基于BIM 的复杂建筑群体数字化协同设计的实践——后世博B 片区央企总部为例

王 凯 李嘉军 刘 翀 林凡舟

(华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

引言

上世纪80 年代，信息化工具在国内工程设计领域还是凤毛麟角。到了90 年代设计团队先后引入并应用CAD 技术，带来个人工作方式的变革。2000 年之后，国内设计团队开始尝试基于工程项目的协同设计。2009 年，BIM 理念正式进入国内，并逐渐被业界所认知，BIM 在协同工作、资源整合方面的优势明显初露荷角。近年，随着国内大型项目中陆续使用BIM 技术，业界普遍意识到导入BIM 技术的重要性。BIM 被认为是能够突破生产效率低和资源浪费等诸多建筑业普遍存在的问题的关键技术之一，已经成为工程技术发展的主流方向。

整合、协同是BIM 的核心概念。BIM 带来的不仅是激动人心的技术冲击，BIM 技术与协同设计技术结合，能够有效促进多个专业的相互协作，建筑、结构、设备在同一模型上共享数字化模型信息进行协同设计。如果把BIM 技术比作是生产力的话，多专业协同就是生产关系。不同专业人员使用各自的BIM 模型，与其他人的信息模型链接、同步后，可以大幅发挥可视化设计和团队工作的优势，通过碰撞检查，快速及时、准确地发现碰撞和解决矛盾，从而提高效率和质量。

1 超大项目群协同设计研究对象和理论基础

1.1 研究对象

建筑业正在经历建筑信息化的变革过程。在近几年，基于BIM 的多专业协同设计工作方式也逐渐被关注。少数单位也展开相关的尝试，但大多用在普通单体项目中，在超大型项目群项目中的应用还是凤毛麟角，本研究的重点就是在此。

1.2 理论基础

本研究的理论基础是协同设计理论，但是超大型项目群的协同设计不同于一般意义上的协同设计，更侧重于设计管理，具有的群体性、交互性、分布性和协作性特点。

2 复杂项目群协同设计研究方法和研究框架

2.1 研究方法

研究基于后世博B 片区项目实践，将协同设计有关理论与具体问题相结合，探索项目群BIM 多专业协同设计方法。

2.2 研究框架

本研究着重探讨了如何在项目群中实现十几家设计院的三维协同，将各家的成果集成起来，进行总体协调，将协同设计工作方法真正的应用到项目群的设计过程中。从宏观上进行把控，对项目群进行便捷、准确、有效的协调审查和管理分析。研究框架如图1:

3 项目群体协同设计的必要性

3.1 复杂项目群体工程的特点和难点

世博园B 区是世博园区后续开发利用的第一个区域，规划成央企总部聚集区和国际一流的商务区。用地面积约18.72 万m2。B 片区(图2)共有28 栋建筑，分属13 家央企，15 家投资主体参与，包括中国商飞、中国铝业、中国华电、国家电网、中国中化、中国建材、中国华能、中外运、中信、中国黄金等。总建筑面积逾百万m2(地下面积约45 万m2，地上建筑面积约为59.7 万m2)，其中4 栋为28 层高层，最高120m，其余为6～16 层。项目的设计参与单位多达十余家。

图1 研究框架

图2 世博B 片区项目群体鸟瞰图

由此可见，后世博B 片区央企总部基地项目群具有:项目参与方多、项目性质复杂、项目功能全面、涉及专业广、工程量大、投资多、技术复杂、时间紧迫、质量要求高等特点。

3.2 协同设计在超大项目群中的优势

传统的协同设计适用于项目单一、规模不大、业主唯一、单一指令等特点的项目，而对于复杂项目群体而言，多个单体业主同时参与决策，每个单体业主都形成独立决策主体，而单体项目之间并非独立，而是相互联系相互交界，多业主基于自身利益考虑，其决策势必引起项目开展过程中的矛盾，且各单体组织间过于孤立，因此垂直的组织结构形式不利于复杂项目群体多业主的建设。

组织的复杂性和多元化势必引起指令传达的多元化，单体项目之间的组织孤立加大了项目的难度(图3)，这样在项目进行过程中往往因组织管理和协调不畅而影响项目的开展，因此在复杂项目群体项目中，组织的集成化非常重要。BIM 技术的基本理念是集成化，这样有助于将分散孤立的组织形成较为集成化的协同组织(如图4 所示)。

