基于數據協同的日本勘察設計行業信息化發展

董建峰 梁 曉

(建研科技股份有限公司,北京 100013)

1 引言

住建部勘察設計“十一五”(2005～2010年)技術規劃以“基于網絡的協同工作平臺”作為信息化研究方向之一。“協同工作平臺”將借助網絡信息技術和先進通訊手段,最大限度整合硬件、軟件、業務數據、管理信息等各類資源,通過發揮群體工作優勢促進建設項目多參與方之間的知識共享,提升企業的管理水平。

日本于2000年提出了以網絡基礎設施建設為中心的“E-Japan(電子日本)”國家信息化戰略,隨后在2004年升級為以促進信息通訊技術應用為重點的“U-Japan(Ubiquitous-Japan)”信息化戰略。在日本政府持續推進信息化的戰略背景下,借助雄厚經濟實力基礎,日本勘察設計行業協同管理信息化方面已經取得了較大成就。本文擬分析日本 CAD數據交換標準、基于 BIM模型的協同設計以及建設項目全生命周期信息共享等三個方面,進而探討其對我國勘察設計行業協同管理信息化建設方面的借鑒意義。

2 日本勘察設計行業介紹

2.1 行業定位與企業類型

按照日本的標準產業劃分,勘察設計業定位于土木建筑服務業,是可以為業主提供工程策劃、勘察、設計、項目管理及施工監理等全過程技術服務和管理服務的行業。行業內企業按照業務范圍的不同,主要包括建筑設計事務所、項目咨詢公司與測繪地質調查公司等等。建筑設計事務所只提供前期策劃、建筑專業設計、設計施工監理等設計項目的服務,以民建項目為主;而工程咨詢公司的業務則涵蓋了項目可行性研究、設計、監理及咨詢管理等各項工程項目的服務,以水利、電力、路橋和機場等各種公共基礎設施為主。

日本政府不評定勘察設計企業的工程設計資格等級,而是只對設計人員的資格等級進行評定。日本頒布有“建筑士法”,從法律角度規定了設計人員的責任﹑權限、考核標準以及資格等級,限制了相應級別設計人員所能承接設計與監理等業務的范圍。日本勘察設計企業的設計實力評價,主要依靠設計業務年營業收入和在冊一級建筑士(相當于我國的國家注冊一級工程師)人數兩項指標。根據日經 BP社的調查,2006年度營業收入最高的三家設計事務所依次為:日建設計﹑ NTTファシリティーズ和三菱地所設計,在冊一級建筑士人數分別為606人﹑ 731人和 268人。

2.2 業務范圍及內容

日本的建筑設計過程一般可劃分為企畫計劃、基本設計和實施設計三個階段,分別對應我國的方案設計﹑初步設計和擴大初步設計,與我國不同的是施工圖設計一般由施工方完成。由于最終設計(實施設計)深度僅要求達到滿足工程建設要求(施工招標圖),使得日本的設計者們可以把花在尺寸、標高、制作安裝詳圖等施工圖細節設計上的精力轉移到方案比選、優化、新技術運用上。

此外,日本的工程監理業務習慣上委托給該工程的設計方來完成,即設計方不但提供建筑設計服務,而且在所設計項目施工過程中也提供進度管理、質量管理和合同支付等技術管理服務。這種設計監理一體化方式可以確保工程設計與工程管理之間的連續性。

日本勘察設計企業所面臨的外部經營環境逐年惡化,上世紀 90年代日本泡沫經濟破裂后,日本國內的固定資產投資逐年下降,2009年固定資產投資大約 47.2兆日元,占國民生產總值的 9.8%,只達到了 1996年固定資產投資的 57%[1]。激烈的競爭和設計分工的日趨細化使得勘察設計企業更重視核心業務的發展,而把其他附加值低或者成本高的業務外包給合作伙伴。一項由日本建筑學會的調查證實[2],綜合性事務所有接近 70%的結構設計和建筑設備設計業務都外包給了其他事物所,而有超過 50%的結構設計事務所又將結構圖繪制業務分包給專業制圖事務所。

