基于公路工程信息模型的參數化協同設計應用分析

歐佳佳，戴 瑋

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

參數化協同設計是現階段交通基建行業信息化技術和建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術融合應用落地的具體表現，也是設計模式數字化轉型發展的重要目標。隨著工程設計項目管理流程的協同設計系統應用范圍進一步擴大和應用深度的進一步加深[1]，一方面對于設計過程的協同需求也越來越強烈，開發面向設計過程的三維設計協同平臺與相關應用技術成為把數字化設計轉型推向縱深的必由之路；另一方面隨著三維設計技術的快速發展，對數字化設計和展示也提出了更高的要求。目前以BIM技術為核心并基于工程信息模型的三維協同設計、參數化設計以及數字化交付技術在公路行業中仍處于摸索研究階段。

1 研究背景

目前，BIM技術在我國交通運輸行業應用已經相對較多，但仍未形成統一應用模式，也沒有統一的行業應用標準。公路交通行業BIM軟件依舊是國外A、B、D三大軟件產品平臺[2]，近幾年國內BIM軟件也在迅速成長，但是大多數還是基于國外基礎設計平臺進行的二次開發。為了推動BIM技術在交通行業的應用，2017年交通運輸部認定五家“BIM技術應用交通運輸部行業研發中心”[3]。

計算機信息技術的快速發展對設計行業的發展有著重要的推動作用，用信息化技術作為輔助設計的工具，無論在理論研究還是在實際項目應用上，都有著顯著效果。信息化技術的發展和應用使傳統的設計方法和生產模式發生了深刻變化，已逐漸成為衡量一個設計院現代化水平的重要標準。

目前國內設計院信息化技術應用狀況可分為兩個層次：大型設計企業整體信息化水平已經達到較高的程度，有些已經接近國際先進水平；中小企業研發信息化水平還比較低，還是處于簡單用二維CAD進行設計、出圖、生產的模式。應用軟件方面，大設計院所工具軟件相對成熟，如三維CAD、CAE的使用已經比較普遍[4]，而對這些工具軟件所產生的數據模型進行有效管理和深層利用卻相對薄弱，沒有將這些設計數據、仿真數據、試驗數據進行協同管理的平臺系統。隨著軟件開發技術及數字化應用技術的發展，產品復雜度也越來越高，這種多學科、多專業協同的重要性越來越高，對相關參數化協同平臺的要求也愈發迫切。

目前，公路工程專業設計的參數化三維協同系統進展比較緩慢，市場上的協同設計產品，很大程度上是指基于網絡的一種設計溝通交流手段，以及設計流程的組織管理形式。主要包括：通過CAD文件之間的外部參照，使得工種之間的數據得到可視化共享；通過網絡消息、視頻會議等手段，使設計團隊成員之間可以跨越部門、地域甚至國界進行成果交流、開展方案評審或討論設計變更；通過建立網絡資源庫，使設計者能夠獲得統一的設計標準；通過網絡管理軟件的輔助，使項目組成員以特定角色登錄，可以保證成果的實時性及唯一性，并實現正確的設計流程管理。

2 研究目標

通過實際工程設計項目應用及理論研究，分析總結基于公路工程信息模型的參數化三維協同設計平臺的應用目標：

一是實現專業協同設計。通過協同平臺子系統完成項目設計階段參數化設計，然后由協同系統無感傳遞給各專業設計軟件完成詳細設計，在整個設計過程中將各專業工程信息模型實時集成到三維圖形平臺(電子沙盤)中，實現參數化三維協同設計。

二是實現設計提質增效。通過推進面向設計過程的三維數字化技術應用及多專業協同設計，改變傳統設計模式，實現基于三維協同設計平臺的全專業參數化設計、協同校核，提高設計質量效率，減少設計迭代次數，縮短設計周期。

三是實現數據平臺管理。通過打通數據管理平臺與設計工具間的接口對接，實現設計數據智能提取和自動化傳遞。并利用集成展示系統進行進度查看、碰撞檢測及專業校核，實現項目的直觀管理與審查。平臺后端與大數據、物聯網多平臺終端進行對接，實現面向設計過程的管理與項目管理的銜接。同時為后期各專業子模塊參數化交互智能化設計形成框架基礎。