图3 垂直层级架构

图4 集中式共享架构

4 项目群体协同设计方法分析

4.1 大型项目群体BIM 应用标准与流程

在世博B 片区项目中，项目总协调方为顺利实施BIM 技术，联合上海现代建筑设计集团、上海市建筑科技研究院、上海建工、上海城建院等几家主要参与单位共同编制了《上海世博B 片区央企总部区BIM 工作手册》(图5)。工作手册详细规定了BIM 实施的总体流程、各方(设计方、施工方和监理方)实施BIM 的职责、BIM 实施的标准、BIM 协作平台使用标准等。各单体按照统一标准进行BIM 模型的建立、属性设置，以及统一协作平台上文件的命名、文件交付标准等，便于各方进行数据信息的沟通和协调。

图5 上海世博B 片区央企总部区BIM 工作手册

在世博B 片区项目全过程应用中，标准起到了关键性的作用，避免了许多技术上的障碍，但还需要面对一些难题，例如:BIM 与设计的整合，BIM 与施工整合，以及BIM 分析结果如何双向反馈到设计和施工等，这些问题的解决与否，直接关系到BIM 工作的成败，影响世博B 片区项目的质量、进度和成本。为此，现代建筑设计集团配合业主，结合工程实际需求，制定BIM 建筑信息模型协同工作实施流程解决BIM 设计、施工的整合及BIM 成果双向反馈的问题，主要起草编制了后世博BIM 总体实施流程和《设计导则及统一技术措施》(图6 所示)，统一了工作流程，创造性地更新了传统工作模式，鼓励各设计单位在具备实力的情况下直接进行BIM 设计。

4.2 协同管理平台与协同设计平台

有了标准和流程，还应设置相匹配的平台。经过走访和学习一批国内知名的设计、工程单位，以及若干重大项目后，发现采用以往的单体项目的协同平台，可能会出现处理决策滞后，整体协同进度效率受影响的弊端。究其原因，在于各单体的设计决策并未通过协同工作平台执行，而在各自单体平台中执行，导致了沟通执行效率的降低，效果不畅。

图6 后世博BIM 总体实施流程

项目群工程中，必须要将协同设计工作贯彻到底，推动各单体建筑之间的必要协同，使信息处理与决策交互化、全局化，才能真正实现最大化协同的价值。结合本项目特点，B 片区项目群确立基于项目群体协同的信息集中共享机制，所有的设计、变更修改模型及信息在协同工作平台内共享，减少了信息传递步骤，通过信息资源共享提升了信息传递效率。为了实现这些目标，后世博B 片区项目总协同方及各主要参与单位采用了项目群协同管理平台，设计单位采用GIS 与BIM 相结合的项目群协同设计平台，并将两者进行了有机集合。

4.2.1 协同管理平台

后世博B 片区央企总部项目群参与方众多，包括十几家业主、十几家设计单位、施工承包单位、监理公司、供应商等等。以往各参与方在项目进行过程中往往采用传统的点对点沟通方式，不仅增大了开销，提高了成本，而且也无法保证沟通信息内容的及时性和准确性。

为了确实掌握项目的需求，上海现代建筑设计集团信息中心数字化技术研究咨询部通过向各单体业主发放了数十份《项目群BIM 技术应用调查问卷》(图7)，实施了长达两个月的需求调研。经过对调查结果进行分析和梳理，反映各参与方对协同管理平台的需求主要集中在:

1)实时集成:集中化存储来自多个项目参与方的BIM 资料，文件变更文档修改实时更新，将功能规划、方案设计、分析模拟、施工规划、施工管理、设备采购管理等各阶段的应用集成并接入数据中心。

2)工程目录与流程管理:根据不同的业务范围和工作职责，制定工作文档编码和目录架构，方便项目资料的发布和各专业、各部门间的设计配合。工作流的管理，对协同设计工作流程进行规范，保证各个流程成果可控。

3)安全访问控制:区分不同文件的访问及管理权限，保障信息内容的安全存储和访问。在数据与操作的管理上，将数据层与操作层分离，集中存储分散的工程内容信息，保证可控制性和安全性。

经过对市场上的相关产品进行对比筛选，最终选择了ProjectWise 平台作为项目群管理平台，主要用于信息交流沟通，决策处理。协同管理平台把项目周期中各个参与方集成在一个统一的工作平台上，改变了传统的分散的交流模式，实现信息的集中存储与访问，从而缩短项目的周期时间，增强了信息的准确性和及时性，提高了各参与方协同工作的效率。协同管理平台主要应用成果如下:

1)管理项目过程中各种设计文件

设计过程中使用的软件众多，产生了各种格式的文件，这些文件之间还存在的复杂的关联关系，这些关系也是动态发生变化的，通过协同管理平台良好地控制工程设计文件之间的关联关系，并自动维护这些关系的变化，减少了设计人员的工作量。