圖1 日本設計事務所業務外包種類及比例[2]

3 持續推動 CAD數據標準化

日本政府積極推動著 CAD數據交換格式標準化的開發進程。早在 1995年建設省(現國土交通省)就出臺了《建設 CALS/EC整備基本構想》(簡稱CALS/EC),提出到 2010年,公共建設項目從立項、規劃、招投標、設計到施工交付項目的全生命周期,實現圖紙、文檔以及照片等工程信息標準化和電子化。

作為 CALS/EC項目的一環,日本政府制定了一系列技術標準,從基礎數據標準化和數據管理標準化兩方面推進建設產業的信息標準化。基礎數據標準化包括材料設備編碼標準化和 CAD數據標準化等。數據管理標準化包括多種軟件系統標準化(比如土木概算軟件和電子投標系統)以及工程電子資料提交標準化等。

3.1 內容以及面臨的問題

CAD數據標準化的成果是開發完成了滿足 ISO標準 STEP/AP202/CC2規格的二維 CAD數據交換標準 SXF。

SXF的開發由半官方性質的日本建設信息綜合中心(JACIC)負責組織,最初在 2000年 8月頒布了SXFver2.0[3],該版本主要從圖面構造(坐標、圖層、顏色等)和幾何要素(點、線圓弧等)兩方面規范了CAD數據格式。隨后又于 2003年 8月,在 SXF ver2.0版本基礎上發布了 V 3.0版本[4],增加了幾何要素的屬性定義內容,由于設計方可以在屬性定義中添加工程實體信息相關內容,因此施工方可以通過該版本 CAD數據抽取相應幾何要素所對應的工程量。

但是二維 CAD數據交換已經越來越不滿足現在企業間的協同工作需要。早在 2004年,統計已經有 53%的設計事務所希望采用三維 CAD數據輔助上下游專業間的碰撞檢查和建筑造價分析[5]。

如今,如何在 SXF數據交換標準中靈活應用IFC國際標準,制定三維 CAD數據的交換標準已經成為日本政府面臨的一個緊迫課題。2007年,日本已經把三維 CAD數據標準的開發列入第三次建筑標準化推進計劃,該計劃另外還將整合測量(DM)、建筑設計(CAD)和地理信息(GIS)三者之間的數據,以求達到勘察設計行業基礎數據完全共享的目的[6]。

3.2 應用及普及

日本政府采用“推拉”策略大力普及 SXF格式的 CAD數據應用。

“推”即引導使用。首先由相關政府部門、高校以及代表企業等聯合組成推進委員會,該機構主導制定標準化的發展策略、收集用戶反饋并組織版本更新;然后利用書籍、網站以及培訓交流會等多種形式向公眾普及;再者尋求軟件開發商的技術支持。由于 SXF是日本政府規定的一種 CAD數據交換標準,因此得到了日本國內絕大多數廠商的支持,官方資料顯示,截止到 2008年 6月底,已經有191家 CAD廠商的共計 362款相關軟件公開表明支持 SXF數據格式[7]。另外,日本為了普及 SXF的應用,降低企業信息化成本,開發公布了免費的 SXF數據格式瀏覽軟件。

“拉”即強制應用。SXF格式作為國家的 CAD數據交換標準,被政府逐漸應用到電子招標和實現電子資料提交的公共建設項目中。依據日本政府信息化的日程表,2010年開始所有公共建設項目將全部采用電子招標、電子資料提交,此類項目的參與方之間將通過 SXF格式共享 CAD數據。

4 推廣基于 BIM的協同設計

日本勘察設計行業協同設計的實現策略是以如何高效共享基礎數據為出發點的,主要協同工作模式為:通過搭建網絡、制定數據標準等方式創造數據共享環境,利用成熟 CAD平臺,采用外部引用方式實現專業間數據的協同與共享。早在 2000年左右,80%以上的設計事務所已經制定了企業內的制圖規則和文件共享原則等標準,67%的設計事務所已經創建了共享的標準圖元數據庫[8]。

