BIM協(xié)同設(shè)計管理平臺研發(fā)與應(yīng)用

王恰時 青 舟 楊 喆

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300308)

當(dāng)前形勢下，加快數(shù)字經(jīng)濟建設(shè)，推動高質(zhì)量發(fā)展成為新常態(tài)，工程設(shè)計企業(yè)以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革[1]，是實現(xiàn)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。同時國有企業(yè)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的引領(lǐng)者，以中國中鐵股份有限公司為例，發(fā)布《關(guān)于實施數(shù)智轉(zhuǎn)型工程的指導(dǎo)意見》，對工程設(shè)計企業(yè)明確提出“推動數(shù)字化協(xié)同設(shè)計”要求，主要包含建立正向設(shè)計體系、深化協(xié)同設(shè)計、開展智能審圖與數(shù)字化交付等工作。BIM協(xié)同設(shè)計平臺研發(fā)及應(yīng)用已成為工程設(shè)計企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

國內(nèi)外工程設(shè)計企業(yè)、工業(yè)軟件供應(yīng)商等對BIM協(xié)同設(shè)計管理平臺投入大量人力物力進行研發(fā)與應(yīng)用，如Autodesk基于Revit的鏈接、工作集、Revit Server、Vault等的協(xié)同設(shè)計[2]，Dassault基于Catia的Enovia、3DExperience等的協(xié)同設(shè)計，Bentley基于Microstation的ProjectWise協(xié)同設(shè)計[3]，中國建筑科學(xué)研究院研發(fā)PKPM-BIM平臺[4]、BIM協(xié)同工作平臺[5]等，中電建華東勘測設(shè)計研究院研發(fā)專業(yè)設(shè)計工具軟件及BIM建設(shè)管理平臺[6]，中國鐵路設(shè)計集團基于Dassault平臺研究IFC鐵路標(biāo)準、自主研發(fā)鋼筋等建模軟件、協(xié)同設(shè)計及總承包等管理平臺[7]。總體來說，國內(nèi)外已開發(fā)上百個功能類似的BIM平臺產(chǎn)品，主要功能有三維模型瀏覽、任務(wù)流程推動、設(shè)計問題反饋、移動辦公、企業(yè)或項目數(shù)據(jù)看板等。實踐應(yīng)用表明，尚無與實際協(xié)同設(shè)計過程完全匹配、完全解決數(shù)據(jù)交換瓶頸、適應(yīng)不同行業(yè)不同專業(yè)特點、滿足工程建設(shè)全生命周期應(yīng)用、適應(yīng)二三維設(shè)計并存現(xiàn)狀的BIM協(xié)同設(shè)計平臺產(chǎn)品。本文基于工程設(shè)計單位生產(chǎn)需求，結(jié)合工程實踐，探討、研發(fā)與實踐應(yīng)用BIM協(xié)同設(shè)計產(chǎn)品，旨在研發(fā)一套具有普適性的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺產(chǎn)品，初步探索數(shù)字經(jīng)濟建設(shè)模式。

1 研究模式

為更好地理清工程BIM協(xié)同設(shè)計需求，完全匹配協(xié)同設(shè)計業(yè)務(wù)過程，進行了大量的調(diào)查、調(diào)研工作。文獻調(diào)查方面，閱讀知網(wǎng)、ScienceDirect上刊載的典型論文，如駱樂[8]等從平臺標(biāo)準化、輕量化、專業(yè)化等方面論述深水航道BIM設(shè)計成果交付平臺研發(fā)與應(yīng)用，劉曹宇[9]從結(jié)構(gòu)專業(yè)BIM設(shè)計問題、模型傳遞、協(xié)同流程及方法等方面論述已有平臺在地鐵區(qū)間的應(yīng)用，從文獻中整理研發(fā)應(yīng)用重難點、技術(shù)路線、應(yīng)用模式、應(yīng)用功能等，作為研究的理論基礎(chǔ)；外部調(diào)研方面，對中電建華東勘測設(shè)計研究院、中國鐵路設(shè)計集團、中鐵工程咨詢設(shè)計集團等企業(yè)進行現(xiàn)場調(diào)查，整理形成調(diào)查報告，分析典范企業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用水平、需求、技術(shù)路線、已有數(shù)字化產(chǎn)品等，與自身需求、技術(shù)路線、功能產(chǎn)品等的規(guī)劃相互印證，制定工程BIM協(xié)同設(shè)計管理平臺研發(fā)技術(shù)路線；內(nèi)部調(diào)研方面，組織工程設(shè)計一線生產(chǎn)人員，通過調(diào)查問卷、座談等方式，摸清生產(chǎn)需求，整理功能、流程等，設(shè)計平臺原型，投入人力物力研發(fā)，研發(fā)成果在工程設(shè)計生產(chǎn)實踐中檢驗完善。