图7 项目区BIM 技术应用调查问卷

图8 项目文档预览

图9 项目文档安全控制

2)项目异地分布式存储

由于参与方众多，分布于上海、北京、广州等地。协同管理平将各参与方工作的内容进行分布式存储管理，通过本地缓存技术，保证了对项目内容的统一控制，也提高了异地协同工作的效率。

3)全方位的发布图档

协同管理平台后端采用Publisher 发布引擎，可以动态地将设计文件、办公常用格式的管理文件以及光栅影像文件发布出来，设计文件发布后完全保留原始文件中的各种矢量信息、图层以及参考关系，充分保证了信息的完整性。项目参与方不需要再安装专业设计软件，就可以直接通过浏览器来查看项目中的各种文件，简单快捷，也节省了购买部分专业软件的成本。

4)安全访问控制

工程项目参与方众多，如何保证信息内容的安全存储和访问至关重要。协同管理平台的数据层与操作层分离，收集了分散的工程内容信息，采用了集中统一存储的方式，加强了可控制性和安全性。

对于用户访问，采用了用户级、对象级和功能级等三种方式进行控制。用户需要使用用户名称和密码登录系统，按照预先分配的权限，访问相应的目录和文件，这样保证了适当的人能够在适当的时间访问到适当的信息的适当的版本。

5)工作流程管理

在协同管理平台中，制定了本项目的工作流程和流程中的各个状态，并且赋予用户在各个状态的访问权限。当使用工作流程时，文件可以在各个状态之间串行流动到某个状态，在这个状态具有权限的人员就可以访问文件内容。通过工作流的管理，可以更加规范设计工作流程，保证各状态的安全访问。

6)内部消息沟通

协同管理平台用户之间通过消息系统相互发送内部邮件，通知对方设计变更、版本更新或者项目会议等事项。

7)设计工作日志

协同管理平台自动记录所有用户的设计过程，包括用户名称，操作动作，操作时间以及用户附加的注释信息。这些过程的记录，是设计质量管理的重要组成部分。

4.2.2 三维协同设计平台

仅有协同管理平台不能够满足协同设计的全部需求。鉴于工程的特点，我们采用了GIS 与BIM相结合作为协同规划设计平台，以实现巨大地下空间和高密度建筑群的设计工作。同时协同设计平台对各设计单位的BIM 几何数据和信息进行集成管理，达到高效统一调度，实现总体规划与单体相统一。

经过对市场上的相关产品进行对比筛选，最终选择了Autodesk 360、Infraworks 和Revit 等数种BIM软件作为三维协同设计工具。各设计单位将BIM设计基础数据存贮在PW 协同管理平台上，并通过AIW 将模型数据进行集成，实现三维协同设计平台与协同管理平台的结合(图10)。通过平台与各方信息实时交互，动态获取项目实时更新信息，实现设计、工程进展跟踪的动态同步。AIW 可以链接Revit 生成的RVT 文件，实现BIM、GIS 平台互补协作(图11)。

三维协同设计平台AIW 的数据库中将单体建设总平面图、土地利用平面图、道路竖向规划融入一个数据库内，将各项目的整体经济技术指标(层数、建筑高度、总建筑面积、绿地面积等)进行整合，满足规划设计分析的数据需要。从宏观和微观上，确保项目群的经济指标得到保证，提升设计品质，规避项目风险(图12)。

图10 协同管理平台与设计协同平台对接

图11 三维协同设计平台工作原理

图12 三维协同设计平台AIW 截图

4.3 超大项目群性能模拟仿真设计技术

性能化分析不能脱离周边环境，孤立地对单体进行研究。在宏观环境及外力影响下，单体项目势必会存在不确定性干扰，性能分析就是一个典型的例子。常规性能分析多以项目单体为主，难免会出现分析结果偏误，导致顾此失彼，缺乏系统性、宏观性。

此外，传统测绘方法难以获得准确的周边环境数据。在本项目中通过BIM 与GIS 技术相结合，精确地再现了整个世博片区的地理信息和建筑群，包括建筑、公共设施、道路、水体等为性能模拟提供了前提条件(图13)。

项目群的集群性能仿真分析，避免了单体分析局限性的同时，提升了项目群性能仿真分析的可靠度，为优化设计提供了有效手段，为项目群的整体性能参数提升提供可靠保障。性能模拟方面实施了日照、抗风、抗震、交通、疏散、节能、环境影响分析等。随着设计不断深化，三维模型数据也越加丰富。分析遵循从群体到单体，再从单体到群体的逻辑，通过设计—分析—再设计的流程形成了交互式性能化优化设计，真正意义上优化设计成果，提高了设计的品质(图14)。为全园区实现二星以上的绿色建筑的目标，提供了有力技术支持。

