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市政路桥项目设计信息协同管理研究

发表时间：2020/12/17 来源：《基层建设》2020年第24期作者：张天伦

[导读] 摘要：BIM技术的发展为市政路桥设计项目的信息协同带来了新的工具，也带来了更多的数据量，如何应用新技术与新工具对市政设计行业而言仍待研究与优化。

        上海市市政规划设计研究院有限公司上海 200031
        摘要：BIM技术的发展为市政路桥设计项目的信息协同带来了新的工具，也带来了更多的数据量，如何应用新技术与新工具对市政设计行业而言仍待研究与优化。本文着重研究如何利用新技术进行相应的数据管理，从根本上分析与理解新技术的角色与作用，并建立相应的工作流程，以期更好的发挥BIM技术为市政路桥设计项目带来的优势。
        关键词：BIM技术；系统工程；CDE；市政路桥
        1市政路桥设计项目现状
        对于过往的市政路桥设计项目而言，传统的二维设计比过往的手工作图大大提升了设计效率，也为设计人员提升管理质量提供了手段。然而基于基本线条图形为对象的软件，导致设计的成果与实际的标的物属性不一致。由此带来一下一系列应用困难：
        首先，设计人员面对的是基本的线条图形，在处理逻辑对象上与过往的手工作图区别不大，整体的设计流程还是围绕如何手工作图开展。虽然经过多年的发展，CAD制图也发展出针对不同专业的插件来进一步提升设计效率，如鸿业公司推出的市政道路设计软件，提供相对完善的、按不同出图步骤提供相应的制图工具，方便了设计人员进行常规市政道路设计。然而，类似的插件或二次开发程序并没有跳脱出线条对象的范畴，实际的设计操作对象依然是线条。这从数据上、逻辑上限制了数据的抽象程度，也就限制了信息流通的效率。
        其次，即使现有的插件或二次开发程序已经有效的提升了作图的效率，比如图块的运用、样图和图层的标准化等等，已有的工作流程已经减轻了设计人员的作图工作量，基础的数据对象，如线条、图块、图层、样图等依然是非结构化的数据，不利于计算机系统进行识别与提取，也就无法进行后续的信息流通。由此造成项目信息流在整体设计工作中无法贯通。
        最后，由于计算机系统无法进行有效的识别，或者识别效率的低下，必然需要在工作流程上增加人工检查的步骤，也增加了人力成本，也就意味着设计效率的低下。
        2系统工程分析
        考虑到以上痛点，本研究从系统工程（System Engineering）的角度入手，深入分析当前市政路桥设计项目的需求与最终产出，分析如何利用BIM技术提升市政路桥设计项目的整体设计效率与质量。
        2.1需求与最终产出
        对于市政路桥设计单位而言，其需求来源于业主或者其他单位，目前最终的输出产品为具体的市政路桥项目设计图纸。这也是结合考虑当前监管流程的最终输出产品，因监管流程认可的产品就是项目设计图纸。
        基于此，我们可以进一步分解项目设计图纸的组成要素，并分析出各个子元素所需的资源及相互间的资源调用情况。

图 1.市政路桥设计图纸构成常规WBS
如上图所示，对于路桥设计图纸而言，常规的WBS通常涉及到路桥的各个组成部分。为了要完成以上出图，需要设计人员依据前期的勘察材料进行路线规划、基础设计与管线设计，同时影响桥梁专业的下部结构设计。