2 平臺研發(fā)

2.1 技術(shù)架構(gòu)

工程BIM正向協(xié)同設(shè)計管理平臺選擇基于JavaScript的VUE.js框架作為前端開發(fā)框架提供對外訪問服務(wù)，選擇基于Java的SpringBoot微服務(wù)架構(gòu)為后端框架進行開發(fā)，選擇基于JavaScript API的WebGL為三維底層引擎作為三維研發(fā)與應(yīng)用支撐?？傮w來說，分為服務(wù)層、支撐層與應(yīng)用層等三層技術(shù)架構(gòu)[10]，如圖1所示。

圖1 技術(shù)架構(gòu)圖

服務(wù)層包含WebGL三維引擎、數(shù)據(jù)存儲與緩存、文件服務(wù)、一鍵轉(zhuǎn)換輪詢服務(wù)、隊列服務(wù)等底層支撐，其中WebGL三維引擎輸出空間、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等API接口；數(shù)據(jù)存儲與緩存采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲線性數(shù)據(jù)，Redis實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)緩存；文件服務(wù)主要包含二三維數(shù)據(jù)存儲、流程推動流轉(zhuǎn)等；一鍵轉(zhuǎn)換輪詢服務(wù)提供底層接口實現(xiàn)資源調(diào)用、定時查詢、緩存文件清理、二三維轉(zhuǎn)換備份等功能；隊列服務(wù)用于緩解服務(wù)器軟硬件資源壓力，優(yōu)先滿足主要任務(wù)需求，在資源空余時執(zhí)行次級任務(wù)。

支撐層是連接服務(wù)層與應(yīng)用層的中間層，主要為前后端支撐框架，其中BIM成果一鍵轉(zhuǎn)換功能為二三維協(xié)同管理的核心功能，提供建立工作空間、建立數(shù)據(jù)源、模型數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)換、緩存切分、場景數(shù)據(jù)加載、發(fā)布模型、基于Web的三維瀏覽及模型下載等功能；基于后端Spring Cloud提供建立平臺微服務(wù)架構(gòu)，多個應(yīng)用分別部署服務(wù)，避免內(nèi)外服務(wù)的整體崩塌；基于VUE前端框架提供多端訪問服務(wù)。

應(yīng)用層主要基于服務(wù)層與支撐層，結(jié)合業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)項目配置、計劃管理、成果審批、事務(wù)管理等應(yīng)用。

該技術(shù)架構(gòu)具有三維引擎普適性、兼容多種BIM設(shè)計成果、數(shù)據(jù)接口模塊化、數(shù)據(jù)全生命周期繼承應(yīng)用、前后端分離、中間件完整、技術(shù)路線成體系、各環(huán)節(jié)之間低耦合、資源可動態(tài)分配等優(yōu)勢，是本文研發(fā)團隊自2015年以來，經(jīng)歷skyline、arcgis、hoops、超圖ActiveX控件等基礎(chǔ)平臺研發(fā)積累，結(jié)合新技術(shù)發(fā)展成熟的形勢，總結(jié)出的一套科學(xué)、先進的技術(shù)架構(gòu)，并在多個平臺研發(fā)、項目實施中完善。

2.2 核心技術(shù)

(1)WebGL三維引擎[11]

3D繪圖技術(shù)標(biāo)準，無需安裝插件，輸出統(tǒng)一、標(biāo)準、跨平臺的OpenGL API二次開發(fā)接口，實現(xiàn)多瀏覽器、跨操作系統(tǒng)、各智能設(shè)備等多端適應(yīng)訪問的三維場景。

(2)中間轉(zhuǎn)換工具

基于超圖iDesktop[12]二次開發(fā)實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、管理、分析、服務(wù)發(fā)布、AI學(xué)習(xí)、AR仿真等功能，適應(yīng)二三維設(shè)計并存現(xiàn)狀。