3 參數化協同設計

在參數化協同平臺的各子專業設計系統中完成對應設計階段的參數化三維設計，并在整個設計過程中能夠實時把各專業的帶有工程信息參數化的三維模型集成顯示到三維圖形可視化平臺(電子沙盤)中，實現參數化三維協同設計，同時電子沙盤支持進度查看、碰撞檢測及專業校核，實現項目直觀的管理和審查。參數化協同平臺框架如圖1所示。

圖1 參數化協同平臺框架

基于公路工程的參數化協同設計體系框架由一個協同平臺和一個集成可視化展示平臺(電子沙盤)組成，平臺間數據格式統一實現信息數據的無感傳輸和加載[5]。各專業設計內部以參數驅動為控制手段，根據設計階段的不同(方案設計、初步設計、施工圖設計等)將多專業控制參數通過參數甄別分為全局參數、深化參數及精細化參數。通過不同設計階段的參數驅動設計實現多專業正向三維協同設計。信息數據的應用由前期協同BIM共享逐漸轉化成后期的參數化協同設計管理，同時過程中銜接不斷豐富的勘察設計數據、設計敏感數據以及采集的實景模型數據[6]。協同設計階段發展流程如圖2所示。

圖2 協同設計階段發展流程

3.1 專業內協同設計

參數化協同設計平臺子程序自動分析項目分塊協作界限，利用軟件內置程序定義銜接變量并進行自動分段，根據銜接變量自動合并專業內多分段的項目數據。在基于云端上分段后實現多人設計，并在設計完成后信息數據及模型的上傳，再根據定義銜接變量合并項目。應用場景為：

(1) 同一設計路線分段多人協作，完成多專業設計后上傳信息數據及模型，總體專業技術人員下載后程序根據預定義銜接變量自動合并項目信息數據及模型。

(2) 同一路線段多名專業技術人員參與設計修改，某段修改完成后上傳信息數據及模型，總體專業技術人員下載后程序自動檢測更新段落并提示是否替換該段信息數據及模型。

(3) 同一項目多個路線方案，各方案完成后上傳信息數據及模型，總體專業技術人員下載后根據定義銜接變量自動合并項目方案。

3.2 專業間協同設計

基于參數化協同平臺云端，公路工程前置專業完成專業設計后上傳設計數據及模型傳遞給后置專業，后置專業完成專業設計方案后上傳設計數據及模型，總體專業下載后程序檢測專業間數據變動情況，根據不同情況提示專業間設計碰撞信息并更新數據，通過合并項目并對存在錯誤的專業數據給予提示。應用場景為：

(1) 總體專業上傳設計數據及模型后，其他專業提示更新數據并根據數據進行專業方案設計，設計方案完成后上傳設計數據及模型，總體專業技術人員匯總更新方案。

(2) 路線數據更新：①路線只更改樁號時，其他專業設計方案根據樁號變動自動更新；②當路線方案變動時，若其他專業未參與調整，則根據控制因素和原方案參數生成新方案。

(3) 當不同專業間數據出現相互“沖突”或錯誤，合并時提示錯誤并反饋相關專業修改，若相關專業未修改則根據設計參數由總體專業設計人員進行修改。

3.3 關鍵性協同技術

基于公路工程設計階段實現參數化三維協同設計，需要解決的核心問題是專業內及專業間協同設計問題及相應的溝通響應機制。協同設計是計算機支持的協同工作與三維信息化技術相結合的一種設計過程，是能夠對工程項目設計過程進行有效支持的研究領域，不僅需要不同領域的知識和經驗，還要有綜合協調這些知識、經驗的有效機制來符合不同的設計任務。基于綜合分析結果，協同工作的基本要素為協作、信任、交流、折中、一致、提高、協調。通過實現這七個基本要素以助于實現參數化協同設計工作，核心的關鍵性技術如下：