        图 2.市政路桥设计图纸与其他资料的关系
        2.2市场竞争与设计工作方法的矛盾
        以上仅仅考虑前期资料对路桥设计带来的影响与关联。对设计人员而言，由于设计的实际产出对象的数据形式为附带一定属性的线条，因此对于各个设计对象来说，各个对象的逻辑关系仅存在于设计人员的思维当中。因此，针对同一个对象的设计，通常都需要进行多层次的设计与展示来完成最终的设计图纸，也就带来了一些问题。比如，针对桥台盖梁的构造图，同时进行平立面的设计，设计人员需要根据设计需求分别进行线条绘制，因为从数据对象角度来说，盖梁虽然是同一个逻辑对象，但是分别展示在二维图纸当中时，则是两个单独的对象，且盖梁在平面图与立面图中的各自的数据对象间无法实现强关联，为了实现数据对象间的信息同步，只能依靠设计人员自身完成，该部分工作量与成果无法与设计人员解耦，造成设计人员的生产力被绑定在对象间同步的工作当中。
        当前随着市场竞争愈发充分，虽然最终产品的形式为市政道路设计方案或施工图，但就项目而言还附加了很多其他的服务，如针对施工单位的支持、各方协同工作、设计变更等，都需要进一步提高设计质量和效率。传统二维设计的手段与新的设计需求已经明显发生了偏离，需要寻求新的解决方案来处理矛盾。随着BIM概念的深入与多方参与应用，BIM技术为以上矛盾带来了新的解决可能，主要体现在以下方面。
        第一，有鉴于ISO标准与其他国家的基础设施标准，如buildingSMART的IFC（Industry Foundation Class），对应ISO12006系列，IFD Library（International Framework of Dictionaries Library），IDM/MVD（Information Delivery Manual/Model View Definition），我国的基础设施行业结合自身的特点，通过整体努力，逐渐摸索出适合我国基础设施行业本身的信息方法论，发展出适合我国自身使用的行业基础分类方法、字典以及交付要求，为我国基础设施使用信息化手段提供了基础。
        第二，市场上逐渐出现多样的支持面向行业基础分类的设计软件，其底层数据对象实现了更高级的抽象，同时反映至软件的数据结构当中，为后续整体工作流的改变带来了可能。虽然CAD（Computer-aided Design）软件在多年的发展过程中提供了更丰富的对象操作手段，但由于缺乏底层数据结构的支持，即便如今基于二维的CAD设计软件可将表达某一具体行业对象的线条集合视作一个整体，但由于其基础概念的局限，导致无法为更进一步的、基于逻辑抽象的对象提供结构化的数据，因此整体而言仍然停留在信息断裂的阶段中，而无法提供更高的设计与协同效率。基于BIM技术的软件的出现，为行业基础对象提供了面向对象的、结构化的数据操作性，从而从本质上为基础设施行业的共同协作提供了运用的可能。
        3.提升信息协同水平
        利用BIM技术手段，项目的整体设计可以有效提高项目中设计对象的信息利用水平，提升不同项目间信息的复用水平，将重复的工作流程与内容通过信息手段进行固化，从而提升整体效率。
        同时，在此基础上，也更便于设计公司对设计成果进行成果归档、建立自身的知识体系，提升整体的设计水平。
        3.1 CDE概述
        BIM技术的引入为项目设计带来了新的可能性。由于软件工具可从数据层面将设计对象视为一个完整的数据对象，在该对象上既包含三维几何图形，也可包含非几何的结构化与半结构化数据，从而作为属性与该对象进行绑定，因此，在项目设计过程中，设计人员可以将设计对象作为对象进行直接引用，软件工具也有了利用对象属性进行信息流通的先进手段。而当手段进一步提升时，势必也为设计的工作流程带来了变革。
        为此，我们需要引入CDE的概念。
        CDE（Common Data Environment），这一概念由UK在BIM Level 2的BIM Strategy中出现，于PAS 1192：2007标准中被阐述出来。这是一个抽象的概念，作为一个项目设计信息处理、存储、共享的空间而存在。通过制定一系列针对性的规则，借助外在的实现手段，CDE为项目设计定义了一个规范的、可迭代的、通用的数据环境，从而为基于BIM技术的设计方法提供了可遵循的措施。
        对项目设计而言，核心的CDE通常由4个环节组成：过程设计、数据共享、文档发布、存档。
        过程设计是各个设计专业的逻辑工作区域。各个设计专业依靠支持BIM技术的本专业设计软件进行设计工作，并进行专业内的版本记录与检查、验证。各专业间的工作内容划分需要明确，因对后续所有的数据更新均有影响。
        数据共享则是各个设计专业之间进行数据共享的区域。在各个专业设计阶段性完成，需要与其他专业共享设计成果的时候，需要先进行内部验证，并进行输出的版本控制，确保设计满足数据共享的要求，同时支持基于空间定位的数据共享，因项目本身就是在一定空间进行建造的，确保各自的设计成果能在同一空间坐标下进行协同。另外，需要确保专业间数据共享的格式应满足以下条件：数据可被其他专业读取，而不可进行编辑。该条件非常重要，一方面可确保各个专业的数据共享的完整性得以控制与保留，确保数据的可验性。另一方面，从数据结构、专业逻辑上确保了数据可被其他专业进行读取，满足数据共享的要求。
        数据发布是项目阶段设计完成后进行设计成果输出的区域。当项目数据到达数据发布区域时，所有的数据都应该经过各专业完整的记录、检查与验证，确保数据的可靠性，便于提供给项目后续阶段有完备的数据源。到此，项目数据就可以正式发布给其他单位进行交付。
        存档区域则是已发布数据的保存区域。存档区域并不单纯指设计成果本身，而应包含数据过往的版本记录、流通记录、图纸、模型、变更记录等，共同组成项目设计的存档数据。

        图 3.CDE构成
        3.2实现方案
        针对设计工作本身，设计人员可利用基于BIM技术的专业设计软件进行专业设计工作，设计工作专注于设计对象本身，如道路的面层、基础、边坡等等，并利用专业设计软件进行数据与图纸的提取、数据的录入，从而为CDE的利用提供了数据基础，也将使得过往无法解耦的设计工作分离出来，将设计工作通过BIM专业设计软件进行自动化处理，比如通过导入三维实景模型到设计模型中，直接提取道路边坡，同时实现设计与现实的真实对接；或减轻设计工作量，提升设计效率。
        市政路桥项目设计工作通过结合BIM技术与CDE的定义，其设计过程中的信息协同得到有效开展。市政路桥设计在CDE的范围内执行，由于BIM技术的利用，管理与数据的细度就可共同落实到具体的设计对象中，解决了基于二维图纸管理细度为CAD中基础几何图形而不是设计对象带来的偏差，并且设计的内容将跟随模型文件进行流转，设计人员和管理人员还可以根据管理需求将项目数据与设计对象结合，或从模型中提取相应的项目数据，从而在模型文件中进行实现。
        参考文献：
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        [7]British Standards Institution，《PAS 1192-3：2014 Specifi cation for information management for the capital/delivery phase of construction projects using building information modelling》[S]，2014；
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        [11]曹阳.高速公路建设项目BQ_WBS的应用研究[D]，2008
        Abstract
        The development of BIM brought new tools for information exchange of municipal project design，yet more data to manage.How to improve effeciency and quality of municipal project design need more reseach and analysis to discover new methods and tools to achive.This article focuses on the development of data management under BIM technology，building work flows accordingly from system engineering perspective，and absorbing benefit of CDE by combining with municipal project design.