錢麗，李海江，姜韶華

（1.中國交通建設股份有限公司，北京 100088；2.英國卡迪夫大學工學院，威爾士 卡迪夫 CF24 3AA；3.大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116024）

水運基礎設施設計與施工BIM數據標準化需求分析

錢麗1，李海江2，姜韶華3

（1.中國交通建設股份有限公司，北京 100088；2.英國卡迪夫大學工學院，威爾士 卡迪夫 CF24 3AA；3.大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116024）

文中主要對水運基礎設施領域工程設計與施工BIM實現(xiàn)中關鍵的數據標準化需求進行了分析。通過將基于傳統(tǒng)模式的水運工程建設項目與基于BIM技術的新項目在設計和施工階段數據交換模式與流程、數據應用以及BIM應用可解決的問題進行比較，歸納總結出了水運基礎設施BIM信息交換中對數據格式、技術利用、分類系統(tǒng)、分類鑒定等的基本要求，對水運基礎設施領域IFC國際標準研究工作的開展提出了建議。

水運工程；基礎設施建筑信息模型；BIM數據標準；需求分析

1 背景介紹

為了在水運基礎設施領域全面應用BIM技術，明確工程全生命期的數據傳遞模式和流程，制定相應的BIM數據標準是一個必不可少的環(huán)節(jié)。英國等世界上多個國家在其BIM規(guī)范中，詳細規(guī)定了全生命期的數據傳遞需求[1-5]。本研究通過將基于傳統(tǒng)模式的水運工程建設項目與基于BIM技術的新項目的實施進行比較，分析總結出水運基礎設施領域設計與施工BIM信息交換中對數據格式、技術利用、分類系統(tǒng)、分類鑒定等的基本要求。

2 傳統(tǒng)項目設計階段數據傳輸分析

2.1 數據傳遞模式及流程

1） 數據交換模式

在工程設計階段，數據傳遞主要發(fā)生在設計單位內部，針對工程項目的設計目標，不同角色、不同專業(yè)的參與人員將產生的過程成果（中間數據）進行共享、交換及傳遞。完成工程設計后，將符合標準要求的數據成果文件提交給業(yè)主。同時，在設計過程中，設計人員也需要與外部傳遞來的基礎資料進行數據交換，如工程設計所遵從的法律、法規(guī)和地方相關規(guī)章制度等。設計過程中，數據的傳遞模式主要有一對一的傳遞模式和一對多的傳遞模式。

一對一的傳遞模式：不論是設計，還是校核或審核工作，主要使用如集成辦公系統(tǒng)、即時通訊軟件、Email等工具進行數據交換和傳遞，特點是數據的傳遞方及接收方都為單一對象。

一對多的傳遞模式：數據的提供方需要對同一信息進行共享，以便多個不同角色的人員可以根據自身的需求進行使用，這時數據可以是同時傳遞給不同接收方，也可以是通過流程化的過程傳遞給不同對象。

2） 數據傳遞流程

在設計階段，涉及到各類數據的傳遞，如外部資料、中間資料（計算模型、計算書、設計圖紙）、成果資料（計算模型、圖紙、計算書）等，數據信息傳遞流程如圖1所示。

圖1 數據傳遞流程Fig.1 Data transfer process

其中，中間資料是設計過程中不同專業(yè)的參與人員為了完成同一個設計目標所必須共同遵循和依據的數據。其傳遞的準確性決定了設計成果的質量，一個完整的中間資料數據傳遞流程如圖2所示。

2.2 數據應用存在的問題

在水運基礎設施領域，設計階段的數據傳遞模式及流程雖然已經沿用多年，但還是存在一定的問題，特別是BIM技術的出現(xiàn)，讓這些問題顯得愈發(fā)突出，主要的問題有：

