基于工作集模式的BIM協同深化設計①

楊博，李勝強，何勇毅

(廣東石油化工學院 建筑工程學院，廣東 茂名 525000)

近年來BIM技術在工程界的應用越來越多，從設計、施工到運行維護管理，因其重要價值而被認為是行業的一次革新，是未來數字建造的發展方向[1,2]。BIM技術服務于工程建設的整個周期，而設計階段則是該技術應用的關鍵階段[3,4]。大幅提高設計質量和效率，可以為后期施工及運行維護階段的應用提供技術保障[5,6]。目前，我國設計行業處于由傳統CAD設計方式向BIM設計方式轉變的過渡期，相關標準及方案實施仍不完善。在此背景下，本文提出了基于“工作集”模式的BIM協同設計,探索該模式的適用性，并通過某石化管廊項目加以驗證，取得了較好的成果和價值，為相關項目的應用提供了參考。

1 BIM協同設計深度標準

信息共享是協同設計的核心，而數據標準的統一則是信息共享的前提。要想將不同參與方及不同階段的信息集成于項目部件就需要對數據標準進行統一，這其中構件編碼、信息內容、精度要求及存儲形式都要符合規定要求。而我國BIM技術應用標準中對這些內容并未作出具體要求[7]，因此有必要提出適用于實際項目的模型信息規定。目前，多數項目都以美國AIA協會提出的BIM模型庫信息完整度標準，將信息量從LOD100到LOD500劃分為5個等級[8]，本文在此基礎上進行細化，結合國內設計標準和制圖要求制定了符合設計階段要求的模型編碼及信息內容。以結構專業為例列舉出結構部件編碼、構件信息、建模精度、應用階段及用途等要求，項目實施過程中要以此為參照完成信息描述。

LOD精度標準及模型數據要求如下：(1)部件編碼，其具體表示形式為：項目號-專業-類型-規格-構件編碼。項目號：005(數字編號)；專業：結構(JG)；類型：管架柱(KZ2)、桁架弦桿(XG1)；規格：截面寬×截面高、高度×寬度×腹板厚×翼緣厚；構件編號：No.68、No.20。例：005-JG-KZ2-400×500-No.68、005-JG-HW350×350×12×19-No.20。(2)信息內容由荷載信息、材料信息、成本信息、進度信息組成。荷載信息：水平荷載、垂直荷載、管道水平推力、風荷載、偶然荷載、檢修荷載、地震力；材料信息：混凝土強度等級、鋼筋種類、強度、鋼配件型號、焊接及型鋼等級、油漆種類、零星材料等；成本信息：混凝土材料價格、鋼筋材料價格、型鋼采購價格、零件采購價格；進度信息：計劃開始時間、計劃結束時間、實際開始時間、實際結束時間。(3)建模精度：LOD300。(4)應用階段：施工圖設計階段。(5)階段用途：項目深化設計、工程預算控制、構件加工、施工準備。

2 工作集模式的協同平臺搭建

傳統的設計模式是以主導專業為主附屬專業配合，任務指派及信息分配通過會議及電子文檔以串行的方式完成，周期長、變更多，難以滿足項目快速實施的要求。為優化這一現狀，在建立完善數據標準的前提下提出了以“工作集”為基礎的并行設計模式，借助計算機及網絡技術的支撐來實現交叉協同設計。

“工作集”模式依賴于信息化技術，是一種實時數據共享的設計模式(見圖1)。先要根據參與專業及人員確定工作權限，再通過“工作集”方式分配設計任務，完成工作后將信息模型上傳至中心文件服務器進行匯總。在此過程中各“工作集”人員可以實時查看不同參與人員的工作進度及問題反饋，實現設計人員之間的實時數據共享。同時業主、施工方及其他參與方在設定的權限條件下也可以通過中心服務器端查看和提出設計修改意見并及時反饋給對應部門。從而高效地實現各專業、各部門、各參與方之間的信息溝通和共享。

圖1 工作集協同設計模式

3 基于工作集模式的設計應用

以某石化油庫區管廊項目為例，項目共包括Ⅰ型～Ⅵ型鋼筋混凝土活動架、固定架180個，以及跨度為15～29 m的鋼結構桁架式管架13個，架體數量多且不同架體之間高差大，鋼桁架較為復雜，對結構專業設計及施工要求較高。利用“工作集”方式來開展設計工作，按照項目參與專業及人員設置包括工藝工作集、結構工作集、給排水工作集、儲運工作集、電氣工作集等在內的8個專業“工作集”以及若干個設計師 “子工作集”，共同參與項目實施，以下從“結構工作集”視角對項目深化及協同設計進行分析。

