農(nóng)興中 ,史海歐 ,袁 泉 ,曾文驅(qū) ,鄭 慶 ,丁國(guó)富
(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510010;2.西南交通大學(xué)先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所,四川 成都 610031)
研究人員、工程人員等對(duì)BIM(building information modeling)[1]有不同的理解,總體來(lái)說(shuō),BIM 不是狹義的三維建模技術(shù),而是由相關(guān)理論、方法、技術(shù)、平臺(tái)和軟件支撐的、基于先進(jìn)管理理念和模式而發(fā)展形成的技術(shù)體系.BIM技術(shù)以建筑工程為對(duì)象,充分吸納IT、軟件、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、CAD(computer aided design)、圖形學(xué)等先進(jìn)的信息技術(shù),深度融合到建筑工程的全生命周期,以減少重復(fù)工作,解決工程中高復(fù)雜度的數(shù)據(jù)交換、業(yè)務(wù)與管理協(xié)同等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)高效率、低成本、高質(zhì)量完成工程項(xiàng)目[2-4].
建筑工程是復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及政府、業(yè)主、設(shè)計(jì)、咨詢、施工、監(jiān)理、運(yùn)營(yíng)等多參與方.BIM技術(shù)具有可視化、一體化、參數(shù)化、可仿真優(yōu)化、可協(xié)同交互等優(yōu)勢(shì),能有效減少工程中設(shè)計(jì)師的全空間思維導(dǎo)致的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,減少建造單位成本難控制、質(zhì)量難提升的煩惱,解決全過(guò)程造價(jià)難控制的痛點(diǎn),降低施工單位不能所見(jiàn)即能施工的麻煩,克服運(yùn)維單位難以長(zhǎng)時(shí)間、大范圍維護(hù)等問(wèn)題,因此,BIM逐漸成為建筑工程必然實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù),并逐漸形成諸多標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[5-6].
城市軌道交通工程是典型的復(fù)雜建筑工程,采用先進(jìn)的BIM技術(shù)可提高工程全生命周期各階段、各專業(yè)間以及專業(yè)內(nèi)部的協(xié)同與管理,降低重復(fù)、返工、協(xié)調(diào)等成本,提高建造效率[7].因此,在城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用BIM技術(shù)具有非常重大意義.
為了更有效地實(shí)施城市軌道交通工程的信息化,本文論述城市軌道交通工程建造領(lǐng)域的復(fù)雜性,歸納城市軌道交通工程中BIM研究與實(shí)施的類型和特點(diǎn),分析和展望BIM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).
城市軌道交通建造工程是一項(xiàng)多專業(yè)、多角色在多約束、長(zhǎng)周期、大投入下建造的復(fù)雜系統(tǒng)工程.城市軌道交通工程涉及40多個(gè)專業(yè),包括:運(yùn)營(yíng)組織、車輛、限界、線路、軌道、車站建筑、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)空調(diào)、給排水及消防、供電、通信、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、站臺(tái)門,等等.例如,車站以建筑和結(jié)構(gòu)為主體,還包括通風(fēng)空調(diào)、給排水及消防、供電等相關(guān)專業(yè);區(qū)間以隧道/橋梁/路基為主體,還包括軌道、疏散平臺(tái)、通信、信號(hào)等相關(guān)專業(yè),如圖1所示.
圖1 城市軌道交通各專業(yè)及組成Fig.1 Majors and components of urban rail transit
城市軌道交通工程可以分為規(guī)劃、可行性研究、總體設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、拆除等階段,其中建造階段長(zhǎng)達(dá)5~7年,運(yùn)維階段可達(dá)百年之久,且所有重要的信息都將在該階段保留;每個(gè)階段都有來(lái)自40多個(gè)專業(yè)及其他相關(guān)人員的參與、交流和協(xié)調(diào),工作量巨大;工程投資規(guī)模極大,達(dá)人民幣100億元以上,還包括大量的無(wú)形資產(chǎn);工程風(fēng)險(xiǎn)巨大,涉及到整個(gè)城市的交通安全.這些特征給城市軌道交通工程建造帶來(lái)進(jìn)度、質(zhì)量、安全、環(huán)保、投資等多方面挑戰(zhàn)[8].
