段均無法保證。

(4)工作拆分及工作量統(tǒng)計(jì)方法：對于中心化存儲的設(shè)計(jì)模型信息，參與者較難以傳統(tǒng)CAD圖紙拆分與外部參照的方式對工作面及工作內(nèi)容進(jìn)行分割，因此如何合理有效地基于BIM進(jìn)行工作面、工作內(nèi)容的拆分尤為重要。

(5)技術(shù)與企業(yè)管理一體化協(xié)同：在傳統(tǒng)行業(yè)推行信息化過程中，以信息化技術(shù)改進(jìn)既有生產(chǎn)方式、提高生產(chǎn)效率、降低錯(cuò)誤與返工率等方面均有廣泛的研究。而對于建筑行業(yè)而言，廣泛的參與者、多樣化的數(shù)據(jù)形式、密集的資金投入等，都是其特點(diǎn)，也是推行信息技術(shù)的主要挑戰(zhàn)。

(6)建筑工業(yè)化的可擴(kuò)展性：目前已開展上海、深圳總承包企業(yè)編制施工圖設(shè)計(jì)文件的試點(diǎn)。因此，從工程總承包的角度出發(fā)，在實(shí)際運(yùn)用BIM正向設(shè)計(jì)的過程中，需要具有類似制造業(yè)工業(yè)化的相關(guān)做法，例如能與加工系統(tǒng)相匹配、與物料系統(tǒng)相結(jié)合的概念及功能。

上述(1)(3)通過基于BIM建模平臺二次開發(fā)進(jìn)行解決，而(2)(4)(5)(6)可通過開放通用性的數(shù)據(jù)協(xié)同平臺進(jìn)行解決[3]。

3 正向協(xié)同平臺的基本功能需求

通用數(shù)據(jù)協(xié)同平臺既需滿足數(shù)據(jù)來源廣泛而準(zhǔn)確，且需在協(xié)同迭代過程中，保證各來源數(shù)據(jù)的一致性。具體應(yīng)用過程中有以下需求[4]：

(1)基于模型的設(shè)計(jì)信息協(xié)同方法

由于建筑工程的復(fù)雜性，目前較為成熟的BIM建模平臺均由專業(yè)軟件公司開發(fā)，如Autodesk的Revit等。設(shè)計(jì)單位基于現(xiàn)有Revit平臺的，鏈接模型、工作集進(jìn)行設(shè)計(jì)模型的協(xié)同。這兩種方式均依托文件服務(wù)器，可對模型文件進(jìn)行拆分、參照協(xié)同。

(2)各階段的文件管理器

為彌補(bǔ)各類建模軟件對于文件權(quán)限、文件版本、文件歸檔等相關(guān)功能的不完善，需采用二次開發(fā)完善設(shè)計(jì)平臺中文件管理器的相關(guān)功能?；赗evit平臺進(jìn)行協(xié)同時(shí)，由于模型拆分的不確定性，目前仍未有成熟的項(xiàng)目模型架構(gòu)管理平臺，僅依賴統(tǒng)一命名方式進(jìn)行模型、族的管理。

(3)項(xiàng)目構(gòu)件級的權(quán)限管理

在較大型項(xiàng)目中，參與專業(yè)眾多，以往CAD平臺可根據(jù)CAD圖紙文件，對各專業(yè)的工作內(nèi)容、工作階段進(jìn)行帶權(quán)限的管控。而當(dāng)采用基于BIM平臺進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，如何處理好不同角色在模型中可操作的區(qū)域系統(tǒng)尤為重要。

(4)一校兩審、項(xiàng)目ISO管理、歸檔方式

在設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)設(shè)計(jì)成果均需要經(jīng)過校對、審核、審定后，方可正式歸檔及下發(fā)。在以往CAD協(xié)同平臺中，通過不同的DWG文件能對設(shè)計(jì)成果進(jìn)行批注處理后，生成符合出圖歸檔要求的打圖文件。

