基于BIM的建筑正向協同設計平臺模式研究

(廣東省建筑設計研究院，廣州 510010)

1 概述

圖1 基于CAD的兩種設計核心流程

在建設項目設計全過程中，工作成果的信息化、溝通協同的實時性、離散成果的合理歸類與檢索，決定了BIM正向設計應用的效率與成果質量。傳統基于CAD的協同設計流程見圖1，其核心均為對工程文件夾內圖紙文件、文本文件進行一定程度的管理，并采用規定統一文件名、圖層名稱、圖紙外參等一系列輔助方式更進一步提高文件協同過程中的規范性與便捷性。

但采用該方式時，建筑設計過程中的各類信息仍舊分存在不同CAD文件內對應的圖層中，各類功能的二次開發難度極大。

隨著BIM的逐步發展，以帶參數構件為基本單元作為一個存儲整體、模型切圖及標注進行圖紙表達逐步成為信息化設計的主流，設計人員、校審、負責人由面向圖紙轉變為面向模型，整體流程見圖2。

圖2 基于BIM的正向設計核心流程

在這種設計模式下，協同設計平臺需要解決的問題，由基于文件架構協同轉向了基于構件協同，對數據架構和形式有了更深入的要求[1-2]。

2 正向協同設計的難點

目前，設計院推行三維信息化設計過程中，結構專業對抗震計算模型信息已能夠成熟存儲及調用、設備專業也能對設備系統進行BIM模型設計、交底、管線綜合等工作、建筑專業能較好地完成本專業的建模與后續的部分輔助分析工作。然而，在對建設項目的整體推進過程中，仍無法做到全流程的多專業協同設計，仍以單專業的三維設計為主，以傳統的二三維互提資料進行協同，主要原因如下：

(1)三維設計增加的工作量：基于三維設計后，除二維平面信息外，設計人員還需指定三維信息、空間裁剪關系、構件優先級關系、非幾何信息的表達方式等。

(2)反復修改下的協同流程：CAD設計時通過在圖紙上直接進行標注，互相參照二維圖紙時直接查閱對應為位置的批注，溝通直接有效。而當采用三維協同時，則需處理模型中的批注，并能在不同視圖中均進行體現。

(3)設計知識的可重用性、二維與三維成果如何無縫對接：在二維設計過程中，具有大量較強規律性內容，都采用通用大樣進行設計說明及描述，目前我國也發布大量規范、標準、通用圖集等一系列措施，需要施工技術人員現場再作處理。在采用三維設計后，通常理解為施工技術人員可以不依賴上述的這些內容，依照三維模型即可施工。這對模型的精度和準確性有了非常高的要求，然而在目前相關軟件技術手段均無法保證。

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

(5)技術與企業管理一體化協同：在傳統行業推行信息化過程中，以信息化技術改進既有生產方式、提高生產效率、降低錯誤與返工率等方面均有廣泛的研究。而對于建筑行業而言，廣泛的參與者、多樣化的數據形式、密集的資金投入等，都是其特點，也是推行信息技術的主要挑戰。

(6)建筑工業化的可擴展性：目前已開展上海、深圳總承包企業編制施工圖設計文件的試點。因此，從工程總承包的角度出發，在實際運用BIM正向設計的過程中，需要具有類似制造業工業化的相關做法，例如能與加工系統相匹配、與物料系統相結合的概念及功能。

上述(1)(3)通過基于BIM建模平臺二次開發進行解決，而(2)(4)(5)(6)可通過開放通用性的數據協同平臺進行解決[3]。

3 正向協同平臺的基本功能需求

通用數據協同平臺既需滿足數據來源廣泛而準確，且需在協同迭代過程中，保證各來源數據的一致性。具體應用過程中有以下需求[4]：

(1)基于模型的設計信息協同方法

由于建筑工程的復雜性，目前較為成熟的BIM建模平臺均由專業軟件公司開發，如Autodesk的Revit等。設計單位基于現有Revit平臺的，鏈接模型、工作集進行設計模型的協同。這兩種方式均依托文件服務器，可對模型文件進行拆分、參照協同。

(2)各階段的文件管理器

為彌補各類建模軟件對于文件權限、文件版本、文件歸檔等相關功能的不完善，需采用二次開發完善設計平臺中文件管理器的相關功能。基于Revit平臺進行協同時，由于模型拆分的不確定性，目前仍未有成熟的項目模型架構管理平臺，僅依賴統一命名方式進行模型、族的管理。

(3)項目構件級的權限管理

在較大型項目中，參與專業眾多，以往CAD平臺可根據CAD圖紙文件，對各專業的工作內容、工作階段進行帶權限的管控。而當采用基于BIM平臺進行協同設計時，如何處理好不同角色在模型中可操作的區域系統尤為重要。

(4)一校兩審、項目ISO管理、歸檔方式

在設計過程中，每個設計成果均需要經過校對、審核、審定后，方可正式歸檔及下發。在以往CAD協同平臺中，通過不同的DWG文件能對設計成果進行批注處理后，生成符合出圖歸檔要求的打圖文件。

(5)技術與企業管理一體化協同

隨著建筑產業化的逐步深入，設計、施工一體化也展開試點，在推行過程中，BIM正向設計平臺需與企業管理平臺進行一體化整合，設計信息、設計過程信息、統一技術標準、經營管理等各類信息需要能在設計過程中實時與構件加工、現場情況得以同步。

