史海歐，袁 泉，張耘琳，曾文驅(qū)，鄭 慶，丁國富

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州510010；2.西南交通大學機械工程學院，四川成都610031）

我國正處于城市軌道交通急速、全面發(fā)展的新時期[1].城市軌道交通工程是一項復雜而龐大的系統(tǒng)工程，它涉及巖土、建筑、結(jié)構(gòu)、機電設備、通信、信號、車輛、軌道等30多個專業(yè)的高度集成，涉及專業(yè)多、交叉接口繁多，接口復雜，參與設計、技術(shù)管理的人員眾多，工程協(xié)調(diào)難度大[2].目前，城市軌道交通工程主要采用2D設計，本專業(yè)設計完成以后，將2D圖紙、設計報告等文檔交付給其他專業(yè).這種設計方式存在設計變更多、變更難發(fā)現(xiàn)、協(xié)同效率低等問題.

建筑信息模型（building information modeling，BIM）是一種以3D數(shù)字技術(shù)為基礎的，集建設工程設計、施工、管理為一體的新方法.隨著數(shù)字化、信息化的不斷發(fā)展，BIM逐漸應用到軌道交通領(lǐng)域[3].城市軌道交通設計過程中，不同專業(yè)使用多種設計建模與分析軟件，例如 Revit、Bentley、AutoCAD、ArchiCAD、Robot、DIALUX等，各軟件數(shù)據(jù)格式不一致，無法直接進行交互，造成了信息冗余、一致性差、數(shù)據(jù)重復利用難度大等問題[4].而且目前的3D設計方式主要是基于2D圖紙的3D翻模，并沒有實現(xiàn)真正的3D正向設計.

協(xié)同設計在產(chǎn)品制造領(lǐng)域得到廣泛應用[5-6]，為解決上述問題，專家學者嘗試將協(xié)同設計的理念和思路應用到城市軌道交通設計中，以BIM技術(shù)為基礎，研究了城市軌道交通的協(xié)同設計模式、設計方法和協(xié)同平臺等內(nèi)容.Liu等[7]通過實例分析、訪談等方法，研究了BIM技術(shù)在協(xié)同設計中的積極作用.王巧雯等[8]探索構(gòu)建了BIM一體化多專業(yè)協(xié)同設計流程框架.為提高協(xié)同設計過程信息流和BIM可交付成果的效率和一致性，Kassem等[9]研究可在整個供應鏈的項目級別使用的BIM協(xié)同設計協(xié)議.王勇等[10]從設計管理的角度出發(fā)，研究提出了協(xié)同設計中的BIM模型管理機制.楊新等[11]研究了以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫+模型圖紙文件管理器為核心的“數(shù)模分離”式BIM正向設計平臺的架構(gòu)，實現(xiàn)一體化設計與管理.通過將設計師設計建筑模型的過程映射為游戲過程，Edwards等[12]實現(xiàn)多用戶協(xié)作和交互式設計.OH等[13]研究提出了基于功能集成、信息管理和過程支持的BIM協(xié)同設計系統(tǒng).Zada等[14]開發(fā)協(xié)作BIM平臺以解決將對象版本控制和IFC模型進行集成的挑戰(zhàn).El-Diraby等[15]通過構(gòu)建基于BIM的網(wǎng)絡協(xié)同設計平臺，讓設計人員和終端用戶同時參與設計過程中，以更好地滿足設計需求.

目前，基于BIM的協(xié)同設計大多是基于設計文件和3D模型的協(xié)同，并沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)級的協(xié)同，難以在多軟件、多平臺之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和協(xié)同設計，導致數(shù)據(jù)交互困難、協(xié)同效率低等.本文在分析城市軌道交通多專業(yè)協(xié)同設計模式的基礎上，通過協(xié)同設計平臺解析模型，基于IFC（industry foundation class）標準實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取，便于數(shù)據(jù)在多軟件之間交互和流通，研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的多專業(yè)正向協(xié)同設計方法.

1 城市軌道交通正向協(xié)同設計模式

城市軌道交通有30多個專業(yè)參與3D設計，各專業(yè)相互協(xié)同完成建模.在使用Revit軟件進行3D設計時，由項目設計總體部門創(chuàng)建設計中心文件，其他專業(yè)在中心文件的基礎上完成設計內(nèi)容.一般由建筑專業(yè)開始，完成建模以后開放給工點內(nèi)部專業(yè)，包括給排水、通風空調(diào)、供電系統(tǒng)等，各專業(yè)在建筑模型的基礎之上完成建模后，反饋給建筑專業(yè)確認，如此反復修改直至各專業(yè)全部完成.工點內(nèi)部專業(yè)設計完成以后，向系統(tǒng)各專業(yè)同時開放設計模型，包括通信、信號、屏蔽門、電梯等專業(yè)，各專業(yè)在此基礎上完成本專業(yè)設計建模，再反饋到建筑專業(yè)確認，形成設計模型.