(3)一鍵上傳

云計算的BIM模型自動化轉(zhuǎn)換發(fā)布，基于超圖控件二次開發(fā)，融合微服務(wù)、web upload、文件切割與合并、輕量化、消息隊列、分布式、多租戶、WebGL模型空間分析接口、IFC標(biāo)準、BIMServer等技術(shù)，實現(xiàn)Revit、Catia、Bentley、Sketchup、3dsMAX等軟件格式轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的平臺應(yīng)用Json格式，轉(zhuǎn)換內(nèi)容包含模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、模型格式轉(zhuǎn)換、模型輕量化、模型屬性云端入庫、模型轉(zhuǎn)換成果加密以及歷史版本歸檔等。一鍵轉(zhuǎn)換任務(wù)結(jié)束后，由校驗微服務(wù)進行成果校驗，若校驗不通過，則自動發(fā)送短信及郵件通知相關(guān)人員進行BIM模型修改工作，修改后重新上傳。

(4)微服務(wù)架構(gòu)

基于Spring Cloud組合框架，實現(xiàn)服務(wù)的分布式部署，為項目配置、計劃管理、成果審批、事務(wù)管理等應(yīng)用的拆分研發(fā)、分別服務(wù)提供支撐，適用于軌道交通、房建、市政、國土、水利等行業(yè)工程大體量模型、瓦片GIS數(shù)據(jù)[13]、二維管理信息等的高并發(fā)、高帶寬的應(yīng)用需求。該架構(gòu)適應(yīng)不同行業(yè)不同專業(yè)特點、滿足工程建設(shè)全生命周期應(yīng)用。

2.3 主要功能

本文研發(fā)的BIM協(xié)同設(shè)計管理平臺主要功能及業(yè)務(wù)流程，來自廣泛文獻調(diào)查分析、多單位調(diào)研分析典范企業(yè)經(jīng)驗、內(nèi)部調(diào)研功能及業(yè)務(wù)且在實踐中不斷完善，初步做到與實際協(xié)同設(shè)計過程匹配，并預(yù)留優(yōu)化接口、模塊化配置等，已為完全匹配做好技術(shù)支撐。

基于OSS文件服務(wù)、WebGL三維引擎、模型云端轉(zhuǎn)換、微服務(wù)架構(gòu)、MySQL數(shù)據(jù)庫、云服務(wù)器等核心支撐技術(shù)，結(jié)合調(diào)查、調(diào)研成果，梳理數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)存儲、服務(wù)模式、研發(fā)流程、業(yè)務(wù)流程、對外服務(wù)等體系，設(shè)計研發(fā)原型，研發(fā)BIM正向協(xié)同設(shè)計管理平臺，實現(xiàn)項目配置、計劃管理、成果審批、事務(wù)管理等應(yīng)用功能。

(1)項目配置

包含設(shè)計專業(yè)管理、圖冊拆分管理、項目專業(yè)配置、工點管理、歸檔管理等。以設(shè)計專業(yè)管理為例，針對所涉及到的專業(yè)進行維護。專業(yè)信息以樹形結(jié)構(gòu)顯示出來，能夠?qū)I(yè)之間的從屬關(guān)系清晰展示。具有權(quán)限的用戶根據(jù)實際情況增刪查改專業(yè)信息，基于已有數(shù)據(jù)模板導(dǎo)入、導(dǎo)出相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 設(shè)計專業(yè)管理圖

(2)計劃管理

包含總體計劃管理、總體計劃變更、專業(yè)計劃管理、專業(yè)計劃變更等，以總體計劃管理為例，管理、監(jiān)控、督促各個階段的BIM設(shè)計成果按時保質(zhì)提交?？傮w計劃管理分為按建筑類型管理與按設(shè)計階段管理兩種，在建立總體計劃時，指定管理方式。設(shè)計負責(zé)人基于生成總體計劃、導(dǎo)入總體計劃、總體計劃審批及總體計劃整體審批等功能優(yōu)先制定按專業(yè)劃分的總體計劃。其中生成總體計劃是根據(jù)該設(shè)計項目的管理方式、項目信息來實現(xiàn)，發(fā)起總體計劃審批，公司主管領(lǐng)導(dǎo)或業(yè)主審批通過后，將繼續(xù)制定專業(yè)計劃，專業(yè)設(shè)計人員按照該計劃執(zhí)行。總體計劃管理圖如圖3所示。