4.4 公共地下空间三维协同设计的技术与应用

世博会地区会展及其商务区B 片区地下空间的开发贯彻了四统一的基本原则，即“统一规划、统一设计、统一施工、统一管理”。将地下空间开发利用与城市建设、经济建设、市政交通设施、城市抗灾救灾和人防工程建设相结合。因此，控制各地块地下空间设施规模、开发层数，地下空间的布局以及与轨道交通的对接接口、预留通道、公共设施的设计就变得十分重要。

图13 性能模拟模型关系图

图14 性能模拟及工作模式

图15 设计导则及统一技术措施目录

图16 公共地下空间三维协同设计

以往项目设计过程中，单体项目受限于平台及技术手段，在设计协同上无法达到完全一致，在坐标、专业及功能方面的协同上，均可能会存在异步的问题。坐标异步，可能造成不同项目的地下空间交接区域出现较大的误差，亦可能影响市政管线布置;各专业沟通不足和疏忽，则可能会造成地下空间之间可能的设备管线冲突、功能空间流线未达到最优化设计。通过全三维协同设计，可以有效避免冲突，并提升复杂地下空间的工作效率。

上海现代建筑设计集团作为项目的总控方，通过编制B 片区《设计导则及统一技术措施》(图15)，制定了统一的技术措施，并借助三维协同设计平台核查，可确保坐标系、控制线的精准一致。通过统一规范项目群各单体的协同标准，保障超大项目群公共地下空间之间的流畅协同，规避了共地下空间的可能出现的各种风险。

而在全三维协同设计的环境下，建筑、结构、设备专业在同一环境下协同工作，提高了项目设计的协同水平。而项目群的集群设计协同，在复杂的公共地下空间的协同设计过程中，有效解决了不同项目之间专业协同的不同步问题。对于公共地下空间的设备管线以及地下市政管网来说，集群的协同设计能有效保证建筑群设备管线与市政管线的完美对接，避免了项目施工过程中出现二次调整的情况。可以说，借助于三维协同设计平台充分发挥地下空间资源开发利用，带来了显著的成效(图15)。

4.5 超大项目群工程量与造价数据共享

传统模式中，造价预算员通过二维图纸进行数据计算，计算方法复杂且繁琐。BIM 基于三维模型，能够过快速生成各种量化数据。图形与信息数据联动，方案调整时，数据自动更新，可大幅提高效率。

在本项目中，将BIM 与造价预算规则进行结合，使其符合现有算量规范。技术顺利实施得益于:(1)周全的BIM 模型深度标准，使得构件组成与材质设置与规范一致;(2)成熟的经验，按工程量与造价统计规则进行体积扣减，确保工程量的准确性。

通过反复研究发现，BIM 统计结果非常接近传统计算结果，差距基本上控制在2%～4% 以内。得益于三维协同设计平台和协同管理平台，实现了工程量造价数据与设计接轨，管理人员根据权限通过互联网实现远程随时随地根据楼号、时间、工序、区域等多个维度查询项目的工程量、造价数据信息，使材料计划、成本核算、资源调配计划、产值统计等方面及时准确的获得基础数据的支撑。

5 结语

世博B 片区项目中，各设计工作参与方在统一的协同设计工作平台上展开工作，保证了项目群设计工作的同步性、准确性、协调性。为优质的设计质量奠定了基础，突破了以往孤立的单体项目协同设计工作模式，使得BIM 的协同、整合的理念并未仅仅停留在纸面上，而是真正落到了实处，较好的平衡了项目群设计过程中的进度、质量和造价三大重要问题。

实践证明，三维协同设计在超大项目中，更能充分体现其先天优势。为实现后世博B 片区央企总部项目的工程项目投资节约5%，建设周期缩短5%，将设计和施工中的错、漏、碰、缺、返工等造成的浪费减少80%以上的总目标，起到至关重要的作用。

致谢:本文在写作过程中得到华东建筑设计研究院有限公司陆扬、张晓菲等专家的大力协助。在此表示诚挚谢意。

［1］《后上海世博B 片区央企总部区BIM 工作手册》，2013.

［2］张晓菲.探讨基于BIM 的设计阶段的流程优化.工业建筑，2013，07:154-158.

［3］张洋.基于BIM 的建筑工程信息集成与管理研究.清华大学博士论文，2009.

［4］张洋.基于BIM 的工程项目集成化建设理论及关键问题研究.同济大学博士论文，2010.

［5］王凯.BIM 与传统CAAD 在室内方案设计中的对比研究，2011.

［6］王凯.国外BIM 标准研究［J］.土木建筑工程信息技术，2013，5(1):6-11.