傳統(tǒng)的設計方式存在設計交互滯后、設計變更多、協(xié)同效率低等不足.因此，本文提出了基于模型交互和數(shù)據(jù)驅(qū)動的多專業(yè)正向協(xié)同設計技術(shù)，該技術(shù)的總體框架如圖1所示.

圖1 多專業(yè)正向協(xié)同設計技術(shù)框架Fig.1 Technology framework of multi-discipline forward collaborative design

步驟1 項目總體根據(jù)技術(shù)需求制定工程設計技術(shù)要求，形成項目總體設計規(guī)劃和設計流程圖.

步驟2 各專業(yè)根據(jù)技術(shù)要求開始工程設計，創(chuàng)建專業(yè)3D模型，將模型同步到協(xié)同設計平臺.

步驟3 平臺解析3D模型，將模型重構(gòu)形成結(jié)構(gòu)樹.其他專業(yè)在設計過程中訪問協(xié)同設計平臺，提取需要交互的構(gòu)件模型和設計參數(shù).

步驟4 各專業(yè)將設計結(jié)果同步到平臺，平臺將設計參數(shù)推送給各交互專業(yè)，當全部確認以后，協(xié)同過程結(jié)束，否則繼續(xù)修改交互構(gòu)件的設計參數(shù).

根據(jù)以上協(xié)同技術(shù)框架，首先需要對同步到協(xié)同設計平臺的3D模型進行解析和重構(gòu)，然后基于數(shù)據(jù)提取和消息推送實現(xiàn)多專業(yè)正向協(xié)同設計.

2 基于結(jié)構(gòu)樹的7D BIM解析與表達

建筑行業(yè)常用5D BIM，包括3D、時間維和成本維[16].傳統(tǒng)建筑行業(yè)涉及的專業(yè)較少，主要包括建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、通風空調(diào)、供電等.城市軌道交通包括30多個專業(yè)，每個專業(yè)包含大量的子系統(tǒng)和構(gòu)件，現(xiàn)有的5D BIM難以有效地表達城市軌道交通.本文在原有5D的基礎之上，增加專業(yè)維和構(gòu)件組成維形成7D BIM，便于模型的結(jié)構(gòu)化、層次化表達，更加細粒度地體現(xiàn)城市軌道交通所包含的內(nèi)容，7D BIM 表達如式（1）所示.

式中：S為構(gòu)件所屬的專業(yè)；D為最小粒度構(gòu)件所包含的屬性參數(shù)；C為成本信息；T為生命周期；X、Y、Z為幾何3D信息.

IFC是國際通用的基礎工業(yè)類統(tǒng)一表達規(guī)范，可以在不同設計軟件之間進行數(shù)據(jù)交互.IFC標準通過IfcRoot逐級派生實體，完成對構(gòu)件實體及屬性的表達[17].在模型解析時，基于IFC表達規(guī)則可以恢復模型的3D結(jié)構(gòu)及其屬性信息.本文采用IFC表達3D模型.

城市軌道交通模型中包含大量構(gòu)件，難以快速找到特定構(gòu)件，嚴重影響協(xié)同設計效率.本文提出的7D BIM從最小的構(gòu)件粒度表達城市軌道交通全生命周期的所有信息.為了便于多用戶協(xié)同交互，采用結(jié)構(gòu)樹的形式表現(xiàn)7D BIM，如圖2所示.

圖2（a）為5層級結(jié)構(gòu)樹：線路、建模對象、專業(yè)、子系統(tǒng)和構(gòu)件，表達7D BIM的專業(yè)和構(gòu)件組成，圖2（b）為3層級結(jié)構(gòu)樹：構(gòu)件、屬性分類和參數(shù)，表達7D BIM的3D幾何、全生命周期屬性和成本信息.

在協(xié)同設計過程中，各專業(yè)訪問協(xié)同設計平臺，通過線路、建模對象（車站、區(qū)間、停車場/車輛段、控制中心/主變電站）、專業(yè)、子系統(tǒng)所組成的結(jié)構(gòu)樹，快速查找到構(gòu)件，獲取該構(gòu)件的全生命周期所有屬性信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享.