城市軌道交通工程的參與單位之間、建造階段之間、專業(yè)系統(tǒng)之間不斷交互協(xié)作,形成城市軌道交通工程的接口[9].從各個(gè)專業(yè)交互、協(xié)同的頻率來(lái)分析:假設(shè)有41個(gè)專業(yè)、包含7個(gè)階段,若每個(gè)專業(yè)在每個(gè)周期平均存儲(chǔ)10個(gè)文檔,則需要檢索的總文檔為2870個(gè);若每個(gè)專業(yè)在每個(gè)階段有20人工作,每個(gè)專業(yè)每人平均提取資料5個(gè),則總共需要互相提取資料的次數(shù)為5600次;總共提取資料個(gè)數(shù)為28000個(gè),平均每個(gè)文檔被提次數(shù)約為10次.此外,各階段的專業(yè)人員在業(yè)務(wù)過(guò)程中還需要大量的信息交流.因此,急需一個(gè)用于城市軌道交通工程信息溝通的平臺(tái).
BIM技術(shù)是目前解決類似復(fù)雜工程問(wèn)題的最有效途徑之一,可以提高項(xiàng)目安全性,控制設(shè)計(jì)、建造與運(yùn)維質(zhì)量,共享各階段模型與信息,幫助各專業(yè)快捷溝通和協(xié)調(diào),在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)資源共享.
因此,城市軌道交通作為工程建造項(xiàng)目的典型領(lǐng)域,其復(fù)雜度、系統(tǒng)性很強(qiáng),對(duì)BIM的依賴性更高,急需基于BIM的一體化平臺(tái)開(kāi)展全信息化的共享式管理,幫助提升建造質(zhì)量、確保建造安全,加快建造進(jìn)度,降低建造成本,規(guī)范建造過(guò)程[10-11].
2.1.1 工程信息化模型的規(guī)范化表達(dá)
由于工程的復(fù)雜性和多角色、多專業(yè)性,涉及大量的交互和共享,數(shù)據(jù)交換和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)變得非常重要.IFC(industry foundation class)是國(guó)際通用的基礎(chǔ)工業(yè)類統(tǒng)一表達(dá)規(guī)范,可較為完善地描述建筑工程各專業(yè)信息[12],成為國(guó)際建筑業(yè)數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)在不同設(shè)計(jì)軟件之間的數(shù)據(jù)交互.IFC標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)IfcRoot逐級(jí)派生實(shí)體,完成對(duì)構(gòu)件實(shí)體及屬性的表達(dá)[13].在IFC規(guī)范化表達(dá)的基礎(chǔ)上,可以通過(guò)半自動(dòng)的方式生成BIM,擴(kuò)展BIM表達(dá)的范圍,實(shí)現(xiàn)BIM的合并、提取等[14].
IFC作為一種規(guī)范化的表達(dá)方式,能夠轉(zhuǎn)化為其他數(shù)據(jù)格式,用于BIM的仿真和分析.通過(guò)建立IFC 與 gbXML(green building extensible markup language)標(biāo)準(zhǔn)之間的映射關(guān)系,實(shí)現(xiàn)綠色性能分析數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與共享[15];建立IFC與RIM(railway engineering 3D information model)語(yǔ)義之間的映射關(guān)系,采用快速網(wǎng)格化算法將其轉(zhuǎn)換為GIS需要的Mesh數(shù)據(jù)[16].
2.1.2 三維 CAD 技術(shù)
CAD技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)及圖形學(xué)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),在建筑領(lǐng)域得到快速應(yīng)用,出現(xiàn)了 Revit、Bentley、ArchiCAD、魯班、廣聯(lián)達(dá)等成熟的三維設(shè)計(jì)軟件,能夠快速三維建模和出圖.目前的研究主要集中在兩方面:
1)面向不同領(lǐng)域的應(yīng)用探索.采用三維CAD技術(shù)完成各專業(yè)的設(shè)計(jì),例如城市規(guī)劃、站臺(tái)門設(shè)計(jì)、車輛空調(diào)設(shè)計(jì)、樓梯設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)、線路規(guī)劃等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)應(yīng)用[17].
2)CAD軟件二次開(kāi)發(fā).通過(guò)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、分析插件,與三維CAD軟件集成,以提高設(shè)計(jì)效率.例如,實(shí)時(shí)提取建筑構(gòu)件的幾何、屬性、關(guān)系等信息;面向特定設(shè)計(jì)對(duì)象、設(shè)計(jì)環(huán)境的設(shè)計(jì)輔助,如支吊架建模、軌行區(qū)建模插件;設(shè)計(jì)仿真分析,如碰撞檢查、管線綜合等[18].