(5)技術(shù)與企業(yè)管理一體化協(xié)同

隨著建筑產(chǎn)業(yè)化的逐步深入，設(shè)計(jì)、施工一體化也展開試點(diǎn)，在推行過程中，BIM正向設(shè)計(jì)平臺需與企業(yè)管理平臺進(jìn)行一體化整合，設(shè)計(jì)信息、設(shè)計(jì)過程信息、統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)營管理等各類信息需要能在設(shè)計(jì)過程中實(shí)時(shí)與構(gòu)件加工、現(xiàn)場情況得以同步。

4 主流BIM及協(xié)同平臺對比

目前主流的BIM設(shè)計(jì)平臺有以下5個(gè)，其側(cè)重點(diǎn)及數(shù)據(jù)協(xié)同功能見表1[5-6]。

(1)Autodesk AutoCAD：基于平面圖的外部參照進(jìn)行協(xié)同，即俗稱的“疊圖”，此后通過人工校審對不同專業(yè)的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行協(xié)同校對等工作。

(2)Autodesk Revit：可采用基于工作集的協(xié)同，在文件服務(wù)器中設(shè)置中心文件，各設(shè)計(jì)人員存儲本地文件，通過工作集共同對模型進(jìn)行編輯修改等操作。對于多專業(yè)協(xié)同，同樣采用模型鏈接的方式進(jìn)行校對。

(3)Bently Microstation(ProjectWise)：有較完善的協(xié)同功能，采用Web端瀏覽與批注。

(4)Trimble Tekla：該軟件主要用于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)，對于構(gòu)件深化加工功能較強(qiáng)，但協(xié)同功能較弱。

(5)ArchiCAD：主要用于建筑單專業(yè)的全流程設(shè)計(jì)，在建模、出圖、協(xié)同中功能較強(qiáng)，但對于結(jié)構(gòu)、設(shè)備等其他專業(yè)的應(yīng)用較少。

表1 各BIM平臺協(xié)同功能匯總

功能AutoCADRevitMicrostationTeklaArchiCAD功能側(cè)重二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)民用建筑基礎(chǔ)設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)深化建筑方案二次開發(fā)難度容易容易,限制較多難,較為開放較難較難數(shù)量多,成熟多,較成熟少,內(nèi)部應(yīng)用少少數(shù)據(jù)中心無基于模型速度慢基于數(shù)據(jù)庫,速度快基于模型基于模型協(xié)同功能無有,較弱有,需二次開發(fā)無有,較弱

其中，Microstation本身就獨(dú)立提供多終端的ProjectWise協(xié)同平臺，且由于Microstation平臺底層數(shù)據(jù)架構(gòu)的效率優(yōu)勢，在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，得到深入的開發(fā)，如華東院利用Microstation進(jìn)行二次開發(fā)后進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)已十分成熟[7]。而Revit平臺憑借完善的建模、族、界面友好、操作便捷等優(yōu)勢，在民用建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，各類二次開發(fā)小工具完善[8-10]，但協(xié)同主要依賴模型拆分、工作集，缺乏成體系的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，基于RVT模型文件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的效率也較低。

5 協(xié)同平臺的技術(shù)架構(gòu)

從技術(shù)層面而言，受制于BIM相關(guān)平臺開發(fā)規(guī)模較大、構(gòu)件類型與數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，目前建模及操作軟件均基于上述5套軟件，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)各類擴(kuò)展功能。然而，設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵流程，如圖紙管理、校對批注、自動(dòng)出圖及歸檔、詳細(xì)的權(quán)限控制等功能，均無法直接在BIM平臺進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。因此，如何高效切合現(xiàn)有BIM核心軟件、通過內(nèi)外部數(shù)據(jù)交互使得BIM管理與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營管理有機(jī)結(jié)合，是推行協(xié)同平臺的關(guān)鍵。

主流數(shù)據(jù)存儲方式分為文件存儲與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲，其中，文件服務(wù)器為傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)協(xié)同方式，即對工作中的模型文件、圖紙文件、文本文件存儲于共享的文件服務(wù)器中，并根據(jù)特定的權(quán)限需求，給予不同設(shè)計(jì)人員調(diào)用、查看、編輯、出圖等操作； 而基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲時(shí)，則是將所有參數(shù)化數(shù)據(jù)以關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲于不同分類的“表”中，通過程序預(yù)處理后直接對表中的字段進(jìn)行增刪、修改、排序、統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)庫操作，架構(gòu)形式見圖3。