1） 數據質量問題

傳統(tǒng)設計采用如AutoCAD等二維工具軟件，設計人員都是采用交互的方式對二維圖進行編輯和修改。由于其傳遞方式天生的缺陷，以及設計人員的疏忽等問題，導致圖紙數據不能完全準確地表達設計的意圖，視圖表達難以完全關聯(lián)或被準確理解，錯誤難以避免，從而引起設計或施工返工。

圖2 中間資料數據傳遞流程Fig.2 Intermediate data transfer process

2） 數據傳遞問題

傳統(tǒng)設計中，各專業(yè)間通過中間資料傳遞完成設計協(xié)調，數據傳遞為一對一或一對多的關系。這種模式下，設計過程中中間資料的變更會導致中間資料的確認過程需要大量重復數據流轉，效率低下。另外，設計階段的數據由于其與施工方法結合的有限性，往往難以直接用于施工階段，導致數據信息的傳遞出現(xiàn)割裂。

3） 數據協(xié)調問題

設計過程中，由于外部設計條件的變化，有時需要對設計過程中的數據做相應調整，中間資料數據也隨之要做相應的變更。這種情況下，可能存在中間資料發(fā)起者的數據已經進行了變更，但由于數據傳遞不及時，接收方未能及時掌握最新的數據資料，從而引起不必要的設計錯誤。

4） 數據管理問題

設計數據成果的管理一般都是采用紙質和二維電子圖方式，將成果保存于檔案室。這種模式存在的問題是，紙質成果后期查詢比較困難，并且文件不易保存；二維電子圖的數據成果間沒有關聯(lián)性。隨著時間的推移，不可避免的會引起設計數據的缺失，從而無法保證知識成果的延續(xù)性及復用性。

2.3 利用BIM技術可解決的問題

利用BIM技術進行港口、航道、修造船建筑物等的設計工作，可以讓各參與方共享三維設計數據成果，避免了數據的重復錄入；二維設計圖紙可以由三維模型自動生成，并能快速計算工程量，以進一步進行工程成本的預測；使用專用工具，還能對設計數據是否符合規(guī)范進行自動校核。同時，可以將三維設計模型的數據與各類分析軟件，例如能耗分析、日照分析、風環(huán)境分析、綠色建筑分析等進行數據關聯(lián)，快速地進行各類分析和模擬。在設計階段，利用BIM技術可以解決的主要數據應用問題，包括：

1） 設計的質量

各專業(yè)應用BIM技術進行設計，二維設計圖紙由三維BIM模型自動生成，當模型數據發(fā)生變化后，二維圖紙的內容會自動關聯(lián)更新，解決了圖紙平、立、剖面數據不一致的情況，提升了設計質量。

2） 設計效率

基于共享數據庫或者中心文件的模型進行BIM設計協(xié)同，可以使各不同設計參與方通過一個統(tǒng)一的公共區(qū)域對數據進行訪問，同時數據的更改也會自動反映給各參與者，提高了數據的傳遞和交換效率。

3） 設計準確性

BIM的三維設計表達方式，能夠更加準確地表達所見即所得的準確性目標，也為設計成果準確性提供了工作基礎。

4） 數據的傳遞性

傳統(tǒng)的設計模式，中間資料的數據傳遞往往需要使用多種工具和方法，數據傳遞的路徑不統(tǒng)一。采用BIM設計模式，所有的數據都由設計人員直接從中心服務器中獲取，保證了傳遞途徑的唯一性。

5）數據的復用性

利用BIM技術完成的設計成果信息模型，是作為企業(yè)的數字化資產保存在企業(yè)數據庫中，方便后期的查詢及重用。隨著工程項目應用的積累，還可作為大數據分析及應用的基礎，為企業(yè)創(chuàng)造新的利潤增長點。

6） 數據的管理

BIM設計成果基于中心文件或中心數據庫進行管理，數據交換人員僅僅需要保證中心數據庫的數據的準確性和唯一性就能保證設計成果的質量，這種統(tǒng)一的數據管理模式顯著提升了傳統(tǒng)數據的管理效率。同時，設計階段的數據通過中心文件或中心數據庫向施工階段進行傳遞，保證了數據的統(tǒng)一管理及項目數據全生命期傳遞。