2.1.3 基于圖形學(xué)的 BIM 輕量化
BIM包含的構(gòu)件數(shù)量多、幾何信息和屬性量大,模型打開(kāi)耗時(shí)長(zhǎng)、瀏覽不暢,模型交互體驗(yàn)差.模型輕量化是BIM應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.
BIM交付標(biāo)準(zhǔn)中一般規(guī)定了模型的精度等級(jí),精度等級(jí)越高包含的信息越多.在模型顯示和交互時(shí),通過(guò)降低精度等級(jí)的方式可以實(shí)現(xiàn)模型輕量化.面向設(shè)計(jì)平臺(tái)的BIM輕量化處理技術(shù)包括:部件刪減、部件合并、部件減面、Engineering IP Control 輕量化模塊、導(dǎo)出用于復(fù)核的3DXML、分區(qū)域分專業(yè)建模等[19].面向Web瀏覽器的輕量化技術(shù)包括:WebGL(Web graphics library)輕量化、基于 glTF(GL transmission forma)格式的輕量化、“數(shù)據(jù)網(wǎng)格劃分與重組-幾何數(shù)據(jù)壓縮”輕量化、基于Web3D的BIM輕量化等[20].
2.1.4 工程設(shè)計(jì)理論及方法
建筑領(lǐng)域工程設(shè)計(jì)一般采用串行設(shè)計(jì)方法,存在設(shè)計(jì)交互滯后、設(shè)計(jì)變更多、協(xié)同效率低等不足.近年來(lái),產(chǎn)品制造領(lǐng)域常用的協(xié)同設(shè)計(jì)被應(yīng)用到城市軌道交通設(shè)計(jì)中,以BIM技術(shù)為基礎(chǔ),城市軌道交通的協(xié)同設(shè)計(jì)模式、設(shè)計(jì)方法和協(xié)同平臺(tái)等內(nèi)容得到了初步研究,構(gòu)建了BIM一體化多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)流程框架[21],提出了基于模型交互和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多專業(yè)正向協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù).
基于協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的各專業(yè)之間的設(shè)計(jì)協(xié)同基本流程如下:將專業(yè)間的交互協(xié)同關(guān)系定義到平臺(tái)中;某專業(yè)設(shè)計(jì)模型的IFC文件同步到協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)后,平臺(tái)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(wèn)平臺(tái)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(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)多專業(yè)之間的協(xié)同[22].
2.1.5 工程 CAE 技術(shù)
建筑三維設(shè)計(jì)完成以后,采用CAE(computer aided engineering)技術(shù)對(duì)三維模型進(jìn)行仿真分析,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中的問(wèn)題,進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,對(duì)于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率具有重要意義.
根據(jù)建筑工程的特點(diǎn),學(xué)者從多個(gè)維度建立CAE仿真模型,如:建筑強(qiáng)度、能耗分析,基于多智能體仿真技術(shù)的裝配式建筑項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析,內(nèi)環(huán)境空間結(jié)構(gòu)特征穩(wěn)定性評(píng)估與抗震能力分析,基于HOG(histogram of oriented gradient)特征的火災(zāi)煙霧顆粒物擴(kuò)散路徑分析,基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建筑工程項(xiàng)目資源配置建模與仿真,基于虛擬原型的建造過(guò)程、方法和行為仿真分析等[23].
2.1.6 工程數(shù)字化管理
工程數(shù)字化管理覆蓋設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維等全生命周期產(chǎn)生的海量文檔、模型、數(shù)據(jù)信息.在設(shè)計(jì)階段,基于協(xié)同設(shè)計(jì)思想建立BIM管理機(jī)制,形成以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)+模型圖紙文件管理器為核心的“數(shù)模分離”式BIM正向設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu),構(gòu)建基于BIM的多主體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),讓設(shè)計(jì)人員和用戶同時(shí)參與工程設(shè)計(jì)中,以更好地滿足設(shè)計(jì)需求[24-25].
在建造階段,以BIM為基礎(chǔ)集成項(xiàng)目的建造、安全、成本、質(zhì)量、進(jìn)度等數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理,實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程的管理、控制和評(píng)價(jià).
在運(yùn)維階段,采用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù),實(shí)時(shí)采集和分析工程運(yùn)營(yíng)過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù),進(jìn)行統(tǒng)一管理,為工程的維修維護(hù)提供支持.
