深港數字化工程合作的BIM應用平臺建設

潘多忠 程 嘉 吳鼎政

(1.中港建設項目管理研究中心，中國香港； 2.深圳市首嘉工程顧問有限公司,深圳 518054)

引言

在香港與內地的多層次合作框架中，工程項目的建設是重要的組成部分。長久以來，香港在法規、管理制度、技術標準等方面與內地存在著明顯的差異，這給兩地的深入合作帶來了困難。隨著粵港澳大灣區一體化建設思路的提出，深港兩地求同存異，探索新的合作路徑的需求日益迫切。

香港工程項目建設的一個重要特點是工程實施的技術路徑主要由專業人士主導，其中行業協會(建造業議會，Construction Industry Council，CIC)起著至關重要的作用。CIC定期會發布包括BIM標準在內的工程實施要求，并隨著國際標準和工程實踐的需求不斷修訂和更新[1]。CIC的重要成員可通過參與政府立法和相關規章制度的制訂，對公共項目工程建設給予指導。在這種框架下，政府一般會充分發揮其行政力量，作為公共項目的業主及時予以配合以達到優化的項目建設運營效果[2-3]。

本文主要關注香港公共項目的BIM實施，以及基于目前成果，未來將如何開展BIM全過程應用。目前，應該已經看到香港在BIM落地方面有著實實在在的動作，相比于內地的BIM實施，香港更多地在BIM實際應用中走在前面。這里就涉及到建模標準問題，香港的BIM建模要求已經十分細化。長久以來，參考國際標準形成了嚴格的規范，確保了模型的可靠性和一致性，完整實現可以用于交付的竣工模型，其經驗對于內地下一步BIM的發展有著借鑒意義。

另一方面，香港方面受限于軟件和信息化技術能力，在BIM應用中比較依賴于專用工具如Revit，尚未達到全過程應用的條件。理想情況下，BIM可以從方案、設計一直貫穿到運維階段，形成項目全過程的“正向”實施。在實際項目中，當前BIM應用往往局限于某些具體的點，基于二維圖紙重建三維模型的情況也屢見不鮮。造成這一情況的主要障礙之一是模型的數據交換能力不足，導致針對不同的應用目的需要使用多種工具重復建模。這大大提高了BIM應用的實施成本，并嚴重影響到了模型的實際價值。BIM的全過程應用需要解決數據交換的問題，克服工具軟件內在的不足。例如，在Revit中，族的類別都是預先定義的，不能增加或修改，也沒有繼承關系，即不能從父類派生子類，定制對象類型方式也是通過文件進行。如果單純地在項目管理中應用Revit模型信息，則在項目仿真、算量等后續數據拓展應用等方面均會遇到困難。

在整個工程項目中，BIM數據僅代表了一部分信息，大量的數據如進度、文檔、質量問題等并不包括在BIM模型中，工程項目的全過程BIM實施需要結合這些信息。因此，一方面參考香港方面高度標準化的建模規范，以及BIM和運維系統對接的經驗，建立高質量的模型；另一方面，借助內地信息化技術的優勢，探索Open BIM的平臺化應用，特別是依托最新的大數據技術和BIM+3D GIS技術等，開展全過程BIM應用的數字化實踐。通過信息化手段，將包括模型在內的各類信息有機地組織起來，形成完整有效的數據鏈條。例如，在進行高精度要求的工作如制造相關建模時，用戶通常采用Rhino等Nurbs工具進行曲面建模[4]， 通過Open BIM技術，這些模型可以和Revit模型在平臺上合模并管理構件安裝，在這方面我們已經開展了初步工作。

本文以深港合作項目為基礎，針對香港公共項目的BIM實施特點進行分析和說明，并提出基于平臺在未來連通深港項目合作的思路和方案。文章第二部分說明了香港公共項目的建模特點，特別是詳細解釋了總包單位對于建模的規范和要求； 第三部分說明了香港BIM數據的應用現狀，即主要是基于運維的數據交換模式； 第四部分說明了BIM數據交換對于全過程BIM實施的重要性，提出未來項目數據平臺發展的關鍵點，是基于大數據和云計算技術的工程數據管理； 第五部分針對目前深圳方面已經實現的功能給出了BIM工程項目平臺應用案例； 第六部分對深圳和香港兩地的數字化工程特點和全過程BIM實施進行了總結和展望。