3 傳統(tǒng)項目施工階段數據傳輸分析

3.1 數據傳遞模式及流程

1） 數據交換模式

施工階段數據傳遞模式與設計階段類似，主要也是通過一對一、一對多的方式進行傳遞。但相較設計階段，在數據傳遞過程中涉及到的參與方和對象更多，主要有政府部門、業(yè)主、設計單位、施工承包商、施工分包商、監(jiān)理單位等。同時，工程建設從原材料采購到施工，施工到工程建設結束，涉及的工作范圍更廣，工作環(huán)節(jié)更多，會產生較設計更多的海量數據，這些數據主要由項目的內部信息和外部信息兩部分組成。內部信息是建設項目的各階段、各環(huán)節(jié)所產生的總的信息集合，如一個常規(guī)水運工程項目，主要有材料采購、建設進度和質量、成本控制、會議系統(tǒng)、風險管理等各方面的信息；外部信息包括國家有關的政策和法規(guī)、市場價格指數、新技術、新材料信息等。

2） 數據傳遞流程

施工階段涉及各類內外部數據的傳遞。如外部信息中的法律、法規(guī)、標準規(guī)范和規(guī)章制度信息、市場信息、自然條件信息等，內部信息中的各參建單位信息、施工合同信息、工程造價、工程進度信息等。一般來說，數據傳遞及管理流程從接收施工過程產生的數據開始，在此基礎上進行過程數據的交換和動態(tài)更新。施工中數據的傳遞流程如圖3所示。

圖3 施工中數據傳遞流程Fig.3 Data transfer process in construction stage

施工組織設計文件是項目施工管理中技術策劃的綱領性文件，是用來指導項目施工全過程各項活動的技術、經濟和組織的綜合性文件，是施工技術與施工項目管理有機結合的產物。其傳遞的準確性決定了工程開工后施工活動能否有序、高效、科學合理地進行，一個完整的施工組織設計數據傳遞流程如圖4所示。

圖4 施工組織設計數據傳遞流程Fig.4 Data transfer process in construction organization design

3.2 數據應用存在的問題

在水運基礎設施領域，由于參與方眾多，數據內容復雜，在工程項目建設過程中的數據傳遞就會存在不協(xié)調、不一致、不統(tǒng)一的問題，主要問題有：

1） 數據管理問題

工程項目建設過程中數據是由不同參與對象所產生的，比如施工方案信息一般由施工單位產生，工程建設檢查記錄一般由監(jiān)理單位產生，工程結算計量計價信息一般由業(yè)主、施工總包方產生等。這些信息并沒有一套完整的數據信息管理體系進行管理，數據的傳遞、共享及查詢均存在困難。

2） 數據傳遞問題

施工過程中會不斷產生各類管理文檔數據，這些數據需要通過一定的流程進行交換及傳遞?，F(xiàn)階段，由于施工現(xiàn)場管理水平不高，數據傳遞主要靠口頭、會議、通訊工具等進行傳遞，難以保證數據準確傳遞給每一個接收方，并被及時掌握和響應，導致項目的執(zhí)行產生偏差。同時，施工階段產生的數據有時往往難以應用于運行維護階段，數據信息的傳遞出現(xiàn)割裂。

3） 數據的準確性問題

根據工程的施工進展，業(yè)主會依據階段性完成成果進行驗工計價，傳統(tǒng)的計價統(tǒng)計方法都是根據實際發(fā)生量，人工測算工程物料及人員消耗來計算費用額。這種模式的問題是費用統(tǒng)計數據量大，統(tǒng)計復雜，數據容易出錯。

