基于BIM交互与数据驱动的多专业正向协同设计技术

史海欧，袁 泉，张耘琳，曾文驱，郑 庆，丁国富

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州510010；2.西南交通大学机械工程学院，四川成都610031）

我国正处于城市轨道交通急速、全面发展的新时期[1].城市轨道交通工程是一项复杂而庞大的系统工程，它涉及岩土、建筑、结构、机电设备、通信、信号、车辆、轨道等30多个专业的高度集成，涉及专业多、交叉接口繁多，接口复杂，参与设计、技术管理的人员众多，工程协调难度大[2].目前，城市轨道交通工程主要采用2D设计，本专业设计完成以后，将2D图纸、设计报告等文档交付给其他专业.这种设计方式存在设计变更多、变更难发现、协同效率低等问题.

建筑信息模型（building information modeling，BIM）是一种以3D数字技术为基础的，集建设工程设计、施工、管理为一体的新方法.随着数字化、信息化的不断发展，BIM逐渐应用到轨道交通领域[3].城市轨道交通设计过程中，不同专业使用多种设计建模与分析软件，例如 Revit、Bentley、AutoCAD、ArchiCAD、Robot、DIALUX等，各软件数据格式不一致，无法直接进行交互，造成了信息冗余、一致性差、数据重复利用难度大等问题[4].而且目前的3D设计方式主要是基于2D图纸的3D翻模，并没有实现真正的3D正向设计.

协同设计在产品制造领域得到广泛应用[5-6]，为解决上述问题，专家学者尝试将协同设计的理念和思路应用到城市轨道交通设计中，以BIM技术为基础，研究了城市轨道交通的协同设计模式、设计方法和协同平台等内容.Liu等[7]通过实例分析、访谈等方法，研究了BIM技术在协同设计中的积极作用.王巧雯等[8]探索构建了BIM一体化多专业协同设计流程框架.为提高协同设计过程信息流和BIM可交付成果的效率和一致性，Kassem等[9]研究可在整个供应链的项目级别使用的BIM协同设计协议.王勇等[10]从设计管理的角度出发，研究提出了协同设计中的BIM模型管理机制.杨新等[11]研究了以关系型数据库+模型图纸文件管理器为核心的“数模分离”式BIM正向设计平台的架构，实现一体化设计与管理.通过将设计师设计建筑模型的过程映射为游戏过程，Edwards等[12]实现多用户协作和交互式设计.OH等[13]研究提出了基于功能集成、信息管理和过程支持的BIM协同设计系统.Zada等[14]开发协作BIM平台以解决将对象版本控制和IFC模型进行集成的挑战.El-Diraby等[15]通过构建基于BIM的网络协同设计平台，让设计人员和终端用户同时参与设计过程中，以更好地满足设计需求.

目前，基于BIM的协同设计大多是基于设计文件和3D模型的协同，并没有实现数据级的协同，难以在多软件、多平台之间实现数据交互和协同设计，导致数据交互困难、协同效率低等.本文在分析城市轨道交通多专业协同设计模式的基础上，通过协同设计平台解析模型，基于IFC（industry foundation class）标准实现数据提取，便于数据在多软件之间交互和流通，研究基于数据驱动的多专业正向协同设计方法.

1 城市轨道交通正向协同设计模式

城市轨道交通有30多个专业参与3D设计，各专业相互协同完成建模.在使用Revit软件进行3D设计时，由项目设计总体部门创建设计中心文件，其他专业在中心文件的基础上完成设计内容.一般由建筑专业开始，完成建模以后开放给工点内部专业，包括给排水、通风空调、供电系统等，各专业在建筑模型的基础之上完成建模后，反馈给建筑专业确认，如此反复修改直至各专业全部完成.工点内部专业设计完成以后，向系统各专业同时开放设计模型，包括通信、信号、屏蔽门、电梯等专业，各专业在此基础上完成本专业设计建模，再反馈到建筑专业确认，形成设计模型.

传统的设计方式存在设计交互滞后、设计变更多、协同效率低等不足.因此，本文提出了基于模型交互和数据驱动的多专业正向协同设计技术，该技术的总体框架如图1所示.

图1 多专业正向协同设计技术框架Fig.1 Technology framework of multi-discipline forward collaborative design

步骤1 项目总体根据技术需求制定工程设计技术要求，形成项目总体设计规划和设计流程图.

步骤2 各专业根据技术要求开始工程设计，创建专业3D模型，将模型同步到协同设计平台.