3.3.1 數字建模

按照一定形式組織的關于產品信息的數據結構的三維結構尺寸搭建，是參數化協同設計的基礎和核心。在協同設計環境下，數字模型的建立是一個逐步完善和迭代的過程，也是多專業設計協同工作、實時協調后的設計成果。

3.3.2 工作流管理

工作流管理的目的是規劃、調度和控制信息化技術的工作流，以保證把正確的信息和資源在正確的時刻以正確的方式送給正確的項目組或設計人員，同時保證項目開發過程能最大化滿足設計輸出需求。

3.3.3 約束管理

協同功能開發過程中，各個子任務之間存在各種相互制約相互依賴的關系，其中包括設計規范和設計對象的基本規律、各種一致性要求、當前技術水平和資源限制以及用戶需求等構成了平臺開發中的約束關系。平臺開發的過程就是一個在保證各種約束滿足的條件下，進行約束求解的過程。

3.3.4 沖突消解

協同設計是設計項目組之間相互合作、相互影響和制約的過程，設計項目組對產品開發的思考角度、評價標準和領域知識不盡相同，必然導致協同設計過程中沖突的發生[7]。故而協同設計的過程就是沖突的產生和消解的過程。充分合理地解決設計中的沖突能最大限度地滿足各領域設計人員的要求，使最終設計成果的綜合性能達到最佳。

3.3.5 歷史記錄管理

歷史記錄管理的目的是記錄項目設計過程進行到一定階段時的過程特征并在特定設計決策下將它們用于將來的設計過程。目前，在實現這種基于CAD的協同設計方面，存在三種主流的技術思路。一種是在CAD平臺提供一些底層技術支持，供二次開發者根據用戶需要開發出各種應用。另一種就是提供可定制化的基于項目管理、文檔管理的協同設計管理軟件，配合單機設計軟件達到協同設計目的。再一種就是基于協同設計軟件的基礎平臺，它是標準的、開放的、可擴展的，能夠為二次開發者提供開發項目管理、文檔管理、用戶管理、圖紙審核、網絡圖庫、協商交流工具等協同設計系統功能的底層函數支持。

4 參數驅動標準化規范

公路工程中設計的專業門類較多，主要分為路線、路基、橋梁、隧道、涵洞、交安、地質、外業調查等專業，專業間相互關聯較多、專業間協同要求高。通過將各個專業的設計意圖和設計成果參數化表達，專業間提資數據參數化，實現整個設計過程的參數化驅動和有效的協同設計，從而避免一些人為錯誤和減少迭代次數[8]。同時根據不同階段所需參數的差異，并兼顧傳統設計參數及三維正向設計參數，運用模糊處理系統進行參數甄別制定多專業參數驅動標準規范。

5 項目設計應用

根據研發框架確定一線設計人員的日常工作場景和協同工作場景，并且基于此使用場景設計協同的技術架構[9]。設計師日常工作場景是單個工程師工作時的使用場景。根據雙屏設計模式習慣由兩個電腦窗口組成，左側為實時集成展示窗口(項目級電子沙盤)，如圖3所示，集成三維全景、功能項目樹、屬性窗口和系統消息及溝通信息等。右側是設計工作窗口，如圖4所示，集成設計桌面、項目樹和信息窗口。項目協同工作場景是各專業的設計師協同工作的使用場景。各專業的設計師通過協同平臺實現設計過程中與其他專業、其他人員的數據實時更新和消息溝通。

圖3 左側分屏-電子沙盤

圖4 右側分屏-設計桌面

6 結束語

通過參數化協同設計平臺和集成可視化展示平臺完成公路工程各專業設計階段的三維正向協同設計與匯報，實現協同環境下的數據建模、設計生產中的工作流管理、設計規范和設計對象間的約束管理、協同設計過程中的沖突響應和消解以及基于平臺云端的數據信息迭代和歷史管理。

本文通過對公路工程信息模型的參數化協同設計應用框架研究及項目應用總結，旨在為公路及相關行業的參數化協同應用和參數化驅動標準應用提供方向參考。