2.2.1 面向建造的BIM工程
在城市軌道交通工程設(shè)計(jì)中,各專業(yè)使用的軟件工具不同,相互協(xié)調(diào)的方式主要局限于口頭約定或者標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.這使得設(shè)計(jì)模型相對(duì)獨(dú)立且不能有效整合,各專業(yè)在建造和運(yùn)維過(guò)程中因?yàn)樵O(shè)計(jì)而導(dǎo)致建造困難、成本增高等諸多問(wèn)題[18].為了解決上述問(wèn)題,企業(yè)成立專門的BIM部門,收集各專業(yè)的模型信息并進(jìn)行多專業(yè)或全專業(yè)的整合,基于三維模型進(jìn)行建造模擬,來(lái)分析各專業(yè)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題,找到設(shè)計(jì)缺陷、進(jìn)行設(shè)計(jì)修改.
企業(yè)信息部門或BIM實(shí)施部門由專門的BIM建模人員、信息人員或建造模擬人員組成,與設(shè)計(jì)部門分離.該部門人員對(duì)來(lái)自各個(gè)專業(yè)的二維圖紙翻模形成三維模型;將各專業(yè)的三維模型綜合,進(jìn)行可視化交互,實(shí)現(xiàn)深化設(shè)計(jì),從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷、模擬建造過(guò)程.然而,模型設(shè)計(jì)通過(guò)多個(gè)建模軟件綜合實(shí)現(xiàn),軟件之間的數(shù)據(jù)交互尚未打通,BIM不能共享和重用.因此,面向建造的BIM工程主要解決基于可施工性的深化設(shè)計(jì),實(shí)施過(guò)程如圖2所示.
圖2 面向建造的BIM工程Fig.2 Construction-oriented BIM engineering
2.2.2 面向協(xié)同設(shè)計(jì)和分析的BIM工程
在城市軌道交通工程建造過(guò)程中,參與方逐漸意識(shí)到各專業(yè)的協(xié)同問(wèn)題,尤其是涉及到建模的一致性、可重用性問(wèn)題,并嘗試在現(xiàn)有的商業(yè)軟件上找到整合的辦法.實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)和分析的核心是貫通工程的三維CAD與CAE模型.三維CAD軟件眾多,包括 Catia、Revit、Bentley、3D MAX 等;CAE更為廣泛,比如 ANSYS、PKPM、Delmia等.通過(guò)統(tǒng)一的模型在CAD與CAE的之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,避免模型不一致的問(wèn)題,形成基于CAD/CAE集成的協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真分析平臺(tái)[26].如圖3所示.
圖3 面向協(xié)同設(shè)計(jì)與分析的BIM工程Fig.3 Collaborative design and analysis-oriented BIM engineering
該方式采用三維模型實(shí)現(xiàn)專業(yè)之間和軟件之間數(shù)據(jù)的溝通、協(xié)調(diào)和共享,打通各專業(yè)或者多軟件工具的接口,實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì),減少設(shè)計(jì)反復(fù)、提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)成本.其本質(zhì)是基于三維設(shè)計(jì)的BIM工程.
2.2.3 基于商業(yè)軟件平臺(tái)的BIM系統(tǒng)實(shí)施工程
為解決模型共享和重用問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化協(xié)同,企業(yè)應(yīng)用中形成了基于平臺(tái)的BIM工程.現(xiàn)有的商業(yè)軟件平臺(tái)主要由軟件公司主導(dǎo),如廣聯(lián)達(dá)5D工具、歐特克的360、達(dá)索的Enovia等,通過(guò)集成工具軟件集,形成解決方案,建立基于BIM的研發(fā)平臺(tái).這些平臺(tái)在一定程度能夠系統(tǒng)性地管理模型,開(kāi)展協(xié)同工作,但系統(tǒng)開(kāi)放性不強(qiáng),在多專業(yè)協(xié)同等實(shí)際建造過(guò)程中操作難度大[27].
圖4是某工程項(xiàng)目的整體框架思路.該平臺(tái)采用達(dá)索系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)BIM工程,其中Catia用于三維設(shè)計(jì),Enovia用于項(xiàng)目、建造管理等,Delmia實(shí)現(xiàn)管線綜合、建造模擬、設(shè)備安裝等深化設(shè)計(jì),再輔助以Revit等其他商業(yè)軟件完成任務(wù).