步骤3 平台解析3D模型，将模型重构形成结构树.其他专业在设计过程中访问协同设计平台，提取需要交互的构件模型和设计参数.

步骤4 各专业将设计结果同步到平台，平台将设计参数推送给各交互专业，当全部确认以后，协同过程结束，否则继续修改交互构件的设计参数.

根据以上协同技术框架，首先需要对同步到协同设计平台的3D模型进行解析和重构，然后基于数据提取和消息推送实现多专业正向协同设计.

2 基于结构树的7D BIM解析与表达

建筑行业常用5D BIM，包括3D、时间维和成本维[16].传统建筑行业涉及的专业较少，主要包括建筑、结构、给排水、通风空调、供电等.城市轨道交通包括30多个专业，每个专业包含大量的子系统和构件，现有的5D BIM难以有效地表达城市轨道交通.本文在原有5D的基础之上，增加专业维和构件组成维形成7D BIM，便于模型的结构化、层次化表达，更加细粒度地体现城市轨道交通所包含的内容，7D BIM 表达如式（1）所示.

式中：S为构件所属的专业；D为最小粒度构件所包含的属性参数；C为成本信息；T为生命周期；X、Y、Z为几何3D信息.

IFC是国际通用的基础工业类统一表达规范，可以在不同设计软件之间进行数据交互.IFC标准通过IfcRoot逐级派生实体，完成对构件实体及属性的表达[17].在模型解析时，基于IFC表达规则可以恢复模型的3D结构及其属性信息.本文采用IFC表达3D模型.

城市轨道交通模型中包含大量构件，难以快速找到特定构件，严重影响协同设计效率.本文提出的7D BIM从最小的构件粒度表达城市轨道交通全生命周期的所有信息.为了便于多用户协同交互，采用结构树的形式表现7D BIM，如图2所示.

图2（a）为5层级结构树：线路、建模对象、专业、子系统和构件，表达7D BIM的专业和构件组成，图2（b）为3层级结构树：构件、属性分类和参数，表达7D BIM的3D几何、全生命周期属性和成本信息.

在协同设计过程中，各专业访问协同设计平台，通过线路、建模对象（车站、区间、停车场/车辆段、控制中心/主变电站）、专业、子系统所组成的结构树，快速查找到构件，获取该构件的全生命周期所有属性信息，实现数据的共享.

图2 7D BIM 结构树表达Fig.2 7D BIM expressed as structure tree

3 基于数据驱动的正向协同设计技术

基于协同设计平台实现各专业之间的设计协同.将专业间的交互协同关系定义到平台中，某专业设计模型的IFC文件同步到协同设计平台后，平台通知需要交互协同的其他专业.其他专业收到消息，访问平台并查看模型及属性信息，将需要交互的构件及属性提取到本地，支撑本专业的设计，实现多专业之间的协同，形成3D设计模型.

选取A、B两个专业，描述基于7D BIM交互的数据驱动协同设计过程，如图3：专业A完成建模后将模型同步到协同设计平台，平台解析模型，生成如图2所示的结构树，表达该专业构件及设计属性；专业B设计过程中需要与专业A协同，平台将专业A模型上传的消息通知专业B设计人员，专业B设计人员在平台上查看专业A模型结构树，查找需要交互的构件，获取该构件的模型和数据，以此为参考在本地3D设计软件中完成专业B建模，并同步到协同设计平台；专业A接收到消息后查看与专业B交互的构件，确认设计参数是否符合要求，并重新设计被提取构件的参数，修改后再同步到平台，供专业B参考.如此反复，直到满足两个专业的设计要求为止.

图3 多专业正向协同设计过程Fig.3 Multi-discipline forward collaborative design process

多专业正向协同设计的详细步骤如下：

步骤1 模型解析与重构

专业A在本地3D设计软件中进行设计建模，将模型IFC文件同步至协同设计平台.平台解析模型所包含的构件，生成项目结构树.解析构件的属性，将各类型属性参数采用结构树的方式表达.设计阶段只有几何信息和设计属性.其中构件M共包含4 个设计参数：M={A1,A2,A3,A4}.

步骤2 数据提取与构件设计

专业B在设计本专业的构件N时需要参考专业A中构件M的设计参数.专业B接收到平台消息后，通过协同设计平台查看专业A的模型，从模型结构树中找到构件M，并向平台发送请求：提取专业A的构件M，用于专业B构件N的设计.平台审核通过以后，将构件M的模型及设计参数、、、，以 IFC文件和数据表的形式导出，其中IFC文件用于表达构件M的3D形状，数据表用于保存设计参数.专业B在本地3D软件中完成构件N 的设计：N={B1,B2,B3}.

