基于BIM 的復雜建筑群體數字化協同設計的實踐——后世博B 片區央企總部為例

王 凱 李嘉軍 劉 翀 林凡舟

(華東建筑設計研究院有限公司，上海 200041)

引言

上世紀80 年代，信息化工具在國內工程設計領域還是鳳毛麟角。到了90 年代設計團隊先后引入并應用CAD 技術，帶來個人工作方式的變革。2000 年之后，國內設計團隊開始嘗試基于工程項目的協同設計。2009 年，BIM 理念正式進入國內，并逐漸被業界所認知，BIM 在協同工作、資源整合方面的優勢明顯初露荷角。近年，隨著國內大型項目中陸續使用BIM 技術，業界普遍意識到導入BIM 技術的重要性。BIM 被認為是能夠突破生產效率低和資源浪費等諸多建筑業普遍存在的問題的關鍵技術之一，已經成為工程技術發展的主流方向。

整合、協同是BIM 的核心概念。BIM 帶來的不僅是激動人心的技術沖擊，BIM 技術與協同設計技術結合，能夠有效促進多個專業的相互協作，建筑、結構、設備在同一模型上共享數字化模型信息進行協同設計。如果把BIM 技術比作是生產力的話，多專業協同就是生產關系。不同專業人員使用各自的BIM 模型，與其他人的信息模型鏈接、同步后，可以大幅發揮可視化設計和團隊工作的優勢，通過碰撞檢查，快速及時、準確地發現碰撞和解決矛盾，從而提高效率和質量。

1 超大項目群協同設計研究對象和理論基礎

1.1 研究對象

建筑業正在經歷建筑信息化的變革過程。在近幾年，基于BIM 的多專業協同設計工作方式也逐漸被關注。少數單位也展開相關的嘗試，但大多用在普通單體項目中，在超大型項目群項目中的應用還是鳳毛麟角，本研究的重點就是在此。

1.2 理論基礎

本研究的理論基礎是協同設計理論，但是超大型項目群的協同設計不同于一般意義上的協同設計，更側重于設計管理，具有的群體性、交互性、分布性和協作性特點。

2 復雜項目群協同設計研究方法和研究框架

2.1 研究方法

研究基于后世博B 片區項目實踐，將協同設計有關理論與具體問題相結合，探索項目群BIM 多專業協同設計方法。

2.2 研究框架

本研究著重探討了如何在項目群中實現十幾家設計院的三維協同，將各家的成果集成起來，進行總體協調，將協同設計工作方法真正的應用到項目群的設計過程中。從宏觀上進行把控，對項目群進行便捷、準確、有效的協調審查和管理分析。研究框架如圖1:

3 項目群體協同設計的必要性

3.1 復雜項目群體工程的特點和難點

世博園B 區是世博園區后續開發利用的第一個區域，規劃成央企總部聚集區和國際一流的商務區。用地面積約18.72 萬m2。B 片區(圖2)共有28 棟建筑，分屬13 家央企，15 家投資主體參與，包括中國商飛、中國鋁業、中國華電、國家電網、中國中化、中國建材、中國華能、中外運、中信、中國黃金等。總建筑面積逾百萬m2(地下面積約45 萬m2，地上建筑面積約為59.7 萬m2)，其中4 棟為28 層高層，最高120m，其余為6～16 層。項目的設計參與單位多達十余家。

圖1 研究框架

圖2 世博B 片區項目群體鳥瞰圖

由此可見，后世博B 片區央企總部基地項目群具有:項目參與方多、項目性質復雜、項目功能全面、涉及專業廣、工程量大、投資多、技術復雜、時間緊迫、質量要求高等特點。

3.2 協同設計在超大項目群中的優勢

傳統的協同設計適用于項目單一、規模不大、業主唯一、單一指令等特點的項目，而對于復雜項目群體而言，多個單體業主同時參與決策，每個單體業主都形成獨立決策主體，而單體項目之間并非獨立，而是相互聯系相互交界，多業主基于自身利益考慮，其決策勢必引起項目開展過程中的矛盾，且各單體組織間過于孤立，因此垂直的組織結構形式不利于復雜項目群體多業主的建設。