圖2 7D BIM 結(jié)構(gòu)樹表達Fig.2 7D BIM expressed as structure tree

3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向協(xié)同設計技術(shù)

基于協(xié)同設計平臺實現(xiàn)各專業(yè)之間的設計協(xié)同.將專業(yè)間的交互協(xié)同關(guān)系定義到平臺中，某專業(yè)設計模型的IFC文件同步到協(xié)同設計平臺后，平臺通知需要交互協(xié)同的其他專業(yè).其他專業(yè)收到消息，訪問平臺并查看模型及屬性信息，將需要交互的構(gòu)件及屬性提取到本地，支撐本專業(yè)的設計，實現(xiàn)多專業(yè)之間的協(xié)同，形成3D設計模型.

選取A、B兩個專業(yè)，描述基于7D BIM交互的數(shù)據(jù)驅(qū)動協(xié)同設計過程，如圖3：專業(yè)A完成建模后將模型同步到協(xié)同設計平臺，平臺解析模型，生成如圖2所示的結(jié)構(gòu)樹，表達該專業(yè)構(gòu)件及設計屬性；專業(yè)B設計過程中需要與專業(yè)A協(xié)同，平臺將專業(yè)A模型上傳的消息通知專業(yè)B設計人員，專業(yè)B設計人員在平臺上查看專業(yè)A模型結(jié)構(gòu)樹，查找需要交互的構(gòu)件，獲取該構(gòu)件的模型和數(shù)據(jù)，以此為參考在本地3D設計軟件中完成專業(yè)B建模，并同步到協(xié)同設計平臺；專業(yè)A接收到消息后查看與專業(yè)B交互的構(gòu)件，確認設計參數(shù)是否符合要求，并重新設計被提取構(gòu)件的參數(shù)，修改后再同步到平臺，供專業(yè)B參考.如此反復，直到滿足兩個專業(yè)的設計要求為止.

圖3 多專業(yè)正向協(xié)同設計過程Fig.3 Multi-discipline forward collaborative design process

多專業(yè)正向協(xié)同設計的詳細步驟如下：

步驟1 模型解析與重構(gòu)

專業(yè)A在本地3D設計軟件中進行設計建模，將模型IFC文件同步至協(xié)同設計平臺.平臺解析模型所包含的構(gòu)件，生成項目結(jié)構(gòu)樹.解析構(gòu)件的屬性，將各類型屬性參數(shù)采用結(jié)構(gòu)樹的方式表達.設計階段只有幾何信息和設計屬性.其中構(gòu)件M共包含4 個設計參數(shù)：M={A1,A2,A3,A4}.

步驟2 數(shù)據(jù)提取與構(gòu)件設計

專業(yè)B在設計本專業(yè)的構(gòu)件N時需要參考專業(yè)A中構(gòu)件M的設計參數(shù).專業(yè)B接收到平臺消息后，通過協(xié)同設計平臺查看專業(yè)A的模型，從模型結(jié)構(gòu)樹中找到構(gòu)件M，并向平臺發(fā)送請求：提取專業(yè)A的構(gòu)件M，用于專業(yè)B構(gòu)件N的設計.平臺審核通過以后，將構(gòu)件M的模型及設計參數(shù)、、、，以 IFC文件和數(shù)據(jù)表的形式導出，其中IFC文件用于表達構(gòu)件M的3D形狀，數(shù)據(jù)表用于保存設計參數(shù).專業(yè)B在本地3D軟件中完成構(gòu)件N 的設計：N={B1,B2,B3}.

步驟3 協(xié)同構(gòu)件參數(shù)調(diào)整

當專業(yè)B提取專業(yè)A構(gòu)件M的模型及設計參數(shù)時，協(xié)同設計平臺以消息的方式通知專業(yè)A：構(gòu)件M被專業(yè)B提取，用于構(gòu)件N的設計.當專業(yè)B完成設計并將模型同步到協(xié)同設計平臺后，平臺會再次給專業(yè)A發(fā)送消息：專業(yè)B已經(jīng)完成構(gòu)件N 的設計.同時將構(gòu)件 N 及其設計參數(shù)、、發(fā)送給專業(yè)A，專業(yè)A根據(jù)交互構(gòu)件的設計參數(shù)，判斷構(gòu)件M設計參數(shù)是否需要修改，如果需要，則重新設計構(gòu)件M的參數(shù)并將修改后的模型及參數(shù)同步到平臺.平臺對比分析兩個版本的模型，標記已經(jīng)修改的設計參數(shù)，發(fā)送消息“專業(yè)A構(gòu)件M設計參數(shù)已經(jīng)修改”給專業(yè)B.

專業(yè)B通過協(xié)同設計平臺查看修改后構(gòu)件M的設計參數(shù)，判斷構(gòu)件N的設計參數(shù)是否需要修改，如果需要，則按照上述步驟修改.

