基于公路工程信息模型的参数化协同设计应用分析

欧佳佳，戴 玮

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

参数化协同设计是现阶段交通基建行业信息化技术和建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术融合应用落地的具体表现，也是设计模式数字化转型发展的重要目标。随着工程设计项目管理流程的协同设计系统应用范围进一步扩大和应用深度的进一步加深[1]，一方面对于设计过程的协同需求也越来越强烈，开发面向设计过程的三维设计协同平台与相关应用技术成为把数字化设计转型推向纵深的必由之路；另一方面随着三维设计技术的快速发展，对数字化设计和展示也提出了更高的要求。目前以BIM技术为核心并基于工程信息模型的三维协同设计、参数化设计以及数字化交付技术在公路行业中仍处于摸索研究阶段。

1 研究背景

目前，BIM技术在我国交通运输行业应用已经相对较多，但仍未形成统一应用模式，也没有统一的行业应用标准。公路交通行业BIM软件依旧是国外A、B、D三大软件产品平台[2]，近几年国内BIM软件也在迅速成长，但是大多数还是基于国外基础设计平台进行的二次开发。为了推动BIM技术在交通行业的应用，2017年交通运输部认定五家“BIM技术应用交通运输部行业研发中心”[3]。

计算机信息技术的快速发展对设计行业的发展有着重要的推动作用，用信息化技术作为辅助设计的工具，无论在理论研究还是在实际项目应用上，都有着显著效果。信息化技术的发展和应用使传统的设计方法和生产模式发生了深刻变化，已逐渐成为衡量一个设计院现代化水平的重要标准。

目前国内设计院信息化技术应用状况可分为两个层次：大型设计企业整体信息化水平已经达到较高的程度，有些已经接近国际先进水平；中小企业研发信息化水平还比较低，还是处于简单用二维CAD进行设计、出图、生产的模式。应用软件方面，大设计院所工具软件相对成熟，如三维CAD、CAE的使用已经比较普遍[4]，而对这些工具软件所产生的数据模型进行有效管理和深层利用却相对薄弱，没有将这些设计数据、仿真数据、试验数据进行协同管理的平台系统。随着软件开发技术及数字化应用技术的发展，产品复杂度也越来越高，这种多学科、多专业协同的重要性越来越高，对相关参数化协同平台的要求也愈发迫切。

目前，公路工程专业设计的参数化三维协同系统进展比较缓慢，市场上的协同设计产品，很大程度上是指基于网络的一种设计沟通交流手段，以及设计流程的组织管理形式。主要包括：通过CAD文件之间的外部参照，使得工种之间的数据得到可视化共享；通过网络消息、视频会议等手段，使设计团队成员之间可以跨越部门、地域甚至国界进行成果交流、开展方案评审或讨论设计变更；通过建立网络资源库，使设计者能够获得统一的设计标准；通过网络管理软件的辅助，使项目组成员以特定角色登录，可以保证成果的实时性及唯一性，并实现正确的设计流程管理。

2 研究目标

通过实际工程设计项目应用及理论研究，分析总结基于公路工程信息模型的参数化三维协同设计平台的应用目标：

一是实现专业协同设计。通过协同平台子系统完成项目设计阶段参数化设计，然后由协同系统无感传递给各专业设计软件完成详细设计，在整个设计过程中将各专业工程信息模型实时集成到三维图形平台(电子沙盘)中，实现参数化三维协同设计。

二是实现设计提质增效。通过推进面向设计过程的三维数字化技术应用及多专业协同设计，改变传统设计模式，实现基于三维协同设计平台的全专业参数化设计、协同校核，提高设计质量效率，减少设计迭代次数，缩短设计周期。

三是实现数据平台管理。通过打通数据管理平台与设计工具间的接口对接，实现设计数据智能提取和自动化传递。并利用集成展示系统进行进度查看、碰撞检测及专业校核，实现项目的直观管理与审查。平台后端与大数据、物联网多平台终端进行对接，实现面向设计过程的管理与项目管理的衔接。同时为后期各专业子模块参数化交互智能化设计形成框架基础。