4 主流BIM及協同平臺對比

目前主流的BIM設計平臺有以下5個，其側重點及數據協同功能見表1[5-6]。

(1)Autodesk AutoCAD：基于平面圖的外部參照進行協同，即俗稱的“疊圖”，此后通過人工校審對不同專業的設計成果進行協同校對等工作。

(2)Autodesk Revit：可采用基于工作集的協同，在文件服務器中設置中心文件，各設計人員存儲本地文件，通過工作集共同對模型進行編輯修改等操作。對于多專業協同，同樣采用模型鏈接的方式進行校對。

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

(4)Trimble Tekla：該軟件主要用于鋼結構構件、節點的深化設計，對于構件深化加工功能較強，但協同功能較弱。

(5)ArchiCAD：主要用于建筑單專業的全流程設計，在建模、出圖、協同中功能較強，但對于結構、設備等其他專業的應用較少。

表1 各BIM平臺協同功能匯總

功能AutoCADRevitMicrostationTeklaArchiCAD功能側重二維圖紙設計民用建筑基礎設施鋼結構深化建筑方案二次開發難度容易容易,限制較多難,較為開放較難較難數量多,成熟多,較成熟少,內部應用少少數據中心無基于模型速度慢基于數據庫,速度快基于模型基于模型協同功能無有,較弱有,需二次開發無有,較弱

其中，Microstation本身就獨立提供多終端的ProjectWise協同平臺，且由于Microstation平臺底層數據架構的效率優勢，在基礎設施行業，得到深入的開發，如華東院利用Microstation進行二次開發后進行三維協同設計已十分成熟[7]。而Revit平臺憑借完善的建模、族、界面友好、操作便捷等優勢，在民用建筑領域應用廣泛，各類二次開發小工具完善[8-10]，但協同主要依賴模型拆分、工作集，缺乏成體系的協同設計平臺，基于RVT模型文件進行數據存儲的效率也較低。

5 協同平臺的技術架構

從技術層面而言，受制于BIM相關平臺開發規模較大、構件類型與數據關系復雜，目前建模及操作軟件均基于上述5套軟件，并在其基礎上進行二次開發實現各類擴展功能。然而，設計過程中的關鍵流程，如圖紙管理、校對批注、自動出圖及歸檔、詳細的權限控制等功能，均無法直接在BIM平臺進行實現。因此，如何高效切合現有BIM核心軟件、通過內外部數據交互使得BIM管理與企業生產經營管理有機結合，是推行協同平臺的關鍵。

主流數據存儲方式分為文件存儲與關系型數據庫存儲，其中，文件服務器為傳統的設計協同方式，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器中，并根據特定的權限需求，給予不同設計人員調用、查看、編輯、出圖等操作； 而基于關系型數據庫存儲時，則是將所有參數化數據以關系型數據存儲于不同分類的“表”中，通過程序預處理后直接對表中的字段進行增刪、修改、排序、統計等數據庫操作，架構形式見圖3。

在該協同模式核心為“數模分離”，即在如Revit等BIM建模平臺中，進行幾何模型及加工模型的建模、調整、出圖等操作，并記錄其構件對應的ID值。而在正向設計平臺中，可對該ID值進行跟蹤，并在獨立的數據庫中，對版本、狀態等信息進行單獨存儲，以實現校對、審核審定、工作量統計等功能。通過ID值關聯，當僅對構件的非幾何屬性(如批注、狀態參數、強度屬性)進行編輯時，僅修改MySQL數據庫中相應鍵值，而不對具體Revit模型中的參數進行修改，能極大降低Revit運算復雜度，提高BIM模型設計效率，同時也能滿足項目設計深度、設計成果一致性、批量校核等要求。

圖3 BIM正向協同平臺體系架構

圖4 BIM平臺架構

常規設計單位在對設計管理過程中的相關工作，主要分為以下五個部分：

1)數據終端：基于BIM的正向設計過程中，包含Revit模型文件、CAD大樣圖、文本及計算書；

2)設計端：包含設計信息協同、提資的收發、模型構件信息的協同；

3)經營管理端：用于確定項目定位、人員分配、進度計劃、財務管理等內容；

4)質量管理端：用于各項目一校兩審的批注處理、各項目常見問題總結、質量相關的數據統計；

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。

結合上述工作架構，基于BIM架設的正向設計平臺的典型結構見圖5，該架構中，數據層分別對二三維模型文件、構件非幾何數據分別存儲，通過中間層完成整合后，在應用層提供統一的功能，避免工作過程中反復調用不同的軟件、平臺，造成數據的不一致。基于該模式，作者此前已完成裝配式建筑的輕量化協同管理平臺[11-12]，能高效完成各項定制化的數據處理查詢功能，見圖5，在廣州市白云區某保障性住房的裝配式設計過程中，對構件的設計階段、版本進度進行控制，能有效保證設計成果與加工圖紙的一致性。

圖5 基于數模分離平臺的工程案例

6 總結

本文在傳統CAD協同設計的基礎上分析了BIM正向設計流程的需求，如基于模型的協同、文件管理、權限構件管理、非幾何信息的存儲、一校兩審的需求，并對現有設計單位協同設計架構、BIM設計需求、相關平臺實現功能進行對比分析，提出了基于關系型數據庫+文件服務器方式進行數模分離的正向設計協同管理平臺的架構。該方法能使現有的模型文件協同方式與信息化的協同方式相結合，通過唯一ID值保證了數據的一致性，避免了建模軟件、協同平臺、企業管理系統、通信軟件之間的重復工作，后續可基于該架構，指導正向BIM協同設計平臺的開發完善。