1 香港公共工程項目BIM建模特點

該公共項目是項目組第一次與香港方面開展合作，由項目組承擔了全部地上部分的BIM建模工作。從工作流程上，是承接對方建筑設計師的方案構思圖，和香港方面一起開發施工模型。概括來說，與香港方面配合的BIM建模有以下幾個特點：

(1)模型在整個工程建設中處于核心地位，建模的過程即是整個設計不斷深化的過程，在過程中與香港方面進行反復溝通。模型是工程實施的關鍵所在。

(2)為了協調各方面的需求，總包方面建模有詳盡的標準，包括了建模工具、模型文件組織、建模方法、構件編碼、表現形式等，幾乎實現了模型的標準化“全覆蓋”。

(3)通過標準化的編碼規范，模型可以支持運維階段的深入應用，利用BIM模型實現公共項目的數字化管理并創造價值。

以下就這三點做比較詳細的說明：

(1)在該項目中，從方案構思開始到建立達到施工精度要求的模型之間有巨大的空間。為了貫徹香港方面注冊建筑師的意圖，需要在整個建模中持續溝通。例如，通過問題報告的方式，形成問題總記錄示意圖和問題詳細記錄。該項目完全基于BIM模型出圖，業主對于出圖的規范有明確和細致的要求。基于模型的出圖保證了模型—圖紙的一致性，使得基于竣工模型的交付成為可能，這就確保了施工工作能夠真正依據模型展開。在出圖方面，關于圖層、線型、標注等，均需符合香港方面的規范，圖1和圖2分別是建模和問題記錄示意。

圖1 從建筑師的構思到施工模型

圖2 建模問題記錄示意圖

(2)為了達到竣工模型交付和從模型標準化出圖等一系列要求，總包方面對于建模的全流程有嚴格的規定，下面列出建模工具、建模規范、模型組織、精度設定的一般性要求：

1)建模工具

指定為地上部分為Revit 2018，地下部分和市政工程為Civil 3D 2018，同時推薦使用Navisworks 2018進行碰撞檢測和工程可視化仿真。

2)建模規范

提供詳細的指引，包括要求CAD圖紙構件對應Revit的類別(Category)，Revit建模坐標系，測量點，線型，編碼設定，項目專業瀏覽設定，網格劃分，度量單位，共享參數設定，命名規則等進行說明。如圖3-4所示。

圖3 CAD圖紙對應Revit構件類別

圖4 Revit專業的瀏覽設定

根據規范要求，工作集、模型、族、型號、視圖和導出的二維圖紙均需按照一定格式進行命名。例如模型命名遵循：項目+作者+位置+專業+類型的規則，這樣在C18W02網格中的由BKC公司提供的某樓(編號PCITT)，專業為Building Service的3層新建模型就可以命名為：C18W02-BKC-PCITT-BS-NE-X_L3，其中X說明該文件是主模型。在實際項目中，這樣的命名不僅確保了不同專業、不同分包單位的模型的一致性，而且模型的具體位置、狀態等一目了然，對于工程項目的協作起著至關重要的作用。

3)模型文件組織

在模型文件、族、型號、視圖命名外，總包方面對于模型文件的組織有明確的規定，例如要求按照位置、專業、子專業等對模型進行保存和管理，如圖5所示。

圖5 模型文件組織

此外，對于不同類型的模型，如主模型、協調模型(Coordination Model)、設計模型、施工模型、竣工模型也提出了管理要求。整個規范指定了外部參照的方式，可以使用dwg和dgn格式，在Revit中鏈接則需使用附著(Attached)和相對路徑。

4)參照標準提供完善的表格和資料

最后，建模標準對于構件代碼、LOD建模精度、構件色標等均進行了明確的規定。特別是LOD建模精度針對每一類構件給出了詳細的說明，例如針對房間/空間/走廊的模型分類碼為SPA，在LOD 400級別中需要滿足凈面積、房間編號、類型、防火信息等一系列準確的信息要求，如圖6所示。通過這樣詳細的規定，確保了模型最后能夠達到竣工交付的標準。

圖6 對于房間/空間等的LOD 400建模要求(CAT編號：SPA)