3 参数化协同设计

在参数化协同平台的各子专业设计系统中完成对应设计阶段的参数化三维设计，并在整个设计过程中能够实时把各专业的带有工程信息参数化的三维模型集成显示到三维图形可视化平台(电子沙盘)中，实现参数化三维协同设计，同时电子沙盘支持进度查看、碰撞检测及专业校核，实现项目直观的管理和审查。参数化协同平台框架如图1所示。

图1 参数化协同平台框架

基于公路工程的参数化协同设计体系框架由一个协同平台和一个集成可视化展示平台(电子沙盘)组成，平台间数据格式统一实现信息数据的无感传输和加载[5]。各专业设计内部以参数驱动为控制手段，根据设计阶段的不同(方案设计、初步设计、施工图设计等)将多专业控制参数通过参数甄别分为全局参数、深化参数及精细化参数。通过不同设计阶段的参数驱动设计实现多专业正向三维协同设计。信息数据的应用由前期协同BIM共享逐渐转化成后期的参数化协同设计管理，同时过程中衔接不断丰富的勘察设计数据、设计敏感数据以及采集的实景模型数据[6]。协同设计阶段发展流程如图2所示。

图2 协同设计阶段发展流程

3.1 专业内协同设计

参数化协同设计平台子程序自动分析项目分块协作界限，利用软件内置程序定义衔接变量并进行自动分段，根据衔接变量自动合并专业内多分段的项目数据。在基于云端上分段后实现多人设计，并在设计完成后信息数据及模型的上传，再根据定义衔接变量合并项目。应用场景为：

(1) 同一设计路线分段多人协作，完成多专业设计后上传信息数据及模型，总体专业技术人员下载后程序根据预定义衔接变量自动合并项目信息数据及模型。

(2) 同一路线段多名专业技术人员参与设计修改，某段修改完成后上传信息数据及模型，总体专业技术人员下载后程序自动检测更新段落并提示是否替换该段信息数据及模型。

(3) 同一项目多个路线方案，各方案完成后上传信息数据及模型，总体专业技术人员下载后根据定义衔接变量自动合并项目方案。

3.2 专业间协同设计

基于参数化协同平台云端，公路工程前置专业完成专业设计后上传设计数据及模型传递给后置专业，后置专业完成专业设计方案后上传设计数据及模型，总体专业下载后程序检测专业间数据变动情况，根据不同情况提示专业间设计碰撞信息并更新数据，通过合并项目并对存在错误的专业数据给予提示。应用场景为：

(1) 总体专业上传设计数据及模型后，其他专业提示更新数据并根据数据进行专业方案设计，设计方案完成后上传设计数据及模型，总体专业技术人员汇总更新方案。

(2) 路线数据更新：①路线只更改桩号时，其他专业设计方案根据桩号变动自动更新；②当路线方案变动时，若其他专业未参与调整，则根据控制因素和原方案参数生成新方案。

(3) 当不同专业间数据出现相互“冲突”或错误，合并时提示错误并反馈相关专业修改，若相关专业未修改则根据设计参数由总体专业设计人员进行修改。

3.3 关键性协同技术

基于公路工程设计阶段实现参数化三维协同设计，需要解决的核心问题是专业内及专业间协同设计问题及相应的沟通响应机制。协同设计是计算机支持的协同工作与三维信息化技术相结合的一种设计过程，是能够对工程项目设计过程进行有效支持的研究领域，不仅需要不同领域的知识和经验，还要有综合协调这些知识、经验的有效机制来符合不同的设计任务。基于综合分析结果，协同工作的基本要素为协作、信任、交流、折中、一致、提高、协调。通过实现这七个基本要素以助于实现参数化协同设计工作，核心的关键性技术如下：