在該協(xié)同模式核心為“數(shù)模分離”，即在如Revit等BIM建模平臺中，進(jìn)行幾何模型及加工模型的建模、調(diào)整、出圖等操作，并記錄其構(gòu)件對應(yīng)的ID值。而在正向設(shè)計(jì)平臺中，可對該ID值進(jìn)行跟蹤，并在獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫中，對版本、狀態(tài)等信息進(jìn)行單獨(dú)存儲，以實(shí)現(xiàn)校對、審核審定、工作量統(tǒng)計(jì)等功能。通過ID值關(guān)聯(lián)，當(dāng)僅對構(gòu)件的非幾何屬性(如批注、狀態(tài)參數(shù)、強(qiáng)度屬性)進(jìn)行編輯時(shí)，僅修改MySQL數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)鍵值，而不對具體Revit模型中的參數(shù)進(jìn)行修改，能極大降低Revit運(yùn)算復(fù)雜度，提高BIM模型設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也能滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)深度、設(shè)計(jì)成果一致性、批量校核等要求。

圖3 BIM正向協(xié)同平臺體系架構(gòu)

圖4 BIM平臺架構(gòu)

常規(guī)設(shè)計(jì)單位在對設(shè)計(jì)管理過程中的相關(guān)工作，主要分為以下五個(gè)部分：

1)數(shù)據(jù)終端：基于BIM的正向設(shè)計(jì)過程中，包含Revit模型文件、CAD大樣圖、文本及計(jì)算書；

2)設(shè)計(jì)端：包含設(shè)計(jì)信息協(xié)同、提資的收發(fā)、模型構(gòu)件信息的協(xié)同；

3)經(jīng)營管理端：用于確定項(xiàng)目定位、人員分配、進(jìn)度計(jì)劃、財(cái)務(wù)管理等內(nèi)容；

4)質(zhì)量管理端：用于各項(xiàng)目一校兩審的批注處理、各項(xiàng)目常見問題總結(jié)、質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；

5)圖檔管理端：用于圖紙歸檔，查詢，打圖等操作，可跟曬圖公司對接。

結(jié)合上述工作架構(gòu)，基于BIM架設(shè)的正向設(shè)計(jì)平臺的典型結(jié)構(gòu)見圖5，該架構(gòu)中，數(shù)據(jù)層分別對二三維模型文件、構(gòu)件非幾何數(shù)據(jù)分別存儲，通過中間層完成整合后，在應(yīng)用層提供統(tǒng)一的功能，避免工作過程中反復(fù)調(diào)用不同的軟件、平臺，造成數(shù)據(jù)的不一致?；谠撃Ｊ剑髡叽饲耙淹瓿裳b配式建筑的輕量化協(xié)同管理平臺[11-12]，能高效完成各項(xiàng)定制化的數(shù)據(jù)處理查詢功能，見圖5，在廣州市白云區(qū)某保障性住房的裝配式設(shè)計(jì)過程中，對構(gòu)件的設(shè)計(jì)階段、版本進(jìn)度進(jìn)行控制，能有效保證設(shè)計(jì)成果與加工圖紙的一致性。

圖5 基于數(shù)模分離平臺的工程案例

6 總結(jié)

本文在傳統(tǒng)CAD協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上分析了BIM正向設(shè)計(jì)流程的需求，如基于模型的協(xié)同、文件管理、權(quán)限構(gòu)件管理、非幾何信息的存儲、一校兩審的需求，并對現(xiàn)有設(shè)計(jì)單位協(xié)同設(shè)計(jì)架構(gòu)、BIM設(shè)計(jì)需求、相關(guān)平臺實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行對比分析，提出了基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫+文件服務(wù)器方式進(jìn)行數(shù)模分離的正向設(shè)計(jì)協(xié)同管理平臺的架構(gòu)。該方法能使現(xiàn)有的模型文件協(xié)同方式與信息化的協(xié)同方式相結(jié)合，通過唯一ID值保證了數(shù)據(jù)的一致性，避免了建模軟件、協(xié)同平臺、企業(yè)管理系統(tǒng)、通信軟件之間的重復(fù)工作，后續(xù)可基于該架構(gòu)，指導(dǎo)正向BIM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的開發(fā)完善。