基于公路工程信息模型的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

歐佳佳，戴 瑋

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)是現(xiàn)階段交通基建行業(yè)信息化技術(shù)和建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)融合應(yīng)用落地的具體表現(xiàn)，也是設(shè)計(jì)模式數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要目標(biāo)。隨著工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理流程的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大和應(yīng)用深度的進(jìn)一步加深[1]，一方面對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程的協(xié)同需求也越來(lái)越強(qiáng)烈，開(kāi)發(fā)面向設(shè)計(jì)過(guò)程的三維設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)與相關(guān)應(yīng)用技術(shù)成為把數(shù)字化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型推向縱深的必由之路；另一方面隨著三維設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)和展示也提出了更高的要求。目前以BIM技術(shù)為核心并基于工程信息模型的三維協(xié)同設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)以及數(shù)字化交付技術(shù)在公路行業(yè)中仍處于摸索研究階段。

1 研究背景

目前，BIM技術(shù)在我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)較多，但仍未形成統(tǒng)一應(yīng)用模式，也沒(méi)有統(tǒng)一的行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。公路交通行業(yè)BIM軟件依舊是國(guó)外A、B、D三大軟件產(chǎn)品平臺(tái)[2]，近幾年國(guó)內(nèi)BIM軟件也在迅速成長(zhǎng)，但是大多數(shù)還是基于國(guó)外基礎(chǔ)設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)。為了推動(dòng)BIM技術(shù)在交通行業(yè)的應(yīng)用，2017年交通運(yùn)輸部認(rèn)定五家“BIM技術(shù)應(yīng)用交通運(yùn)輸部行業(yè)研發(fā)中心”[3]。

計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展有著重要的推動(dòng)作用，用信息化技術(shù)作為輔助設(shè)計(jì)的工具，無(wú)論在理論研究還是在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用上，都有著顯著效果。信息化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)模式發(fā)生了深刻變化，已逐漸成為衡量一個(gè)設(shè)計(jì)院現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。

目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院信息化技術(shù)應(yīng)用狀況可分為兩個(gè)層次：大型設(shè)計(jì)企業(yè)整體信息化水平已經(jīng)達(dá)到較高的程度，有些已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平；中小企業(yè)研發(fā)信息化水平還比較低，還是處于簡(jiǎn)單用二維CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)、出圖、生產(chǎn)的模式。應(yīng)用軟件方面，大設(shè)計(jì)院所工具軟件相對(duì)成熟，如三維CAD、CAE的使用已經(jīng)比較普遍[4]，而對(duì)這些工具軟件所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行有效管理和深層利用卻相對(duì)薄弱，沒(méi)有將這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同管理的平臺(tái)系統(tǒng)。隨著軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)及數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品復(fù)雜度也越來(lái)越高，這種多學(xué)科、多專業(yè)協(xié)同的重要性越來(lái)越高，對(duì)相關(guān)參數(shù)化協(xié)同平臺(tái)的要求也愈發(fā)迫切。

目前，公路工程專業(yè)設(shè)計(jì)的參數(shù)化三維協(xié)同系統(tǒng)進(jìn)展比較緩慢，市場(chǎng)上的協(xié)同設(shè)計(jì)產(chǎn)品，很大程度上是指基于網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)計(jì)溝通交流手段，以及設(shè)計(jì)流程的組織管理形式。主要包括：通過(guò)CAD文件之間的外部參照，使得工種之間的數(shù)據(jù)得到可視化共享；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)消息、視頻會(huì)議等手段，使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員之間可以跨越部門、地域甚至國(guó)界進(jìn)行成果交流、開(kāi)展方案評(píng)審或討論設(shè)計(jì)變更；通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)資源庫(kù)，使設(shè)計(jì)者能夠獲得統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理軟件的輔助，使項(xiàng)目組成員以特定角色登錄，可以保證成果的實(shí)時(shí)性及唯一性，并實(shí)現(xiàn)正確的設(shè)計(jì)流程管理。

2 研究目標(biāo)

通過(guò)實(shí)際工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目應(yīng)用及理論研究，分析總結(jié)基于公路工程信息模型的參數(shù)化三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的應(yīng)用目標(biāo)：