步骤3 协同构件参数调整

当专业B提取专业A构件M的模型及设计参数时，协同设计平台以消息的方式通知专业A：构件M被专业B提取，用于构件N的设计.当专业B完成设计并将模型同步到协同设计平台后，平台会再次给专业A发送消息：专业B已经完成构件N 的设计.同时将构件 N 及其设计参数、、发送给专业A，专业A根据交互构件的设计参数，判断构件M设计参数是否需要修改，如果需要，则重新设计构件M的参数并将修改后的模型及参数同步到平台.平台对比分析两个版本的模型，标记已经修改的设计参数，发送消息“专业A构件M设计参数已经修改”给专业B.

专业B通过协同设计平台查看修改后构件M的设计参数，判断构件N的设计参数是否需要修改，如果需要，则按照上述步骤修改.

步骤4 确认设计参数，完成协同设计

专业A和专业B按照步骤3的方式反复确认构件M和构件N的设计参数，直到设计参数全部不再修改，则完成正向协同设计.通过该协同设计方法，建立各专业的3D设计模型.

4 实现案例

本文选取某地铁站环控电控室设计为例，详细介绍基于BIM交互与数据驱动的多专业正向协同设计过程，案例如图4所示.

环控电控室设计由建筑、结构、供电、通风空调4个专业协同完成.首先由建筑专业开始3D设计，在本地创建设计模型后同步到协同设计平台.平台解析建筑模型IFC文件，如图4（a）所示.环控电控室面积可容纳供电设备数量，包含两道设备门，型号分别为GFM1021和GFM1221，其中设备门GFM1221的设计参如下：

高度：a1=2100mm；

宽度：b1=1200mm；

厚度：c1=40mm；

热阻： θ1=0.2701m2•K/W；

材料：金属（钢）.

结构专业收到建筑模型上传消息后，访问平台提取环控电控室模型，在本地3D设计软件中完成构造柱设计和顶板设计，确定拉结筋结构位置.并将模型同步到平台，如图4（b）所示.

供电专业收到建筑模型上传消息后，访问平台提取环控电控室建筑模型，在本地3D设计软件中设计供电设备，数量含备用设备2台，每台的尺寸参数为高度长度如图 4（c）所示.同时通风空调专业提取环控电控室模型，完成通风管道设计.

供电专业和通风空调专业将设计模型同步至协同设计平台，平台将供电设备参数发送建筑专业设计人员.建筑专业根据检修及搬运供电设备需要，将设备门GFM1221修改为GFM1527，修改后的设计参数如下：

厚度：c1=40mm；

热阻： θ1=0.2701m2•K/W；

根据设计标准规范，设备距离墙体需要满足检修通道宽度需求，然而目前设备与墙体之间的距离不能满足需求.为了满足设备于墙体之间的检修通道距离，重新调整环控电控室的面积如图4（d）所示.同时结构专业重新设计电控室的构造柱、顶板和拉结筋.

建筑专业和结构专业完成设计后将模型同步到协同设计平台，供电专业确认模型，通风空调专业重新设计风口，增加了排烟功能，完成后的环控电控室模型如图4（e）所示.

通过基于模型交互和数据驱动的正向协同设计，不仅得到优化的设计方案，而且减少设计变更、提高协同设计效率.

图4 环控电控室正向协同设计Fig.4 Collaborative design of central electronical control room

5 结 论

数据驱动模式下的协同设计已经成为复杂产品智能制造技术的一项关键技术，然而在城市轨道交通领域并没有得到有效应用.针对目前城市轨道交通设计过程中多专业间协同效率低、数据交互难等问题，本文研究基于BIM交互与数据驱动的城市轨道交通多专业正向协同设计模式.协同设计平台是各专业进行模型交互、支持协同设计过程的载体；在5D BIM的基础上增加专业维和构件组成维，构建了7D BIM；采用国际通用的IFC标准表达BIM并解析形成模型结构树；提出了多专业正向协同设计技术，各专业通过访问协同设计平台提取模型和数据，并基于数据驱动和消息通知实现协同设计，减少设计更改、提高协同设计效率.本文提出的多专业正向协同设计技术对于BIM技术在城市轨道交通领域的应用具有重要意义.