3.1 結構工作集深化設計

按照“工作集”權限要求由結構負責人分配深化設計工作，按照任務將工程師分配在各自“子工作集”利用Tekla結構深化設計軟件進行結構設計。對于化工管廊項目，構件模塊化、標準化、預制化程度較高，有必要建立規范化的族庫為下一步模型建立及后續應用提供數據基礎。項目依據平法制圖標準、鋼結構和相關化工規范規定，按照LOD300的深度標準建立構件庫，同時進行參數化，并對構件族庫進行存儲，表1列舉出部分構件族信息。

表1 部分項目族庫信息

為了擴大項目使用范圍，工程師在“結構工作集”中建立大量部品備件庫并存儲于中心服務器，按照構件模塊化建模方式，通過調用構件對本項目進行結構設計。采用先平面后立面的建模順序，先繪制桁架標高及軸網，再利用軟件截面數據庫和已建立的部件族庫進行組裝，結合節點坐標、截面尺寸、構件方向、偏移量、約束條件等依次創建管架架體、桁架上下弦桿、水平及豎向交叉腹桿、桿件連接板等部件，快速完成空間模型的建模(見圖2)。

圖2 18 m跨鋼桁架模型

創建完成整體模型后，就需要對構件節點等細部做法進行深化設計，以滿足后期構件加工及施工的需要。Tekla軟件內置了梁柱節點、支撐節點、柱腳節點等常規節點，但對于化工項目中的部分復雜節點(如T型支撐節點、管架連接節點等)，利用軟件自帶節點庫就難以完成鋼桁架模型的創建。本項目通過軟件的API二次開發接口[9]，編寫函數語言來自定義節點[10]。在實現對節點參數化控制的同時，完成了不同跨度桁架中T型支撐桿件與連接板以及混凝土管架與鋼桁架之間等一系列節點的智能連接(見圖3)，提高了深化設計效率，并將自定義節點上傳并存儲于中心服務器中，便于后期同類型項目快速調用。運用上述方法，本項目建立大量化工項目常用鋼桁架節點，大大增加了節點信息庫的數量。

a T型支撐桿件與節點板連接 b 混凝土管架預埋件與與鋼桁架連接

3.2 多專業工作集協同設計

基于Revit系列軟件，首先將各專業“子工作集”進行合并查漏，形成“專業工作集”；其次將各“專業工作集”上傳至中心服務器端，由BIM總負責人進行“專業工作集”整合，對模型標準性、完整性及錯漏進行檢查，反饋修改指令至對應“工作集”并完善設計內容。通過這種近乎實時的匯總-提交-反饋-修改來完成設計任務，大大提高了協同設計效率。本項目不同專業工程師利用Revit軟件對混凝土管架、鋼結構桁架、工藝設備管線等進行“專業工作集”協同工作，借助多用戶服務器平臺，實時訪問提交或修改模型，在專業設計出圖前進行模型校核，利用協同整合方式解決了設計中出現的各種復雜問題(見圖4)。在此基礎上，還通過整合后的三維模型完成了圖紙繪制，實現模型與圖紙的更新聯動，提高了出圖效率，縮短了設計周期，為后期施工、運行維護提供準確的信息模型，保證項目順利實施。

a 低壓蒸汽管道與輸油管碰撞 b 混凝土管架和管線標高偏差 c 擬建管架基礎與既有地下管線碰撞

圖4a中工藝專業設計的低壓蒸汽管道與輸油管在“子工作集”整合中出現位置偏差，收到錯誤指令后，工藝負責人在專業內部反饋給“子工作集”設計人員，完成調整修改，再上傳至中心文件，進行下一步“專業工作集”的整合。圖4b中顯示將工藝、給排水及結構“專業工作集”合并后，混凝土活動管架頂部框梁與全部輸油管線之間有-280 mm的高差，結構“專業工作集”發現該問題源自場地錯誤標高數據，通過及時調整活動管架頂部框梁設計標高完成項目整合。圖4c中，由于項目屬于擴建工程，周圍既有結構及構筑物較多，項目施工方上傳既有結構模型后發現有地下污水管及集水井與擬建混凝土固定管架基礎部分位置重疊，在不影響結構安全的前提下，結構“專業工作集”還對基礎尺寸及標高進行了調整，減少后期施工變更。

4 結語

本文針對BIM應用現狀，探討了以“工作集模式”為基礎的BIM協同平臺的搭建及應用。結合實際項目設計案例，提出了適用于設計階段的LOD300精度標準及模型數據內容，并依據我國平法制圖標準以及化工和鋼結構相關規范建立項目構件庫。并對設計資源合理分配，基于“工作集”模式進行協同設計，協調和控制各專業之間通過數據交換來滿足各參與方的部署要求。除此之外，開發了一批可以實現智能布置的結構設計節點，并針對設計過程中出現的問題進行優化，提出相應解決方案，打通了各參與方、專業之間的數據壁壘，充分發揮“工作集模式”在協同設計中的優勢，驗證了該模式的可行性。這為后續施工及運行維護的實施提供技術保障，也為同類工程項目提供一定的參考。