一是實(shí)現(xiàn)專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)。通過(guò)協(xié)同平臺(tái)子系統(tǒng)完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段參數(shù)化設(shè)計(jì)，然后由協(xié)同系統(tǒng)無(wú)感傳遞給各專業(yè)設(shè)計(jì)軟件完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中將各專業(yè)工程信息模型實(shí)時(shí)集成到三維圖形平臺(tái)(電子沙盤)中，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化三維協(xié)同設(shè)計(jì)。

二是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)提質(zhì)增效。通過(guò)推進(jìn)面向設(shè)計(jì)過(guò)程的三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用及多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)基于三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的全專業(yè)參數(shù)化設(shè)計(jì)、協(xié)同校核，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量效率，減少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期。

三是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺(tái)管理。通過(guò)打通數(shù)據(jù)管理平臺(tái)與設(shè)計(jì)工具間的接口對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)智能提取和自動(dòng)化傳遞。并利用集成展示系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)度查看、碰撞檢測(cè)及專業(yè)校核，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的直觀管理與審查。平臺(tái)后端與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)多平臺(tái)終端進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)面向設(shè)計(jì)過(guò)程的管理與項(xiàng)目管理的銜接。同時(shí)為后期各專業(yè)子模塊參數(shù)化交互智能化設(shè)計(jì)形成框架基礎(chǔ)。

3 參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)

在參數(shù)化協(xié)同平臺(tái)的各子專業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中完成對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)階段的參數(shù)化三維設(shè)計(jì)，并在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)把各專業(yè)的帶有工程信息參數(shù)化的三維模型集成顯示到三維圖形可視化平臺(tái)(電子沙盤)中，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化三維協(xié)同設(shè)計(jì)，同時(shí)電子沙盤支持進(jìn)度查看、碰撞檢測(cè)及專業(yè)校核，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目直觀的管理和審查。參數(shù)化協(xié)同平臺(tái)框架如圖1所示。

圖1 參數(shù)化協(xié)同平臺(tái)框架

基于公路工程的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)體系框架由一個(gè)協(xié)同平臺(tái)和一個(gè)集成可視化展示平臺(tái)(電子沙盤)組成，平臺(tái)間數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的無(wú)感傳輸和加載[5]。各專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)部以參數(shù)驅(qū)動(dòng)為控制手段，根據(jù)設(shè)計(jì)階段的不同(方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等)將多專業(yè)控制參數(shù)通過(guò)參數(shù)甄別分為全局參數(shù)、深化參數(shù)及精細(xì)化參數(shù)。通過(guò)不同設(shè)計(jì)階段的參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)正向三維協(xié)同設(shè)計(jì)。信息數(shù)據(jù)的應(yīng)用由前期協(xié)同BIM共享逐漸轉(zhuǎn)化成后期的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)管理，同時(shí)過(guò)程中銜接不斷豐富的勘察設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)敏感數(shù)據(jù)以及采集的實(shí)景模型數(shù)據(jù)[6]。協(xié)同設(shè)計(jì)階段發(fā)展流程如圖2所示。

圖2 協(xié)同設(shè)計(jì)階段發(fā)展流程

3.1 專業(yè)內(nèi)協(xié)同設(shè)計(jì)

參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)子程序自動(dòng)分析項(xiàng)目分塊協(xié)作界限，利用軟件內(nèi)置程序定義銜接變量并進(jìn)行自動(dòng)分段，根據(jù)銜接變量自動(dòng)合并專業(yè)內(nèi)多分段的項(xiàng)目數(shù)據(jù)。在基于云端上分段后實(shí)現(xiàn)多人設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)完成后信息數(shù)據(jù)及模型的上傳，再根據(jù)定義銜接變量合并項(xiàng)目。應(yīng)用場(chǎng)景為：

(1) 同一設(shè)計(jì)路線分段多人協(xié)作，完成多專業(yè)設(shè)計(jì)后上傳信息數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)技術(shù)人員下載后程序根據(jù)預(yù)定義銜接變量自動(dòng)合并項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)及模型。

(2) 同一路線段多名專業(yè)技術(shù)人員參與設(shè)計(jì)修改，某段修改完成后上傳信息數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)技術(shù)人員下載后程序自動(dòng)檢測(cè)更新段落并提示是否替換該段信息數(shù)據(jù)及模型。

(3) 同一項(xiàng)目多個(gè)路線方案，各方案完成后上傳信息數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)技術(shù)人員下載后根據(jù)定義銜接變量自動(dòng)合并項(xiàng)目方案。