近年來,日本國內有通過視頻會議或者創建溝通模型等實現并行設計的研究,也有基于成熟項目管理軟件做二次開發實現工作流程協同的研究[9],但是集數據共享、流程控制和即時通訊等為一體的協同設計模式的研究非常少,日本建筑學會 2000年以后公開發表的資料中鮮有類似報告。

最近,基于建筑信息模型 BIM(building Information Modeling)的 CAD協同設計平臺正在成為日本勘察設計企業追逐的熱點。采用基于 BIM的協同設計,可以高效整合上下游多專業間的數據,理論上可以實現建筑項目從設計、施工直至物業管理的項目全生命周期數據一體化以及可視化。

4.1 政府舉措

日本政府已經把基于 BIM的三維 CAD推廣列入了政府的三年(2008～2010年)信息化規劃(國土交通省 CALS/ECアクションプログラム2008),該規劃明確提出了在三年以內制定基于三維 CAD的電子資料提交標準。日本國土交通省官廳營繕部已經公告,從 2010年開始在政府部門的建筑修繕工程中,設計者需要提交初步設計階段的 BIM實體建筑模型[10]。

但是日本還需要完善基礎環境以促進 BIM的應用。日本目前還未制定三維 CAD數據交換標準,導致項目參與方之間實現三維 CAD數據一體化還有較大困難。

4.2 應用現狀

目前 BIM在日本勘察設計行業的應用還處于理論探索和流程改進階段,仍有許多企業不熟悉BIM設計方法,日本建筑學會、IAI協會等正在通過討論會和模擬設計等多種形式研究 BIM技術并推廣企業的應用經驗。2008年底開始,日本媒體對BIM實際應用的報道逐漸增多,2009年甚至被包括日經 BP社在內的多家媒體稱為“BIM元年”。包括日建設計和大成建設在內的多家企業已經導入了Autodesk公司的 Revit系列產品以實現基于 BIM的協同設計,經過實際業務的檢驗,上述企業認為 BIM的優勢主要集中于可視化設計、專業之間數據整合高質高效、縮短設計周期等三個方面[11]。

日本 IAI協會于 2009年組織了兩次基于 BIM的模擬設計賽,組織者要求參賽小組根據規定的設計條件在 48小時內,完成建筑、結構、設備以及環境的建模、專業解析、專業模型整合以及演示文檔的制作等設計任務。參賽小組內部通過公開的協同設計門戶共享資源,實現基于 BIM的異地協同設計。例如,“the BOMb”參賽小組的數據共享平臺為Buzzsaw系統;首先借助日本國內的五款軟件分別完成風、日照、照明以及結構解析后,采用 Revit系列軟件完成專業建模并整合成一個 BIM模型;然后將此模型導入三維項目評審軟件 Navisworks進行項目走查評審,動態仿真的查看 4D設計進度;最后通過 3ds Max完成模型渲染并生成動態演示資料,利用三維打印機直接生成展示用建筑模型。此活動非常有助于日本勘察設計企業了解 BIM的設計理念及優勢并得以推廣。

圖2 安井建筑事務所業務量分析曲線[7]

導入 BIM的勘察設計企業正在嘗試 BIM的有效應用模式,但是許多企業的現有管理模式限制了BIM的應用深度和廣度。圖2顯示的曲線為某設計事務所的基本設計和實施設計兩個設計階段的人力耗用高峰值曲線,“従來型”為采用 BIM以前的曲線,“改訂型”為采用 BIM以后的曲線。圖2表明該事務所導入 BIM后,在設計的前期階段需要投入的人力資源明顯增多,在設計的后期則明顯減少,即實現了 front-loading(設計原則之一,盡可能在設計的早期暴露不確定設計要素并及時解決,從而達到降低風險﹑壓縮工期并提高設計質量的目的)。該設計事務所已經針對 BIM設計模式的特點,做了相應的業務流程再造,并正在驗證新流程的應用效果[12]。