圖4 基于商業(yè)平臺(tái)的BIM工程Fig.4 BIM engineering based on commercial platform
該方式的特點(diǎn):逐漸出現(xiàn)BIM共享的概念,且協(xié)同性強(qiáng),由于是同族或同宗軟件,模型交互容易,數(shù)據(jù)接口較順暢;但定制性弱,難以在類似工程應(yīng)用,模型的整體性難以完全體現(xiàn),基于時(shí)間維的完整性表現(xiàn)不強(qiáng),是前述模式的升級(jí)或者集成.
2.2.4 基于開(kāi)放式平臺(tái)的BIM工程
在歐特克、達(dá)索、廣聯(lián)達(dá)、魯班等設(shè)計(jì)、分析等軟件基礎(chǔ)之上,發(fā)展起來(lái)了很多BIM工程,但由于底層架構(gòu)難共享,BIM平臺(tái)發(fā)展受限.有研究者試圖基于IFC標(biāo)準(zhǔn),利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)搭建自主性強(qiáng)的BIM平臺(tái)[13,28].該方式從底層開(kāi)始搭建,可塑性、擴(kuò)展性強(qiáng),可以充分融合現(xiàn)有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù),形成具有競(jìng)爭(zhēng)力的開(kāi)放式BIM平臺(tái)系統(tǒng)[29-30].該模式具體的實(shí)施過(guò)程如圖5所示.
圖5 基于 IFC 的共享式 BIM 工程Fig.5 IFC-based shared BIM engineering
目前,針對(duì)BIM的開(kāi)源平臺(tái)尚處于探索階段,比較熱門的是BIM server,一個(gè)由BIM愛(ài)好者開(kāi)發(fā)的開(kāi)源 BIM 平臺(tái).該平臺(tái)基于 B/S(browser/server)架構(gòu),采用WebGL、JAVA、XML等計(jì)算機(jī)編程技術(shù),重點(diǎn)解決了IFC解析、BIM三維模型輕量化等問(wèn)題.但是在特定領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用時(shí),還需進(jìn)行深度開(kāi)發(fā).BIM server目前還處在發(fā)展期,距離工程應(yīng)用還有一段距離,但已經(jīng)表現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢(shì).
在解析IFC文件與前端輕量化顯示的基礎(chǔ)上,采用共享和B/S架構(gòu),可以搭建復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯,但如何與現(xiàn)有商業(yè)工具軟件結(jié)合和集成,如何表達(dá)更為廣泛意義的BIM還需要深入的研討和工程應(yīng)用.
除以上4種模式之外,還有其他的BIM應(yīng)用,如方案展示、虛擬漫游、建造模擬等,主要在建造工程的局部應(yīng)用三維模型,嚴(yán)格意義上不算BIM.
BIM技術(shù)的實(shí)施主要是解決城市軌道交通工程全生命周期、專業(yè)之間及專業(yè)內(nèi)部等一體化協(xié)同問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)建造工程高效管理,高質(zhì)量、低成本建造,但由于對(duì)BIM技術(shù)理解不夠,導(dǎo)致在BIM技術(shù)應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)形似而神不似的現(xiàn)狀[31],主要有下述3點(diǎn)體現(xiàn).
BIM是各專業(yè)交互、交流的模型基礎(chǔ),所有的專業(yè)或者角色都會(huì)在其上開(kāi)展工作,并理解和使用模型,因此最終提交給使用者的BIM必須按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范定義.目前國(guó)家、各級(jí)政府、各個(gè)設(shè)計(jì)院都根據(jù)行業(yè)和自身特點(diǎn)定義了BIM的交付標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了BIM建模的深度和廣度,包括專業(yè)、構(gòu)件、屬性、幾何、建模細(xì)節(jié)程度等,但各有特點(diǎn)、不能統(tǒng)一、通用性差.更為重要的是,難以貫穿到建筑信息化管理的全過(guò)程中,不能共享和重用.
在城市軌道交通工程建造領(lǐng)域,專業(yè)更多、接口復(fù)雜、周期更長(zhǎng)、信息量更大、參與角色更多等,使得BIM的交付規(guī)范性更難實(shí)現(xiàn).比如廣東省制定的《城市軌道交通建筑信息模型(BIM)建模與交付標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ/T 15-160—2019)[32],初步定義了各專業(yè) BIM建模內(nèi)容,給出了通用的表達(dá),但尚未規(guī)定建模細(xì)節(jié),信息化實(shí)施比較困難,如表1所示.