組織的復雜性和多元化勢必引起指令傳達的多元化，單體項目之間的組織孤立加大了項目的難度(圖3)，這樣在項目進行過程中往往因組織管理和協調不暢而影響項目的開展，因此在復雜項目群體項目中，組織的集成化非常重要。BIM 技術的基本理念是集成化，這樣有助于將分散孤立的組織形成較為集成化的協同組織(如圖4 所示)。

圖3 垂直層級架構

圖4 集中式共享架構

4 項目群體協同設計方法分析

4.1 大型項目群體BIM 應用標準與流程

在世博B 片區項目中，項目總協調方為順利實施BIM 技術，聯合上海現代建筑設計集團、上海市建筑科技研究院、上海建工、上海城建院等幾家主要參與單位共同編制了《上海世博B 片區央企總部區BIM 工作手冊》(圖5)。工作手冊詳細規定了BIM 實施的總體流程、各方(設計方、施工方和監理方)實施BIM 的職責、BIM 實施的標準、BIM 協作平臺使用標準等。各單體按照統一標準進行BIM 模型的建立、屬性設置，以及統一協作平臺上文件的命名、文件交付標準等，便于各方進行數據信息的溝通和協調。

圖5 上海世博B 片區央企總部區BIM 工作手冊

在世博B 片區項目全過程應用中，標準起到了關鍵性的作用，避免了許多技術上的障礙，但還需要面對一些難題，例如:BIM 與設計的整合，BIM 與施工整合，以及BIM 分析結果如何雙向反饋到設計和施工等，這些問題的解決與否，直接關系到BIM 工作的成敗，影響世博B 片區項目的質量、進度和成本。為此，現代建筑設計集團配合業主，結合工程實際需求，制定BIM 建筑信息模型協同工作實施流程解決BIM 設計、施工的整合及BIM 成果雙向反饋的問題，主要起草編制了后世博BIM 總體實施流程和《設計導則及統一技術措施》(圖6 所示)，統一了工作流程，創造性地更新了傳統工作模式，鼓勵各設計單位在具備實力的情況下直接進行BIM 設計。

4.2 協同管理平臺與協同設計平臺

有了標準和流程，還應設置相匹配的平臺。經過走訪和學習一批國內知名的設計、工程單位，以及若干重大項目后，發現采用以往的單體項目的協同平臺，可能會出現處理決策滯后，整體協同進度效率受影響的弊端。究其原因，在于各單體的設計決策并未通過協同工作平臺執行，而在各自單體平臺中執行，導致了溝通執行效率的降低，效果不暢。

圖6 后世博BIM 總體實施流程

項目群工程中，必須要將協同設計工作貫徹到底，推動各單體建筑之間的必要協同，使信息處理與決策交互化、全局化，才能真正實現最大化協同的價值。結合本項目特點，B 片區項目群確立基于項目群體協同的信息集中共享機制，所有的設計、變更修改模型及信息在協同工作平臺內共享，減少了信息傳遞步驟，通過信息資源共享提升了信息傳遞效率。為了實現這些目標，后世博B 片區項目總協同方及各主要參與單位采用了項目群協同管理平臺，設計單位采用GIS 與BIM 相結合的項目群協同設計平臺，并將兩者進行了有機集合。

4.2.1 協同管理平臺

后世博B 片區央企總部項目群參與方眾多，包括十幾家業主、十幾家設計單位、施工承包單位、監理公司、供應商等等。以往各參與方在項目進行過程中往往采用傳統的點對點溝通方式，不僅增大了開銷，提高了成本，而且也無法保證溝通信息內容的及時性和準確性。