步驟4 確認設計參數(shù)，完成協(xié)同設計

專業(yè)A和專業(yè)B按照步驟3的方式反復確認構(gòu)件M和構(gòu)件N的設計參數(shù)，直到設計參數(shù)全部不再修改，則完成正向協(xié)同設計.通過該協(xié)同設計方法，建立各專業(yè)的3D設計模型.

4 實現(xiàn)案例

本文選取某地鐵站環(huán)控電控室設計為例，詳細介紹基于BIM交互與數(shù)據(jù)驅(qū)動的多專業(yè)正向協(xié)同設計過程，案例如圖4所示.

環(huán)控電控室設計由建筑、結(jié)構(gòu)、供電、通風空調(diào)4個專業(yè)協(xié)同完成.首先由建筑專業(yè)開始3D設計，在本地創(chuàng)建設計模型后同步到協(xié)同設計平臺.平臺解析建筑模型IFC文件，如圖4（a）所示.環(huán)控電控室面積可容納供電設備數(shù)量，包含兩道設備門，型號分別為GFM1021和GFM1221，其中設備門GFM1221的設計參如下：

高度：a1=2100mm；

寬度：b1=1200mm；

厚度：c1=40mm；

熱阻： θ1=0.2701m2?K/W；

材料：金屬（鋼）.

結(jié)構(gòu)專業(yè)收到建筑模型上傳消息后，訪問平臺提取環(huán)控電控室模型，在本地3D設計軟件中完成構(gòu)造柱設計和頂板設計，確定拉結(jié)筋結(jié)構(gòu)位置.并將模型同步到平臺，如圖4（b）所示.

供電專業(yè)收到建筑模型上傳消息后，訪問平臺提取環(huán)控電控室建筑模型，在本地3D設計軟件中設計供電設備，數(shù)量含備用設備2臺，每臺的尺寸參數(shù)為高度長度如圖 4（c）所示.同時通風空調(diào)專業(yè)提取環(huán)控電控室模型，完成通風管道設計.

供電專業(yè)和通風空調(diào)專業(yè)將設計模型同步至協(xié)同設計平臺，平臺將供電設備參數(shù)發(fā)送建筑專業(yè)設計人員.建筑專業(yè)根據(jù)檢修及搬運供電設備需要，將設備門GFM1221修改為GFM1527，修改后的設計參數(shù)如下：

厚度：c1=40mm；

熱阻： θ1=0.2701m2?K/W；

根據(jù)設計標準規(guī)范，設備距離墻體需要滿足檢修通道寬度需求，然而目前設備與墻體之間的距離不能滿足需求.為了滿足設備于墻體之間的檢修通道距離，重新調(diào)整環(huán)控電控室的面積如圖4（d）所示.同時結(jié)構(gòu)專業(yè)重新設計電控室的構(gòu)造柱、頂板和拉結(jié)筋.

建筑專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)完成設計后將模型同步到協(xié)同設計平臺，供電專業(yè)確認模型，通風空調(diào)專業(yè)重新設計風口，增加了排煙功能，完成后的環(huán)控電控室模型如圖4（e）所示.

通過基于模型交互和數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向協(xié)同設計，不僅得到優(yōu)化的設計方案，而且減少設計變更、提高協(xié)同設計效率.

圖4 環(huán)控電控室正向協(xié)同設計Fig.4 Collaborative design of central electronical control room

5 結(jié) 論

數(shù)據(jù)驅(qū)動模式下的協(xié)同設計已經(jīng)成為復雜產(chǎn)品智能制造技術(shù)的一項關(guān)鍵技術(shù)，然而在城市軌道交通領(lǐng)域并沒有得到有效應用.針對目前城市軌道交通設計過程中多專業(yè)間協(xié)同效率低、數(shù)據(jù)交互難等問題，本文研究基于BIM交互與數(shù)據(jù)驅(qū)動的城市軌道交通多專業(yè)正向協(xié)同設計模式.協(xié)同設計平臺是各專業(yè)進行模型交互、支持協(xié)同設計過程的載體；在5D BIM的基礎上增加專業(yè)維和構(gòu)件組成維，構(gòu)建了7D BIM；采用國際通用的IFC標準表達BIM并解析形成模型結(jié)構(gòu)樹；提出了多專業(yè)正向協(xié)同設計技術(shù)，各專業(yè)通過訪問協(xié)同設計平臺提取模型和數(shù)據(jù)，并基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和消息通知實現(xiàn)協(xié)同設計，減少設計更改、提高協(xié)同設計效率.本文提出的多專業(yè)正向協(xié)同設計技術(shù)對于BIM技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的應用具有重要意義.