圖3 總體計劃管理圖

(3)成果審批

包含內(nèi)部送審、工點內(nèi)專業(yè)提資、外部送審、外部提資、設(shè)計變更等。以內(nèi)部送審為例，規(guī)范內(nèi)部成果審批流程，流程、版本等數(shù)據(jù)基于BIM平臺存檔，通過流程跟蹤功能將流程所有節(jié)點的業(yè)務(wù)信息、審批歷史、相關(guān)文件等信息集合，為后期設(shè)計回溯提供數(shù)據(jù)依據(jù)，如圖4所示。

圖4 流程跟蹤圖

以一鍵上傳功能將Revit等格式的BIM設(shè)計成果上傳，并基于B/S瀏覽器、移動APP等方式實現(xiàn)三維瀏覽與操作。層級審核人員，在BIM平臺事務(wù)管理中瀏覽、批注信息，若審核通過則流轉(zhuǎn)到下一級節(jié)點，審核未通過則駁回，設(shè)計人員依據(jù)批注信息修改完善，如圖5所示。

圖5 三維瀏覽、批注圖

(4)事務(wù)管理

類似于OA系統(tǒng)，用戶相關(guān)流程按照待簽事務(wù)、待辦事務(wù)、已發(fā)事務(wù)及辦結(jié)事務(wù)分類，審批流程轉(zhuǎn)發(fā)分為角色和用戶兩種。當(dāng)按角色流轉(zhuǎn)時，用戶在待簽事務(wù)中簽收、在待辦事務(wù)中處理，當(dāng)按用戶流轉(zhuǎn)時，則直接在待辦事務(wù)中處理，如圖6所示。

圖6 事務(wù)管理圖

3 平臺應(yīng)用

南京至馬鞍山市域(郊)鐵路起自南京市西善橋站(含)，終至馬鞍山市當(dāng)涂南站(含)。全線長54.23 km，其中地下線11.48 km，高架線40.68 km，地面線1.52 km，過渡段0.55 km。共設(shè)16座車站，其中地下段占比21.2%、高架段占比75.0%、地面段占比2.8%、過渡段占比1.0%。平均站間距3.6 km。

圖7 長江三角洲都市圈軌道交通項目南京至馬鞍山城際鐵路項目BIM平臺應(yīng)用圖

線路主要臨近既有地鐵、側(cè)穿既有線盾構(gòu)區(qū)間、側(cè)穿京滬高速鐵路樁基、側(cè)穿寧蕪鐵路路基、下穿寧谷箱涵、規(guī)劃隧道等重要建(構(gòu))筑物。全線一級風(fēng)險源8處、二級風(fēng)險源44處，主要風(fēng)險源共計95處。

線路周邊地質(zhì)復(fù)雜，沿線主要位于沖積平原、階地等，地層差異大，施工風(fēng)險大，沿線鄰近或穿越多處重要建、構(gòu)筑物，施工過程中保護難度大；本線多處為換乘站，設(shè)計、施工難度大，引入BIM實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可視化、BIM協(xié)同設(shè)計提質(zhì)增效，同時在BIM設(shè)計成果基礎(chǔ)上，方便進一步實現(xiàn)通風(fēng)模擬、施工仿真等，保障防疫分區(qū)要求、工期要求。

基于BIM協(xié)同設(shè)計管理平臺，將工程設(shè)計專業(yè)定義為建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、電力、設(shè)備等，制定總體計劃并在執(zhí)行過程中不斷調(diào)整優(yōu)化，細化各專業(yè)計劃WBS任務(wù)285個，同時賦予用戶設(shè)計提交、專業(yè)審核、所室審核、內(nèi)審復(fù)核、負責(zé)人審核等權(quán)限，配置相關(guān)流程推動BIM協(xié)同設(shè)計，已完成設(shè)計成果基于WGS坐標(biāo)體系裝配并反饋。

4 結(jié)束語

已研發(fā)的BIM協(xié)同設(shè)計管理平臺，經(jīng)南京至馬鞍山城際鐵路項目應(yīng)用實踐表明，平臺具有匹配協(xié)同設(shè)計業(yè)務(wù)過程、解決數(shù)據(jù)交換瓶頸、適應(yīng)不同行業(yè)不同專業(yè)特點、滿足工程建設(shè)全生命周期應(yīng)用、支持二三維設(shè)計并存現(xiàn)狀等特點。同時基于產(chǎn)品化框架研發(fā)，具備良好的基礎(chǔ)框架及擴展接口，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求快速配置、迭代開發(fā)、部署、優(yōu)化等，可快速的應(yīng)用于多行業(yè)、多項目中，市場應(yīng)用前景廣泛。