(3)在整個建模過程中，始終貫徹運維前置的思路，除了建模所需的CAT分類碼外，還嵌入了完整的運維信息。這些運維信息采用了統一的Asset Code，以支持與業主的資產管理AM(Asset Management)系統對接。圖7中顯示，資產編號由系統—子系統—部件—子部件定義，位置編號由建筑/網格—樓層—區域—設施定義。基于這一套系統，就可以在模型中預留出設備合同、生產商、資產數量、文檔編號等一系列關鍵信息的屬性留白，供后續填入。這些信息最終將通過國際標準(見第三部分)導出整合到運維系統中。

圖7 模型資產編號和位置編號規范

2 香港公共項目BIM數據應用和標準融合的現狀

通過以上所述的規范和要求，香港的公共項目已經基本建立起了完善的BIM建模體系，確保了BIM模型的準確性和編碼一致性，這是和香港政府對于BIM的重視分不開的。作為業主，香港政府機關在BIM和資產管理方面已經廣泛開展了工作。例如，香港機電工程署(EMSD)已經在2017年基于BIM的資產管理發布了標準和指南(Standards and Guidelines)的1.0版本。其中參照多項國際標準，對編碼和編號，建模標準，機電資產信息做了嚴格的規范[2]。 圖8顯示了指南的一些具體內容。

圖8 香港機電工程署BIM-AM標準和指南

為了實現從BIM到AM的運維數據交換，其主要基于國際標準Construction Operations Building Information Exchange(即COBie)，并提供了從建模軟件Revit中導出資產管理信息的詳細手段和方案，其基本流程如圖9所示。在該流程中，首先確認資產信息需求，然后在BIM建模中實現這些信息輸入。通過專用的插件，Revit模型中的族和對象信息可以被完整地“翻譯”成規范的COBie電子表格，導入到運維系統[5]。

圖9 基于COBie的數據交換流程

另一方面，除去運維階段的應用，香港的行業協會也逐步推動工程項目向Open BIM方向發展，比如面向行業推廣基于工業基礎類(IFC)的Open BIM數據格式。實際上，COBie是一種模型視圖定義(Model View Definition， MVD)，而IFC是模型數據的框架標準，兩者都由Building Smart所發起，二者之間有著密切的聯系。基于IFC模型標準，可以真正實現模型數據的提取和更廣泛的應用，這是工程建設行業未來發展的重要方向之一[6]。

總之，通過該公共項目的合作，可以看到香港和內地在信息化技術的發展重點上存在著一些比較明顯的差異。如果概述兩者的優勢，可以說香港方面，對于BIM模型的要求詳盡，形成了統一規范，并根據國際標準和工程實踐持續更新； BIM模型的應用場景較為深入，除了碰撞檢查，還包括出施工圖、運維等； 對于模型的管理和質量控制均嚴格，確保竣工模型的交付和BIM-AM數據交換的準確性。為了在此基礎上，進一步達到全過程BIM的實施，需要結合先進的信息化技術，解決數據交換問題，推進項目管理平臺的應用。這方面，內地積累了軟件開發的經驗，結合設備/原材料供應商體系，具有數字化制造的協作基礎。未來，推動香港和內地的工程項目深入合作，必須從數據信息管理的全過程實施入手，強化兩地的合作關系，實現對香港現有實施模式的提升。

3 深港項目合作中數據平臺的重要性和關鍵技術

如前所述，內地和香港在工程項目的合作中，存在著一些差異，特別是在BIM應用的深度上，香港方面具有規范化的優勢。不過，目前仍主要限于專用建模工具如Autodesk體系的軟件，沒有廣泛采用信息化平臺技術。為了支持全過程BIM的實施，我們認為，應當積極考慮依托數據平臺開展項目應用的可能性。這里面有幾點重要原因：

(1)盡管Autodesk在工程建模和制圖方面處于領先地位，其產品對于工程中的其它任務如仿真、智能制造、運維等并不友好。實際上，Autodesk的產品的數據封閉和成本提高已經引起了國際范圍的用戶反彈[7]。 同時，過度依賴于一家供應商的產品，對于行業的長遠發展是不利的。

(2)未來數字化工程的數據是多樣化的，包括GIS數據、制造數據、仿真數據，還有工程文檔等。由于建模工具的封閉，工程信息無法得到有效利用，這限制了工程行業生產率的進一步提高。