為了確實掌握項目的需求，上海現代建筑設計集團信息中心數字化技術研究咨詢部通過向各單體業主發放了數十份《項目群BIM 技術應用調查問卷》(圖7)，實施了長達兩個月的需求調研。經過對調查結果進行分析和梳理，反映各參與方對協同管理平臺的需求主要集中在:

1)實時集成:集中化存儲來自多個項目參與方的BIM 資料，文件變更文檔修改實時更新，將功能規劃、方案設計、分析模擬、施工規劃、施工管理、設備采購管理等各階段的應用集成并接入數據中心。

2)工程目錄與流程管理:根據不同的業務范圍和工作職責，制定工作文檔編碼和目錄架構，方便項目資料的發布和各專業、各部門間的設計配合。工作流的管理，對協同設計工作流程進行規范，保證各個流程成果可控。

3)安全訪問控制:區分不同文件的訪問及管理權限，保障信息內容的安全存儲和訪問。在數據與操作的管理上，將數據層與操作層分離，集中存儲分散的工程內容信息，保證可控制性和安全性。

經過對市場上的相關產品進行對比篩選，最終選擇了ProjectWise 平臺作為項目群管理平臺，主要用于信息交流溝通，決策處理。協同管理平臺把項目周期中各個參與方集成在一個統一的工作平臺上，改變了傳統的分散的交流模式，實現信息的集中存儲與訪問，從而縮短項目的周期時間，增強了信息的準確性和及時性，提高了各參與方協同工作的效率。協同管理平臺主要應用成果如下:

1)管理項目過程中各種設計文件

設計過程中使用的軟件眾多，產生了各種格式的文件，這些文件之間還存在的復雜的關聯關系，這些關系也是動態發生變化的，通過協同管理平臺良好地控制工程設計文件之間的關聯關系，并自動維護這些關系的變化，減少了設計人員的工作量。

圖7 項目區BIM 技術應用調查問卷

圖8 項目文檔預覽

圖9 項目文檔安全控制

2)項目異地分布式存儲

由于參與方眾多，分布于上海、北京、廣州等地。協同管理平將各參與方工作的內容進行分布式存儲管理，通過本地緩存技術，保證了對項目內容的統一控制，也提高了異地協同工作的效率。

3)全方位的發布圖檔

協同管理平臺后端采用Publisher 發布引擎，可以動態地將設計文件、辦公常用格式的管理文件以及光柵影像文件發布出來，設計文件發布后完全保留原始文件中的各種矢量信息、圖層以及參考關系，充分保證了信息的完整性。項目參與方不需要再安裝專業設計軟件，就可以直接通過瀏覽器來查看項目中的各種文件，簡單快捷，也節省了購買部分專業軟件的成本。

4)安全訪問控制

工程項目參與方眾多，如何保證信息內容的安全存儲和訪問至關重要。協同管理平臺的數據層與操作層分離，收集了分散的工程內容信息，采用了集中統一存儲的方式，加強了可控制性和安全性。

對于用戶訪問，采用了用戶級、對象級和功能級等三種方式進行控制。用戶需要使用用戶名稱和密碼登錄系統，按照預先分配的權限，訪問相應的目錄和文件，這樣保證了適當的人能夠在適當的時間訪問到適當的信息的適當的版本。

5)工作流程管理

在協同管理平臺中，制定了本項目的工作流程和流程中的各個狀態，并且賦予用戶在各個狀態的訪問權限。當使用工作流程時，文件可以在各個狀態之間串行流動到某個狀態，在這個狀態具有權限的人員就可以訪問文件內容。通過工作流的管理，可以更加規范設計工作流程，保證各狀態的安全訪問。