4）數據的更新問題

傳統(tǒng)工程實施中的變更是不可避免的，有些是由于設計問題引起的，有些是由于施工組織設計不合理引起的，還有些是由于甲方要求引起的。這些變更后的數據有的需要由設計方提出并傳遞給施工單位，有的需要施工單位提供給設計方。傳統(tǒng)施工管理模式存在數據更新不及時或更新不到位情況，導致最終的施工結果與設計不完全一致。

5）數據的保存及復用問題

工程施工完成時需要編制竣工文檔，這些文檔主要是紙質文檔，即使是二維的電子檔案，施工結束后也存在檔案館無法利用，未能發(fā)揮數據的復用價值。

3.3 利用BIM技術可解決的問題

施工階段利用BIM技術可以加強對施工的管理，通過建立BIM施工模型，即將建設的構筑物及其施工現(xiàn)場的三維模型與施工進度鏈接，并與施工資源、安全質量、場地布置、成本變化等各類數據信息集成一體，實現(xiàn)基于BIM的施工進度、人力、材料、設備、成本、安全、質量、場地布置等的動態(tài)集成管理及施工過程可視化模擬，以改善傳統(tǒng)施工管理流程，提高施工質量和效率，保障施工安全，節(jié)約工程投資。

在施工階段，利用BIM技術主要解決的數據應用問題有：

1）數據的集成管理

利用BIM技術可以讓不同參與方人員根據其角色權限獲取所需信息，保證了數據傳遞的一致性和及時性，如圖5所示。

圖5 數據的集成管理Fig.5 Integrated management of data

2） 數據的準確性

施工過程中在BIM模型基礎上關聯(lián)造價信息數據庫，通過制定計算規(guī)則自動計算構件實體的工程量，經過匯總統(tǒng)計得到工程量清單。工程量清單還會根據施工變更、工期變化自動更新數據，簡化了造價工程師的勞動強度，提升了數據統(tǒng)計的準確性。

3） 數據管理效率

借助于BIM施工模型的構件級粒度可以快速提供支撐項目各類管理工作所需的數據，有效提升了施工管理效率。

4） 數據的可視化

建筑信息模型就是在傳統(tǒng)表達的基礎上，利用可視化手段實現(xiàn)了3D圖形+數據的集成，解決了原有施工管理中數據不可見、不直觀、不易理解的問題。通過可視化手段，如4D進度模擬、5D費用模擬、專項方案論證、設計交底等，可以讓施工及管理人員快速理解設計意圖，準確掌握設計對象信息，保障了工程施工的質量。

5） 數據的傳遞和復用

BIM模型可以包含工程全生命期數據，施工階段所產生的與BIM模型關聯(lián)的各類數據可以順暢、無損地傳遞到項目的運維階段，保證了數據的延續(xù)性。同時，這些保存在企業(yè)數據庫中的數字化資產方便了后期的查詢及重用，并隨著工程項目應用的積累，還可作為大數據分析及應用的基礎，為企業(yè)創(chuàng)造新的利潤增長點。

6）數據的協(xié)同管理

施工過程中產生的各類數據通過BIM統(tǒng)一的數據平臺進行管理，保證了傳遞路徑的唯一性。同時，各參與方根據權限及需求向平臺中提供或獲取自己所需的數據資料，保證了不同參與方獲取數據的一致性和協(xié)調性。

4 BIM數據信息交換格式及分類

工程項目實施過程中，不同項目參與方在項目的方案、施工圖設計、施工、運維管理等不同實施階段對數據信息交換格式和內容都有不同要求[6]。經過搜集分析，現(xiàn)階段水運工程領域對信息交換的主要信息格式和內容要求如下。

4.1 數據交換的格式要求

隨著BIM技術的應用，在項目實施的過程中，不同的階段傳遞不同的數據信息，這些數據中既有原有傳統(tǒng)的數據格式，也有基于BIM技術的數據格式，如Autodesk公司的.dwg、.rvt數據格式，Bentley公司開發(fā)的支持其MicroStation系列產品的.dgn格式，還有其它一些常規(guī)數據格式，如.doc、.xlsx等，具體的數據文件格式一般要求如表1所示。