(3)內地具有信息化技術的優勢，可以彌補香港方面在信息化技術、軟件、數據管理等方面的不足。

(4)未來隨著數字化技術的發展，內地大量的設備/原材料廠商可以依托數據平臺提供新服務，這是粵港澳一體化發展，優勢整合的發展方向。

通過平臺化的數據交換，借鑒香港合作的項目成果，可以將模型信息提取到獨立的數據庫中，實現模型的進一步利用。這樣深港兩地的合作項目可以達到良好的協作效果，從而達到經濟效益上的提升。

數據交換的一種典型的做法是依靠國際標準IFC文件進行數據交換。目前大多數工具均提供對IFC的不同程度支持[8-9]。

不過，主流的工具如Revit、Tekla等對于IFC的支持通常不完整，需要用戶詳細定義內置類型到IFC標準類型的映射關系，同時在建模中按照映射的要求類型/族實施。數據一旦轉換成IFC后，即可用于進一步的施工管理等應用。圖10展示了通過IFC模型，將Revit模型轉換為施工管理和展示環境內使用。

圖10 基于IFC的BIM數據交換

此外，也可以依賴于工具API的數據交換方式，即通過建模工具的API將模型信息提取為第三方數據格式如JSON等，并保存到開放格式的云端數據庫[10]。 這一方式比IFC文件交換更靈活、高效，速度更快。用戶可以按樓層、按族或按照選定構件對象進行數據提取。圖11模型可以轉換為其它工具使用，或者導出Excel供用戶直接分析。這一方式將每個構件為獨立對象進行信息交換，為構件的參數化分析應用提供了良好基礎。

圖11 基于工具API的BIM數據交換

未來深港兩地合作的工程項目管理平臺，是基于全過程的BIM應用實施設計的。在項目BIM應用中可以包括以下三類數據：

(1)3D GIS數據。3D GIS是地形的三維數字化表達，一般使用網格或點云的數據格式。準確的3D GIS數據可以用于仿真、展示、工程量計算等一系列應用。3D GIS技術本身已經發展多年，比較成熟。這里的主要難點是如何與BIM數據整合。由于BIM模型中包括了大量的內部空間、構件信息，且模型的數據結構與GIS存在很大差異。特別是，當大量BIM模型同時在GIS平臺上承載時，需要解決數據的運算和管理問題，這里需要使用最新的并行計算和云存儲等技術才能解決。

(2)智能制造模型。未來工程項目中，生產并安裝的組件不斷增加。如預制構件、幕墻、鋼筋等的生產，不再依靠傳統的人工，而是通過數字化技術，如三維建模等，直接投入智能的批量化生產。利用項目管理平臺，可以實現鋼筋模型、裝配式構件模型、幕墻模型等統一管理。智能制造使用的模型設計和仿真一般需要專門的工具，不在Revit中進行。Revit模型(及轉換的IFC模型)可以作為智能模型設計的參照，組件模型完成后在平臺上合模并完成組裝的檢查驗證。

(3)智能文檔和其它現場數據。一直到最近，以Office/PDF文件為代表的各類文檔，仍然是工程項目中信息交流的重要載體。這些文檔通常不能為機器讀寫和自動識別處理。數字化文檔，將在一定程度上解決這一問題。通過表單的在線編輯，文檔的信息可以被有效提取。這樣文檔將成為機器可處理的對象，能自動化地進行分類，并與模型產生關聯。例如，某項目的各單體的安全、質量問題可以按類型自動歸類，并進一步聯系到現場的數據如混凝土澆筑記錄清單。這就把多種的數據聯系到了一起，為項目智能化管理創造了基礎條件。

總之，未來的項目管理平臺需要將模型數據提取出來，以實現工程的全過程數字化實施，將“工程大數據”的應用落地成為現實。新一代的數字化平臺，必須堅持標準化模型數據，在此基礎上，將BIM信息與GIS數據、物聯網、工程文檔等進行整合，基于先進的信息化技術，將這些數據智能地關聯并應用到項目的全過程。這需要融合云計算、分布式存儲、并發處理技術支持的高效排序和索引算法、物聯網流數據處理、非結構化數據處理等，形成工程從規劃到運維的全過程精細化控制，達到項目的智能化高效管理的目標。