表1 廣東省BIM建模與交付標(biāo)準(zhǔn)(部分)Tab.1 BIM modeling and delivering standard for Guangdong province(part)
廣州地鐵設(shè)計(jì)院有限公司制定的《城市軌道交通BIM模型交付標(biāo)準(zhǔn)》[33]中,較為細(xì)致地表達(dá)出BIM所需要的信息,按照LOD(模型精度等級(jí))給定了細(xì)節(jié)層次,比較容易實(shí)施,但需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行細(xì)致的編碼,如表2所示.
表2 廣州地鐵BIM建模標(biāo)準(zhǔn)(部分)Tab.2 BIM modeling standard of Guangzhou Metro (part)
BIM技術(shù)主要在設(shè)計(jì)階段使用.目前,BIM技術(shù)正逐漸應(yīng)用在建造和運(yùn)維階段,然而現(xiàn)有的BIM都是階段性的,模型的一致性不夠,不能在全生命周期形成一致化表達(dá),給基于模型的全生命周期協(xié)同和數(shù)據(jù)管理帶來(lái)了巨大困難.因此,針對(duì)城市軌道交通工程的體量和工程規(guī)模巨大、模型共享使用和維護(hù)的時(shí)間周期漫長(zhǎng),大量專業(yè)、角色、單位訪問(wèn)的時(shí)間跨度大,如何深入拓展BIM的廣度和深度,使得表達(dá)的信息和數(shù)據(jù)完整規(guī)范、實(shí)時(shí)共享最新數(shù)據(jù)等,成為工程建造管理者面臨的困惑和挑戰(zhàn).
專業(yè)眾多,接口復(fù)雜,協(xié)調(diào)困難.城市軌道交通工程各專業(yè)之間交互協(xié)調(diào)時(shí),不僅需要提取設(shè)計(jì)和模型資料,還需要提取模型相關(guān)的信息.目前,專業(yè)之間缺乏有效的交互接口,很難從不同的專業(yè)使用的軟件中提取到所需要的模型和信息.
BIM和設(shè)計(jì)脫節(jié),關(guān)聯(lián)度不夠.在城市軌道交通工程正向設(shè)計(jì)中,各專業(yè)設(shè)計(jì)基于需求任務(wù),按照設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)完成后再交由BIM實(shí)施部門進(jìn)行翻?;蛘吆夏?在此基礎(chǔ)上,通過(guò)模型接口、建造模擬等發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題,并反饋各專業(yè)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)圖紙上進(jìn)行修改.這種方式雖然結(jié)合了串行設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)牟⑿性O(shè)計(jì),但設(shè)計(jì)由不同的人員完成,一部分模型是由翻模完成的,導(dǎo)致了BIM和設(shè)計(jì)脫節(jié),關(guān)聯(lián)度不夠.
設(shè)計(jì)效率低、知識(shí)分散.城市軌道交通工程設(shè)計(jì)是由大量的設(shè)計(jì)人員完成的,設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)人員經(jīng)常由于工作關(guān)系調(diào)動(dòng),導(dǎo)致部分有經(jīng)驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有留下或者積累,新進(jìn)的人員又不能很好地理解原有設(shè)計(jì),且經(jīng)驗(yàn)不足,使得設(shè)計(jì)效率低下.如何將達(dá)成共識(shí)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)知識(shí)積累起來(lái),并融合在設(shè)計(jì)過(guò)程中以推動(dòng)整個(gè)城市軌道交通工程向基于知識(shí)和流程的數(shù)字化設(shè)計(jì)是城市軌道交通工程設(shè)計(jì)單位目前面臨的巨大挑戰(zhàn).
城市軌道交通工程全生命周期的眾多角色在參與過(guò)程中不斷地創(chuàng)建BIM、使用模型、完善屬性信息,圍繞BIM進(jìn)行大量操作、產(chǎn)生海量信息.工程建造周期長(zhǎng),一方面導(dǎo)致工程信息逐年增加、不斷累積、海量爆發(fā),另一方面導(dǎo)致工程信息逐漸丟失,難以追溯.