6)內部消息溝通

協同管理平臺用戶之間通過消息系統相互發送內部郵件，通知對方設計變更、版本更新或者項目會議等事項。

7)設計工作日志

協同管理平臺自動記錄所有用戶的設計過程，包括用戶名稱，操作動作，操作時間以及用戶附加的注釋信息。這些過程的記錄，是設計質量管理的重要組成部分。

4.2.2 三維協同設計平臺

僅有協同管理平臺不能夠滿足協同設計的全部需求。鑒于工程的特點，我們采用了GIS 與BIM相結合作為協同規劃設計平臺，以實現巨大地下空間和高密度建筑群的設計工作。同時協同設計平臺對各設計單位的BIM 幾何數據和信息進行集成管理，達到高效統一調度，實現總體規劃與單體相統一。

經過對市場上的相關產品進行對比篩選，最終選擇了Autodesk 360、Infraworks 和Revit 等數種BIM軟件作為三維協同設計工具。各設計單位將BIM設計基礎數據存貯在PW 協同管理平臺上，并通過AIW 將模型數據進行集成，實現三維協同設計平臺與協同管理平臺的結合(圖10)。通過平臺與各方信息實時交互，動態獲取項目實時更新信息，實現設計、工程進展跟蹤的動態同步。AIW 可以鏈接Revit 生成的RVT 文件，實現BIM、GIS 平臺互補協作(圖11)。

三維協同設計平臺AIW 的數據庫中將單體建設總平面圖、土地利用平面圖、道路豎向規劃融入一個數據庫內，將各項目的整體經濟技術指標(層數、建筑高度、總建筑面積、綠地面積等)進行整合，滿足規劃設計分析的數據需要。從宏觀和微觀上，確保項目群的經濟指標得到保證，提升設計品質，規避項目風險(圖12)。

圖10 協同管理平臺與設計協同平臺對接

圖11 三維協同設計平臺工作原理

圖12 三維協同設計平臺AIW 截圖

4.3 超大項目群性能模擬仿真設計技術

性能化分析不能脫離周邊環境，孤立地對單體進行研究。在宏觀環境及外力影響下，單體項目勢必會存在不確定性干擾，性能分析就是一個典型的例子。常規性能分析多以項目單體為主，難免會出現分析結果偏誤，導致顧此失彼，缺乏系統性、宏觀性。

此外，傳統測繪方法難以獲得準確的周邊環境數據。在本項目中通過BIM 與GIS 技術相結合，精確地再現了整個世博片區的地理信息和建筑群，包括建筑、公共設施、道路、水體等為性能模擬提供了前提條件(圖13)。

項目群的集群性能仿真分析，避免了單體分析局限性的同時，提升了項目群性能仿真分析的可靠度，為優化設計提供了有效手段，為項目群的整體性能參數提升提供可靠保障。性能模擬方面實施了日照、抗風、抗震、交通、疏散、節能、環境影響分析等。隨著設計不斷深化，三維模型數據也越加豐富。分析遵循從群體到單體，再從單體到群體的邏輯，通過設計—分析—再設計的流程形成了交互式性能化優化設計，真正意義上優化設計成果，提高了設計的品質(圖14)。為全園區實現二星以上的綠色建筑的目標，提供了有力技術支持。

4.4 公共地下空間三維協同設計的技術與應用

世博會地區會展及其商務區B 片區地下空間的開發貫徹了四統一的基本原則，即“統一規劃、統一設計、統一施工、統一管理”。將地下空間開發利用與城市建設、經濟建設、市政交通設施、城市抗災救災和人防工程建設相結合。因此，控制各地塊地下空間設施規模、開發層數，地下空間的布局以及與軌道交通的對接接口、預留通道、公共設施的設計就變得十分重要。

圖13 性能模擬模型關系圖

圖14 性能模擬及工作模式

圖15 設計導則及統一技術措施目錄

圖16 公共地下空間三維協同設計

以往項目設計過程中，單體項目受限于平臺及技術手段，在設計協同上無法達到完全一致，在坐標、專業及功能方面的協同上，均可能會存在異步的問題。坐標異步，可能造成不同項目的地下空間交接區域出現較大的誤差，亦可能影響市政管線布置;各專業溝通不足和疏忽，則可能會造成地下空間之間可能的設備管線沖突、功能空間流線未達到最優化設計。通過全三維協同設計，可以有效避免沖突，并提升復雜地下空間的工作效率。