5 實現項目全生命周期協同

日本有五大工程總承包商:竹中工務店、大林組、鹿島建設、大成建設以及清水建設。這些工程總承包商都很注重信息系統的建設,通過信息系統整合多協作方的業務數據,完善自己的電子商務環境。

5.1 協同的特點

日本工程總承包商利用信息化實現設計、施工、多協作方一體化有三個特征:第一,數據一元化。項目參與方之間共享同一個數據庫,保證數據一致性;第二,共同工作。構建基于網絡的信息交流環境,項目參與方利用同一網絡實現分散提攜,整合資源;第三,并行工作。利用信息化實現流程再造,下游協作方提前介入工程項目。鹿島建設的系統很能體現這些特點。

鹿島建設于 2001年開始搭建設計施工一體化系統(簡稱 KSJT),通過該系統將施工圖設計提前融入到上游的設計過程中,促進專業設計間的整合性,提高計算實物量和工程造價的精度。系統的核心為設計施工一體化三維 CAD基礎數據共享平臺(DB-CAD),建筑、結構、設備等專業使用各自的專業軟件進行設計,各專業的三維 CAD模型全部保存在 DB-CAD的數據庫中。專業之間借助 DB-CAD提供的數據接口實現數據模型共享,從而實現數據的一致性和專業間碰撞檢查的可視性。由于 DB-CAD系統采用IFC標準格式保存模型信息,因此設計階段的建筑物實體屬性得以保存。系統集成的施工管理模塊以此為基礎,生成施工圖和預算工程量等信息。另外,施工過程中利用 DB-CAD系統的信息同時集成相應的業務系統,可以實現施工成本管理和預算管理,而預算管理模塊通過集成電子商務管理平臺CI-NET可以實現網上采購,通過同協作方相提攜合作及時調撥生產物資安排生產計劃[13]。

圖3 鹿島建設 KSJT系統概念圖出自:鹿島建設門戶網站

日本工程總承包商的項目全生命周期協同是建立在數據共享基礎上的。大成建設于 2009年初開始投入運行新的電子商務系統プロジェクトNet,系統在實現項目全生命周期多參與方的數據一體化基礎上,強化了過程管理的功能。該系統有文件管理、圖紙管理和過程管理三個子系統,登錄用戶可以通過文件管理子系統設定文件的操作權限,完成文件變更通知、狀態設定和文件版本控制等的管理;圖紙管理子系統的功能包括圖紙相關權限、變更自動通知、圖紙進度計劃和圖紙版本管理等。過程管理子系統可以完成事前工作設定、延遲工作通知和計劃的管理等。設計事務所、材料供應商以及施工單位的人員通過安全認證后即可共享相應的工程信息[14]。

圖4 大成建設G-NET系統概念圖[14]

5.2 BIM的運用

隨著 BIM技術的日趨完善,工程總承包商紛紛提出各自的方案,計劃利用 BIM信息模型完成設計方、施工方、采購方等的并行工作,實現項目多參與方的數據共享和協同工作。工程總承包商的設計部門利用 BIM信息模型對項目做豐富多彩的展現,完成專業間的協同工作;施工生產部門通過 BIM模型抽出實物工程量,及時安排生產計劃并調撥生產物資。例如,竹中工務店制定的基于 ISO的工程品質管理規程(C Sブリーフ)中,設置的 BIM推進方向性目標為:通過在 BIM中加入勘察、建筑、結構、設備和環境等必要信息,探討建設項目在法律、環境、工程結構和施工等方面的實施可行性;從 BIM模型中抽出圖紙信息、實物量和造價等工程信息并最大限度加以靈活應用,通過實現工程項目全過程多參與方的高效溝通協同從而達到提高設計和施工品質的目的[15]。