3.3.1 数字建模

按照一定形式组织的关于产品信息的数据结构的三维结构尺寸搭建，是参数化协同设计的基础和核心。在协同设计环境下，数字模型的建立是一个逐步完善和迭代的过程，也是多专业设计协同工作、实时协调后的设计成果。

3.3.2 工作流管理

工作流管理的目的是规划、调度和控制信息化技术的工作流，以保证把正确的信息和资源在正确的时刻以正确的方式送给正确的项目组或设计人员，同时保证项目开发过程能最大化满足设计输出需求。

3.3.3 约束管理

协同功能开发过程中，各个子任务之间存在各种相互制约相互依赖的关系，其中包括设计规范和设计对象的基本规律、各种一致性要求、当前技术水平和资源限制以及用户需求等构成了平台开发中的约束关系。平台开发的过程就是一个在保证各种约束满足的条件下，进行约束求解的过程。

3.3.4 冲突消解

协同设计是设计项目组之间相互合作、相互影响和制约的过程，设计项目组对产品开发的思考角度、评价标准和领域知识不尽相同，必然导致协同设计过程中冲突的发生[7]。故而协同设计的过程就是冲突的产生和消解的过程。充分合理地解决设计中的冲突能最大限度地满足各领域设计人员的要求，使最终设计成果的综合性能达到最佳。

3.3.5 历史记录管理

历史记录管理的目的是记录项目设计过程进行到一定阶段时的过程特征并在特定设计决策下将它们用于将来的设计过程。目前，在实现这种基于CAD的协同设计方面，存在三种主流的技术思路。一种是在CAD平台提供一些底层技术支持，供二次开发者根据用户需要开发出各种应用。另一种就是提供可定制化的基于项目管理、文档管理的协同设计管理软件，配合单机设计软件达到协同设计目的。再一种就是基于协同设计软件的基础平台，它是标准的、开放的、可扩展的，能够为二次开发者提供开发项目管理、文档管理、用户管理、图纸审核、网络图库、协商交流工具等协同设计系统功能的底层函数支持。

4 参数驱动标准化规范

公路工程中设计的专业门类较多，主要分为路线、路基、桥梁、隧道、涵洞、交安、地质、外业调查等专业，专业间相互关联较多、专业间协同要求高。通过将各个专业的设计意图和设计成果参数化表达，专业间提资数据参数化，实现整个设计过程的参数化驱动和有效的协同设计，从而避免一些人为错误和减少迭代次数[8]。同时根据不同阶段所需参数的差异，并兼顾传统设计参数及三维正向设计参数，运用模糊处理系统进行参数甄别制定多专业参数驱动标准规范。

5 项目设计应用

根据研发框架确定一线设计人员的日常工作场景和协同工作场景，并且基于此使用场景设计协同的技术架构[9]。设计师日常工作场景是单个工程师工作时的使用场景。根据双屏设计模式习惯由两个电脑窗口组成，左侧为实时集成展示窗口(项目级电子沙盘)，如图3所示，集成三维全景、功能项目树、属性窗口和系统消息及沟通信息等。右侧是设计工作窗口，如图4所示，集成设计桌面、项目树和信息窗口。项目协同工作场景是各专业的设计师协同工作的使用场景。各专业的设计师通过协同平台实现设计过程中与其他专业、其他人员的数据实时更新和消息沟通。

图3 左侧分屏-电子沙盘

图4 右侧分屏-设计桌面

6 结束语

通过参数化协同设计平台和集成可视化展示平台完成公路工程各专业设计阶段的三维正向协同设计与汇报，实现协同环境下的数据建模、设计生产中的工作流管理、设计规范和设计对象间的约束管理、协同设计过程中的冲突响应和消解以及基于平台云端的数据信息迭代和历史管理。

本文通过对公路工程信息模型的参数化协同设计应用框架研究及项目应用总结，旨在为公路及相关行业的参数化协同应用和参数化驱动标准应用提供方向参考。