角色眾多、周期長(zhǎng),使得整個(gè)項(xiàng)目管理異常復(fù)雜,需要交付、審核的項(xiàng)目文件和協(xié)同不計(jì)其數(shù),這為城市軌道交通工程的管理帶來(lái)極大的挑戰(zhàn):如何根據(jù)參與人員的角色和任務(wù)確定需要提交的模型和信息,實(shí)現(xiàn)全生命周期信息的可追溯;如何根據(jù)業(yè)務(wù)流程定義角色之間的高效率協(xié)同交互;如何根據(jù)專業(yè)接口實(shí)現(xiàn)文檔資料的調(diào)用和共享,降低交互成本;如何將BIM全生命周期屬性信息統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)模型與屬性動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián).為解決上述挑戰(zhàn),采用BIM技術(shù)從信息化的角度提高管理水平是城市軌道交通建造工程項(xiàng)目的主要問(wèn)題.
在城市軌道交通BIM技術(shù)現(xiàn)有發(fā)展的基礎(chǔ)上,基于其需要解決的本質(zhì)問(wèn)題,結(jié)合現(xiàn)有的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、管理技術(shù)等,城市軌道交通領(lǐng)域BIM發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下5個(gè)方面.
城市軌道交通建造是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,周期跨度長(zhǎng),信息、數(shù)據(jù)、資源的貫穿式協(xié)調(diào)和管理一直困擾著管理者、研究者及工程人員.在采用BIM技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)的基礎(chǔ)上,科研人員試圖基于BIM打通設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)維全生命周期各階段,使參與者能夠在三維模型的基礎(chǔ)上開(kāi)展管理和協(xié)調(diào)工作[34-35].采用先進(jìn)的BIM表達(dá)、規(guī)范的模型管理、基于流程的過(guò)程管控與優(yōu)化、多資源協(xié)同與優(yōu)化、多源數(shù)據(jù)一致性表達(dá)、全生命周期數(shù)據(jù)協(xié)同與高效管理等,都是目前的發(fā)展趨勢(shì).
三維模型是各專業(yè)在建筑物相互之間接口關(guān)系定義的基礎(chǔ),每個(gè)專業(yè)開(kāi)展設(shè)計(jì)時(shí),需要與其他相關(guān)專業(yè)進(jìn)行交互、溝通和交流,這涉及到多專業(yè)一體化協(xié)同設(shè)計(jì)、專業(yè)按照接口提資、設(shè)計(jì)角色相互交流達(dá)成共識(shí)等[36].長(zhǎng)久以來(lái),研究者希望找到一種協(xié)同設(shè)計(jì)的機(jī)制來(lái)代替現(xiàn)有簡(jiǎn)單的消息提醒、打包提資、共享資料等方式[37].目前能夠開(kāi)展的有基于PDM(product data management)的協(xié)同方式,如 Enovia及其VPM;基于設(shè)計(jì)平臺(tái)的協(xié)同,如Revit的BIM 360;基于第三方系統(tǒng)的協(xié)同,如BIMFace.但要真正實(shí)現(xiàn)多專業(yè)BIM一體化協(xié)同設(shè)計(jì),需要使角色、設(shè)計(jì)環(huán)境和設(shè)計(jì)資源深度融合,這正是基于BIM開(kāi)展多專業(yè)正向協(xié)同設(shè)計(jì)的發(fā)展方向.
所有建造與運(yùn)維的依據(jù)來(lái)自于設(shè)計(jì).雖然設(shè)計(jì)階段有詳細(xì)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為指導(dǎo),但城市軌道交通工程的設(shè)計(jì)涉及到多專業(yè)的協(xié)調(diào),尤其在施工圖設(shè)計(jì)階段.因此,基于建造與運(yùn)維的并行設(shè)計(jì)將逐漸應(yīng)用到城市軌道交通工程設(shè)計(jì)中,深化設(shè)計(jì)就是典型案例.目前的深化設(shè)計(jì)思路與并行工程設(shè)計(jì)有明顯的概念理解誤區(qū),初步設(shè)計(jì)與深化設(shè)計(jì)脫節(jié),BIM起到整合初步設(shè)計(jì)的目的,但并沒(méi)有覆蓋到設(shè)計(jì)的最前端[3].將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是如何在設(shè)計(jì)前端,基于并行工程理念逐漸形成規(guī)范性BIM,以便通過(guò)數(shù)據(jù)貫通和規(guī)范管理等方式驅(qū)動(dòng)建造和運(yùn)維,從而降低管理成本,走向智能建造和運(yùn)維.