6 借鑒

日本的勘察設計行業協同管理信息化可以給我們如下兩點借鑒。

6.1 加快政府為主導的標準化建設

為了實現勘察設計行業的信息化資源整合,我國應持續完善包括 CAD協同設計制圖標準在內的工程全過程電子資料的標準化與規范化。數據標準化規范化是實現多參與方數據一體化的根本保障,是構建項目全過程多參與方數據共享基礎環境的要素之一。政府不但要制定標準,而且也需要引導標準的推廣與應用。我國應繼續完善建設行業電子數據交流方面的法律法規建設,以促進項目多參與方之間的基于標準化數據的信息交流。

日本勘察設計行業協同管理信息化,在數據標準化和設計施工一體化方面取得了很大成就,CAD數據交換標準 SXF已經在實際應用,工程總承包商的電子商務供應鏈管理已經把設計、施工和采購等多方的業務數據聯系在了一起。日本的協同管理注重實現“物”的管理(資源管理),即偏重項目管理過程中多參與方之間業務基礎數據的共享和協調,體現的是 PDM(Product Data Management)的管理理念。日本政府的建設業信息化框架(CALS/EC)促進了這種協同管理特點的形成。日本政府是建設行業數據標準化的積極推動者,不但制定了 CAD數據交換標準和資料電子化規范,而且政府還給企業創造了一個有利于基礎數據標準化的外部環境。比如日本政府的電子招投標和提交資料電子化等措施使得勘察設計企業不得不順應政府要求,加快本企業的基礎數據規范化建設,否則就會失去投標資格,業務活動就不滿足國家規范要求。

圖5 竹中工務店BIM推進方向概念圖[15]

相對而言,我國勘察設計行業的項目協同管理系統中,更多的體現為對“人”的管理(過程控制),即實現包括流程審批等在內的工作流管理,實現包括即時通訊等在內的溝通管理等,信息化系統中滲透著 BPM(Business Process management)的管理思想。盡管我們許多企業的協同設計系統可以整合多專業的數據,實現了設計資源協同和管理流程協同的統一,但是在設計采購施工一體化上,還是有資源共享的瓶頸。

6.2 探索基于 BIM協同模式的 SOA架構信息系統

我國勘察設計行業面臨兩個挑戰:一是如何通過改制重組等機構變革方式快速適應因經濟全球化而帶來外部商業環境的快速變化;二是如何突破單純設計業務向 EPC(設計采購施工一體化)業務延伸而帶來的協同管理上的瓶頸。作為信息化手段之一,勘察設計企業可以通過構建基于 BIM協同模式的 SOA架構信息系統應對挑戰。國內許多勘察設計企業的信息系統已經實現了二維 CAD數據圖層級協同,可以完成設計文件管理和設計流程控制,但是此類系統中,CAD業務數據在設計方、采購方和施工方共享方面的功能還不太完善。由于 BIM建筑信息模型可以加載設計數據、實物量,造價等大量工程信息,理論上完全可以利用 BIM實現從設計到施工,工程項目全過程多方高效協同。我們可以借鑒日本工程總承包商的思路,以電子商務供應鏈為紐帶,嘗試采用 BIM把設計采購和施工的數據聯系起來。

基于 SOA(Service-oriented architecture)的信息資源整合方案有相關子系統間松散耦合、粗粒度的服務、標準化接口和操作平臺無關性等眾多優點,不但能夠保證勘察設計企業快速共享現有的遺留系統,降低信息化成本,而且 SOA架構也可以保證企業信息資源的靈活性,做到“隨需而變”。我國“十一五”課題“勘察設計企業信息化關鍵技術與應用”中,已經提出了以 SOA架構部署企業信息系統以實現企業協同管理的理念[16]。此課題的研究已經取得了大量成果,北京建設信源公司目前正在一批試點項目檢驗成果的應用效益[17]。