上海現代建筑設計集團作為項目的總控方，通過編制B 片區《設計導則及統一技術措施》(圖15)，制定了統一的技術措施，并借助三維協同設計平臺核查，可確保坐標系、控制線的精準一致。通過統一規范項目群各單體的協同標準，保障超大項目群公共地下空間之間的流暢協同，規避了共地下空間的可能出現的各種風險。

而在全三維協同設計的環境下，建筑、結構、設備專業在同一環境下協同工作，提高了項目設計的協同水平。而項目群的集群設計協同，在復雜的公共地下空間的協同設計過程中，有效解決了不同項目之間專業協同的不同步問題。對于公共地下空間的設備管線以及地下市政管網來說，集群的協同設計能有效保證建筑群設備管線與市政管線的完美對接，避免了項目施工過程中出現二次調整的情況。可以說，借助于三維協同設計平臺充分發揮地下空間資源開發利用，帶來了顯著的成效(圖15)。

4.5 超大項目群工程量與造價數據共享

傳統模式中，造價預算員通過二維圖紙進行數據計算，計算方法復雜且繁瑣。BIM 基于三維模型，能夠過快速生成各種量化數據。圖形與信息數據聯動，方案調整時，數據自動更新，可大幅提高效率。

在本項目中，將BIM 與造價預算規則進行結合，使其符合現有算量規范。技術順利實施得益于:(1)周全的BIM 模型深度標準，使得構件組成與材質設置與規范一致;(2)成熟的經驗，按工程量與造價統計規則進行體積扣減，確保工程量的準確性。

通過反復研究發現，BIM 統計結果非常接近傳統計算結果，差距基本上控制在2%～4% 以內。得益于三維協同設計平臺和協同管理平臺，實現了工程量造價數據與設計接軌，管理人員根據權限通過互聯網實現遠程隨時隨地根據樓號、時間、工序、區域等多個維度查詢項目的工程量、造價數據信息，使材料計劃、成本核算、資源調配計劃、產值統計等方面及時準確的獲得基礎數據的支撐。

5 結語

世博B 片區項目中，各設計工作參與方在統一的協同設計工作平臺上展開工作，保證了項目群設計工作的同步性、準確性、協調性。為優質的設計質量奠定了基礎，突破了以往孤立的單體項目協同設計工作模式，使得BIM 的協同、整合的理念并未僅僅停留在紙面上，而是真正落到了實處，較好的平衡了項目群設計過程中的進度、質量和造價三大重要問題。

實踐證明，三維協同設計在超大項目中，更能充分體現其先天優勢。為實現后世博B 片區央企總部項目的工程項目投資節約5%，建設周期縮短5%，將設計和施工中的錯、漏、碰、缺、返工等造成的浪費減少80%以上的總目標，起到至關重要的作用。

致謝:本文在寫作過程中得到華東建筑設計研究院有限公司陸揚、張曉菲等專家的大力協助。在此表示誠摯謝意。

［1］《后上海世博B 片區央企總部區BIM 工作手冊》，2013.

［2］張曉菲.探討基于BIM 的設計階段的流程優化.工業建筑，2013，07:154-158.

［3］張洋.基于BIM 的建筑工程信息集成與管理研究.清華大學博士論文，2009.

［4］張洋.基于BIM 的工程項目集成化建設理論及關鍵問題研究.同濟大學博士論文，2010.

［5］王凱.BIM 與傳統CAAD 在室內方案設計中的對比研究，2011.

［6］王凱.國外BIM 標準研究［J］.土木建筑工程信息技術，2013，5(1):6-11.