4 工程數據平臺應用舉例

基于工程數據交換和支持多類型數據的項目管理的思路，初步搭建了基于大數據技術的BIM+3D GIS云平臺[11]，該平臺中BIM和GIS數據融合管理架構如圖12。

圖12 BIM+3D GIS的大數據平臺架構

平臺基于Hadoop等通用的大數據技術搭建，并采用了獨有的BIM模型處理技術。在后臺，該平臺可以處理海量的BIM模型數據，并通過將空間信息提取和虛擬地球級別的3D GIS系統整合。與市面上大多數解決方案不同的是，該平臺沒有對模型采用輕量化處理，在平臺中，所有BIM模型的全量信息均可以被檢索和提取。為了解決大量BIM構件加載緩慢的問題，采用動態加載方案，普通終端即可通過瀏覽器完成大量BIM模型的快速加載，這樣就有效解決了復雜的BIM模型與3D GIS結合的問題，為基于場景的應用，如工程土方量估算、空間信息分析等創造了基礎。該平臺已經投入初步應用，并驗證了承載200TB以上的BIM+GIS模型數據的能力。

圖13展示了利用該平臺的合模功能，在深圳地區某項目中將不同設計工具產生的模型在平臺上整合。該項目的土建和機電部分使用Revit建模，幕墻部分由于精度和制造需要，使用達索的Catia建模。在當前視圖中，包括所有曲面形狀在內的全部模型細節得到了展示，并且空間可以根據預定編碼跳轉，構件可以統一查詢。利用該技術，未來多種智能制造的模型可以在平臺上進行管理，我們正在開發統一的供應商服務接口，以達到產品參數管理與運維對接的目標。

圖13 Catia幕墻模型和Revit土建模型的合模

最后，通過第四部分所述的模型API數據交換方案，我們利用平臺的圖紙和Revit模型進行了快速鋼筋建模的試驗。其思路是從圖紙中提取平法表示的布筋信息，并通過模型分析出梁和柱之間的關聯，從而快速地生成鋼筋三維模型。相比傳統單獨為算量進行建模的方法，該方案算量效率較高，且模型經過進一步處理后可用于數字化鋼筋生產[12]。

5 結論

通過與香港方面在公共項目上進行深入合作，我們實現了基于BIM的出圖和竣工交付模型，這一模型具有完整構件細節并可提取信息用于進一步的建筑運維。事實證明，BIM模型可以應用于更廣闊的領域，并逐步向全過程數字化實施發展。為達到這一目標，香港方面的工程項目的體系和規范為BIM應用創造了條件。

首先，在香港體系中，施工承包商承擔深化設計的工作。從整體上看，香港當前的BIM實踐更務實，深度應用做得更好，更注重它的使用價值。從方案設計開始，就考慮到運維和資產管理，而業主方的管理也已經形成了一套模式，從而真正實現了BIM的價值。這充分說明，BIM需要全行業各方配合，而全過程中應用BIM技術首先需要通過標準解決工程各階段不同BIM模型(設計BIM、算量BIM、施工BIM等等)的割裂問題。

其次，在配合開展BIM工作過程中，建模標準需要細化。不僅Revit模型的導入導出數據需要標準格式，建模的精度定義需要標準，而且建模的具體細節也需要一整套完整的標準，以指導整個建模工作順利完成。香港方面在這些領域已經開展了行之有效的實踐，值得大陸方面充分借鑒。

在目前香港標準化項目模型規范的基礎上，進一步推進全過程BIM實施，則必須處理數據交換和整合的問題。內地在信息化領域有的大量研發人員，可以實現香港的做法和具體要求，細化BIM的應用點，真正提升BIM技術在工程建設中的作用和價值，這是未來深港在工程項目上合作的發展方向。可以認為，在向智能化建造發展的過程中，基于數據應用的項目管理屬于核心技術。BIM技術應當從標準化建模基礎上再進一步，通過數據平臺化的管理，實現數據的集成、交換、共享和提取，從而真正落地。

目前，已經基于自研技術，實現了包括3D GIS數據平臺化結合，構件制造數據管理和合模等功能。處理技術方面，大數據的處理和應用技術越來越重要，關鍵是實現數據的有效提取和傳遞，推動全過程BIM的應用向深度發展。

隨著我國粵港澳大灣區一體化建設的加快推進，深港兩地未來的工程合作有機會突破傳統的模式，走向高層次的技術合作。尤其應該看到深港兩地的優勢互補，利用香港方面的長期工程國際化經驗，結合大陸方面信息化資源，基于工程平臺，力爭形成新的工程實踐標準，并利用我國的海外項目機會如“一帶一路”等，推行到世界其他地區，提高項目經濟效益，全面增強我國工程行業的國際影響力和競爭力。