勘察設計企業可以在搭建 SOA架構信息系統前提下,聯合軟件廠商共同探索基于 BIM的協同管理模式,實現項目全生命周期的資源管理和過程管理的協同,最終提高我國建設行業整體的核心競爭力。

[1]國土交通省総合政策局情報安全?調査課建設統計室.2009年建設投資見通し[R/OL].(2010-4-10),www.m lit.go.jp/common/000043132.pdf【2009年建設投資預測】

[2]日本建築學會.設計事務所実態調査報告書[R/OL].(2010-4-10),news-sv.aij.or.jp/shien/s2/chousabukai/sekkeichousa0710.pd f【設計事務所現狀調查報告書】

[3](財)日本建設情報総合センター(JACIC).CADデータ交換標準(SXF)ver2.0仕様書?同解説 1(案)[S/OL].(2010-4-10),http://www.cals.jacic.or.jp/cad/developer/Doc/FuzokusyoSXFVer2.lzh【CAD數據交換標準 Ver2.0格式說明書及其解說】

[4](財)日本建設情報総合センター (JACIC).SXF Ver3.0仕様書[S/OL].(2010-4-10),http://www.cals-ed.go.jp/calsec/rule/sxffunction22.pdf【SXF Ver3.0格式說明書】

[5]日本建築學會.第10回建築 CAD利用調査報告[R/OL].(2010-4-10),http://news-sv.aij.or.jp/jyoho/M 030/enquiry/10cad.pdf【第十次建筑 CAD利用調查報告】

[6](財)日本建設情報総合センター (JACIC).第三次建設情報標準化推進三箇年計畫[R/OL].(2010-4-10),http://www.jacic.or.jp/hyojun/dai3ji-suishinkeikaku.pd f(第三次建設信息標準化推進 3年計劃)

[7](財)日本建設情報総合センター (JACIC).sfc/p21共通ライブラリ実裝予定ソフトウェア一覧[G/OL].(2010-4-10),http://www.cals.jacic.or.jp/cad/user/sxfvendor.htm【支持 SFC/P21共通樣式支持軟件一覽】[8]日本建築學會.第7回 建築CAD利用調査報告[R/OL].(2010-4-10),http://news-sv.aij.or.jp/jyoho/cad.pdf【第七次建筑 CAD利用調查報告】

[9]高本 孝頼ら.日本型建築 PM支援システムの開発(情報システム技術).日本建築學會研究報告技術報告集第18號,2003年 12月,No.387-392【日本建筑PM支持系統的開發】

[10]國土交通省官房官庁営繕部.官庁営繕事業におけるBIM導入プロジェクトの開始について[R/OL].(2010-4-10),http://www.mlit.go.jp/common/000110964.pdf【官廳修繕事業BIM導入工程開始的說明】

[11]Autodesk公司.BIM案例.(2010-4-10),http://bimdesign.com/case/index.html

[12]中元三郎.BIMの特性を生かした設計プロセス改訂を目指して.建築コスト研究,2009年 1月,NO.18-22【利用BIM實現設計流程再造】

[13]高垣 徹 ら,BD-Cadの活用,建築雑誌 特集,コンピュータの功罪,VOL.119,2004年 4月,No.1518【BDCad的靈活運用】

[14]大成建設株式會社.プロジェクトNet(システム概要?機能一覧)[N/OL].(2010-4-10)http://www.taisei.co.jp/MungoBlobs/923/248/09040901.pd f【net系統概要和功能一覽】

[15]能勢浩三.設計施工におけるIC Tを利用した生産性向上への取組み,建築コスト研究,2010年 1月,NO.39-42【設計施工中利用信息技術提高生產品質的方法】

[16]王靜.“十一五”勘察設計企業信息化關鍵技術研究.SOA技術推動勘察設計企業信息化建設研討會論文集,2009年 3月,No.1-4

[17]張瑞祥,吳東婷,石悅琪.設計企業信息數據集中存儲系統平臺建設[J].土木建筑工程信息技術,2010,(1),No.12-17