表1 數據文件格式一般要求Table 1 General requirement about data file format

4.2 數據交換的信息要求

針對不同BIM應用項目在執(zhí)行過程中有不同的數據要求，如數值分析模擬、施工進度模擬，完成并提交的是三維模型數據。而作為設計方提交給業(yè)主及施工單位的設計成果數據，現(xiàn)階段則主要是以二維平面圖為主，三維設計模型作為圖紙的有力補充，為施工方提供了更加直觀、有效的應用管理支撐。

為了保證項目實施過程中數據能夠高效、準確地進行管理，需要在項目執(zhí)行前對各類工程應用所產生的數據信息交換要求進行預定義。表2節(jié)選了部分BIM應用所遵從的一般數據交換格式要求。

表2 BIM應用所遵從的數據交換格式Table 2 Data exchange format required by BIM application

4.3 數據信息分類及結構分解

水運工程信息模型采用面分法進行分類，主要有按建筑物功能分類、按工程項目分類、按建設階段分類、按專業(yè)分類、按成果分類、按人員分類、按工程構件分類等。表3節(jié)選了水運工程建筑物功能分類。表4節(jié)選了水運工程構件分類。

表3 水運工程建筑物功能分類Table 3 Functional classification by waterway infrastructure

表4 水運工程構件分類Table 4 Component classification by waterway infrastruc ture

5 結語

本文對傳統(tǒng)工程項目的實施與基于BIM技術的工程項目應用進行了比較分析，提出了BIM數據信息交換格式及分類?？梢园l(fā)現(xiàn)，BIM技術已經在水運基礎設施建設的設計、施工階段得到了應用，對提升設計質量、實現(xiàn)工程建設項目精細化、集約化管理，推動信息化建設和提升項目綜合管理效率方面，發(fā)揮著巨大的作用。在此基礎上，有必要盡快開展水運基礎設施IFC國際標準的研究工作，以填補IFC國際標準在水運基礎設施領域的空白。

[1] BSI.PAS 1192-2:2013,Specification for information management for the capital/delivery phase of construction projects using building information modelling[S].

[2] BSI.PAS 1192-3:2014,Specification for information management for the operational phase of assets using building information modelling[S].

[3] BSI.BS 1192-4:2014,Collaborative production of information[S].

[4]BSI.B/555 Roadmap[R].UK:BSI,2015.

[5] National BIM Standard-United StatesTMVersion 2[S].

[6] CHUCK E,PAUL T,RAFAEL S,et al.BIM handbook:a guide to building information modeling for owners,managers,designers,engineers,and contractors[M].USA:John Wiley&Sons,Inc.,2011.

Requirement analysis on data standardization for BIM based design and construction for waterway infrastructure

QIAN Li1,LI Hai-jiang2,JIANG Shao-hua3
（1.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.School of Engineering of Cardiff University,Cardiff,Wales CF24 3AA,UK;3.School of Construction Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China）

We analyzed the requirements for data standardization for BIM based design and construction for waterway infrastructure.Based on the comparison between the traditional and BIM based projects,focusing on data transfer and work flow,application issues and key points that BIM can help,we concluded basic requirements of data format,technology utilization,classification system and identification for BIM information exchange of waterway infrastructure,and proposed some suggestions for international open IFC standards development in waterway infrastructure.

waterway engineering;infrastructure building information modeling;BIM data standard;requirement analysis

U69

A

2095-7874（2017）10-0006-07

10.7640/zggwjs201710002

2017-08-03

2017-09-06

錢麗（1964— ），女，遼寧營口人，高級工程師，從事港口及航道工程的規(guī)劃、設計、標準制訂、科研等工作。

E-mail：qianli@ccccltd.cn