3.2 專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)

基于參數(shù)化協(xié)同平臺(tái)云端，公路工程前置專業(yè)完成專業(yè)設(shè)計(jì)后上傳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及模型傳遞給后置專業(yè)，后置專業(yè)完成專業(yè)設(shè)計(jì)方案后上傳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)下載后程序檢測(cè)專業(yè)間數(shù)據(jù)變動(dòng)情況，根據(jù)不同情況提示專業(yè)間設(shè)計(jì)碰撞信息并更新數(shù)據(jù)，通過(guò)合并項(xiàng)目并對(duì)存在錯(cuò)誤的專業(yè)數(shù)據(jù)給予提示。應(yīng)用場(chǎng)景為：

(1) 總體專業(yè)上傳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及模型后，其他專業(yè)提示更新數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案完成后上傳設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)技術(shù)人員匯總更新方案。

(2) 路線數(shù)據(jù)更新：①路線只更改樁號(hào)時(shí)，其他專業(yè)設(shè)計(jì)方案根據(jù)樁號(hào)變動(dòng)自動(dòng)更新；②當(dāng)路線方案變動(dòng)時(shí)，若其他專業(yè)未參與調(diào)整，則根據(jù)控制因素和原方案參數(shù)生成新方案。

(3) 當(dāng)不同專業(yè)間數(shù)據(jù)出現(xiàn)相互“沖突”或錯(cuò)誤，合并時(shí)提示錯(cuò)誤并反饋相關(guān)專業(yè)修改，若相關(guān)專業(yè)未修改則根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)由總體專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改。

3.3 關(guān)鍵性協(xié)同技術(shù)

基于公路工程設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)參數(shù)化三維協(xié)同設(shè)計(jì)，需要解決的核心問(wèn)題是專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間協(xié)同設(shè)計(jì)問(wèn)題及相應(yīng)的溝通響應(yīng)機(jī)制。協(xié)同設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作與三維信息化技術(shù)相結(jié)合的一種設(shè)計(jì)過(guò)程，是能夠?qū)こ添?xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行有效支持的研究領(lǐng)域，不僅需要不同領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，還要有綜合協(xié)調(diào)這些知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的有效機(jī)制來(lái)符合不同的設(shè)計(jì)任務(wù)。基于綜合分析結(jié)果，協(xié)同工作的基本要素為協(xié)作、信任、交流、折中、一致、提高、協(xié)調(diào)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)這七個(gè)基本要素以助于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)工作，核心的關(guān)鍵性技術(shù)如下：

3.3.1 數(shù)字建模

按照一定形式組織的關(guān)于產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)尺寸搭建，是參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和核心。在協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下，數(shù)字模型的建立是一個(gè)逐步完善和迭代的過(guò)程，也是多專業(yè)設(shè)計(jì)協(xié)同工作、實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)后的設(shè)計(jì)成果。

3.3.2 工作流管理

工作流管理的目的是規(guī)劃、調(diào)度和控制信息化技術(shù)的工作流，以保證把正確的信息和資源在正確的時(shí)刻以正確的方式送給正確的項(xiàng)目組或設(shè)計(jì)人員，同時(shí)保證項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程能最大化滿足設(shè)計(jì)輸出需求。

3.3.3 約束管理

協(xié)同功能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，各個(gè)子任務(wù)之間存在各種相互制約相互依賴的關(guān)系，其中包括設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)對(duì)象的基本規(guī)律、各種一致性要求、當(dāng)前技術(shù)水平和資源限制以及用戶需求等構(gòu)成了平臺(tái)開(kāi)發(fā)中的約束關(guān)系。平臺(tái)開(kāi)發(fā)的過(guò)程就是一個(gè)在保證各種約束滿足的條件下，進(jìn)行約束求解的過(guò)程。

3.3.4 沖突消解

協(xié)同設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)項(xiàng)目組之間相互合作、相互影響和制約的過(guò)程，設(shè)計(jì)項(xiàng)目組對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的思考角度、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和領(lǐng)域知識(shí)不盡相同，必然導(dǎo)致協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中沖突的發(fā)生[7]。故而協(xié)同設(shè)計(jì)的過(guò)程就是沖突的產(chǎn)生和消解的過(guò)程。充分合理地解決設(shè)計(jì)中的沖突能最大限度地滿足各領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員的要求，使最終設(shè)計(jì)成果的綜合性能達(dá)到最佳。