在設(shè)計(jì)前端進(jìn)行BIM規(guī)范,需要在設(shè)計(jì)階段對(duì)構(gòu)件進(jìn)行編碼,并對(duì)城市軌道交通各專業(yè)按照BIM結(jié)構(gòu)統(tǒng)一定義,給出全生命周期唯一的標(biāo)識(shí)號(hào).如何讓各個(gè)專業(yè)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一的全生命周期管理,提高過(guò)程中數(shù)據(jù)的一致性,是很多研究BIM的學(xué)者一直想解決的基本問(wèn)題.
城市軌道交通工程專業(yè)眾多,設(shè)計(jì)工作量大,設(shè)計(jì)人員的流動(dòng)性大,積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范設(shè)計(jì)流程是基于BIM的工程設(shè)計(jì)發(fā)展的方向.通過(guò)該項(xiàng)研究開(kāi)展基于知識(shí)工程的智能設(shè)計(jì),模塊化、參數(shù)化和多粒度流程定制的精細(xì)化設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)效率,降低設(shè)計(jì)成本,減少大量的重復(fù)繪圖工作[38].
城市軌道交通工程因?qū)I(yè)眾多、時(shí)間跨度長(zhǎng)、交互協(xié)同多、應(yīng)用軟件多等導(dǎo)致數(shù)據(jù)一致性差,各種軟件不能很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和模型交換,IFC源自于STEP(standard for the exchange of product model data),主要用于工程建造類“產(chǎn)品”的數(shù)據(jù)交換定義,以解決統(tǒng)一模型表達(dá)的問(wèn)題[39].大量深入建筑領(lǐng)域的基于IFC進(jìn)行模型交換的研究,使得IFC逐漸完善[40],但I(xiàn)FC在城市軌道交通工程領(lǐng)域的擴(kuò)展空間大,所要表達(dá)的內(nèi)容更多更豐富,基于IFC的城市軌道交通工程BIM表達(dá)逐漸成為行業(yè)的研究發(fā)展趨勢(shì)之一.
通過(guò)將信息化技術(shù)逐漸深度融合到城市軌道交通工程領(lǐng)域[41],為BIM技術(shù)的延伸式研究帶來(lái)了很多發(fā)展方向和研究空間,包括共享模型及服務(wù)、協(xié)同管理、智能建造、智能測(cè)量、基于數(shù)字孿生的智能運(yùn)維、基于移動(dòng)BIM的工程監(jiān)理、云計(jì)算及一體化協(xié)同設(shè)計(jì)等[42].信息化技術(shù)將帶動(dòng)BIM的快速發(fā)展,并為城市軌道交通工程提高建造效率,降低建造成本,減少項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等提供有力的技術(shù)支持.
相比通用建筑工程,城市軌道交通工程涉及的專業(yè)多、外部接口多、參與單位多、投資大、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)管控難,是一項(xiàng)更為復(fù)雜的系統(tǒng)工程,給BIM技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn).BIM是信息化深度融合城市軌道交通工程,解決各種復(fù)雜問(wèn)題的重要支撐技術(shù),但很不成熟,主要表現(xiàn)在面向全生命周期的工程模型數(shù)字化的統(tǒng)一規(guī)范表達(dá)問(wèn)題,多專業(yè)、多軟件、多角色、多單位相互協(xié)同設(shè)計(jì)、管理和數(shù)據(jù)利用問(wèn)題,基于復(fù)雜、海量幾何物理模型融合的模型輕量化問(wèn)題,基于BIM的全生命周期工程項(xiàng)目管理平臺(tái)研發(fā)等.將來(lái)的BIM技術(shù)必然朝著基于云端統(tǒng)一共享規(guī)范編碼的BIM信息模型和一致性表達(dá),基于云端高效協(xié)同全生命周期管理,面向云計(jì)算的云端輕量化BIM的分發(fā)、共享、重用和協(xié)同,面向BIM基于數(shù)字孿生的城市軌道交通工程長(zhǎng)周期、高效低成本運(yùn)維等方向發(fā)展.BIM通過(guò)實(shí)施統(tǒng)一建模、數(shù)據(jù)整合、輕量化表達(dá)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù),必將在城市軌道交通工程的高效、低成本運(yùn)作與管理方面做出重要貢獻(xiàn),為城市軌道交通工程的發(fā)展建造提供重要技術(shù)支撐.