3.3.5 歷史記錄管理

歷史記錄管理的目的是記錄項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行到一定階段時(shí)的過(guò)程特征并在特定設(shè)計(jì)決策下將它們用于將來(lái)的設(shè)計(jì)過(guò)程。目前，在實(shí)現(xiàn)這種基于CAD的協(xié)同設(shè)計(jì)方面，存在三種主流的技術(shù)思路。一種是在CAD平臺(tái)提供一些底層技術(shù)支持，供二次開(kāi)發(fā)者根據(jù)用戶需要開(kāi)發(fā)出各種應(yīng)用。另一種就是提供可定制化的基于項(xiàng)目管理、文檔管理的協(xié)同設(shè)計(jì)管理軟件，配合單機(jī)設(shè)計(jì)軟件達(dá)到協(xié)同設(shè)計(jì)目的。再一種就是基于協(xié)同設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)平臺(tái)，它是標(biāo)準(zhǔn)的、開(kāi)放的、可擴(kuò)展的，能夠?yàn)槎伍_(kāi)發(fā)者提供開(kāi)發(fā)項(xiàng)目管理、文檔管理、用戶管理、圖紙審核、網(wǎng)絡(luò)圖庫(kù)、協(xié)商交流工具等協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能的底層函數(shù)支持。

4 參數(shù)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范

公路工程中設(shè)計(jì)的專業(yè)門類較多，主要分為路線、路基、橋梁、隧道、涵洞、交安、地質(zhì)、外業(yè)調(diào)查等專業(yè)，專業(yè)間相互關(guān)聯(lián)較多、專業(yè)間協(xié)同要求高。通過(guò)將各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)成果參數(shù)化表達(dá)，專業(yè)間提資數(shù)據(jù)參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)和有效的協(xié)同設(shè)計(jì)，從而避免一些人為錯(cuò)誤和減少迭代次數(shù)[8]。同時(shí)根據(jù)不同階段所需參數(shù)的差異，并兼顧傳統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及三維正向設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用模糊處理系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)甄別制定多專業(yè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

5 項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)用

根據(jù)研發(fā)框架確定一線設(shè)計(jì)人員的日常工作場(chǎng)景和協(xié)同工作場(chǎng)景，并且基于此使用場(chǎng)景設(shè)計(jì)協(xié)同的技術(shù)架構(gòu)[9]。設(shè)計(jì)師日常工作場(chǎng)景是單個(gè)工程師工作時(shí)的使用場(chǎng)景。根據(jù)雙屏設(shè)計(jì)模式習(xí)慣由兩個(gè)電腦窗口組成，左側(cè)為實(shí)時(shí)集成展示窗口(項(xiàng)目級(jí)電子沙盤)，如圖3所示，集成三維全景、功能項(xiàng)目樹(shù)、屬性窗口和系統(tǒng)消息及溝通信息等。右側(cè)是設(shè)計(jì)工作窗口，如圖4所示，集成設(shè)計(jì)桌面、項(xiàng)目樹(shù)和信息窗口。項(xiàng)目協(xié)同工作場(chǎng)景是各專業(yè)的設(shè)計(jì)師協(xié)同工作的使用場(chǎng)景。各專業(yè)的設(shè)計(jì)師通過(guò)協(xié)同平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中與其他專業(yè)、其他人員的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新和消息溝通。

圖3 左側(cè)分屏-電子沙盤

圖4 右側(cè)分屏-設(shè)計(jì)桌面

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)和集成可視化展示平臺(tái)完成公路工程各專業(yè)設(shè)計(jì)階段的三維正向協(xié)同設(shè)計(jì)與匯報(bào)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同環(huán)境下的數(shù)據(jù)建模、設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的工作流管理、設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)對(duì)象間的約束管理、協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中的沖突響應(yīng)和消解以及基于平臺(tái)云端的數(shù)據(jù)信息迭代和歷史管理。

本文通過(guò)對(duì)公路工程信息模型的參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用框架研究及項(xiàng)目應(yīng)用總結(jié)，旨在為公路及相關(guān)行業(yè)的參數(shù)化協(xié)同應(yīng)用和參數(shù)化驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用提供方向參考。