歐佳佳，戴 瑋

(安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

參數(shù)化協(xié)同設計是現(xiàn)階段交通基建行業(yè)信息化技術和建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術融合應用落地的具體表現(xiàn)，也是設計模式數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要目標。隨著工程設計項目管理流程的協(xié)同設計系統(tǒng)應用范圍進一步擴大和應用深度的進一步加深[1]，一方面對于設計過程的協(xié)同需求也越來越強烈，開發(fā)面向設計過程的三維設計協(xié)同平臺與相關應用技術成為把數(shù)字化設計轉(zhuǎn)型推向縱深的必由之路；另一方面隨著三維設計技術的快速發(fā)展，對數(shù)字化設計和展示也提出了更高的要求。目前以BIM技術為核心并基于工程信息模型的三維協(xié)同設計、參數(shù)化設計以及數(shù)字化交付技術在公路行業(yè)中仍處于摸索研究階段。

1 研究背景

目前，BIM技術在我國交通運輸行業(yè)應用已經(jīng)相對較多，但仍未形成統(tǒng)一應用模式，也沒有統(tǒng)一的行業(yè)應用標準。公路交通行業(yè)BIM軟件依舊是國外A、B、D三大軟件產(chǎn)品平臺[2]，近幾年國內(nèi)BIM軟件也在迅速成長，但是大多數(shù)還是基于國外基礎設計平臺進行的二次開發(fā)。為了推動BIM技術在交通行業(yè)的應用，2017年交通運輸部認定五家“BIM技術應用交通運輸部行業(yè)研發(fā)中心”[3]。

計算機信息技術的快速發(fā)展對設計行業(yè)的發(fā)展有著重要的推動作用，用信息化技術作為輔助設計的工具，無論在理論研究還是在實際項目應用上，都有著顯著效果。信息化技術的發(fā)展和應用使傳統(tǒng)的設計方法和生產(chǎn)模式發(fā)生了深刻變化，已逐漸成為衡量一個設計院現(xiàn)代化水平的重要標準。

目前國內(nèi)設計院信息化技術應用狀況可分為兩個層次：大型設計企業(yè)整體信息化水平已經(jīng)達到較高的程度，有些已經(jīng)接近國際先進水平；中小企業(yè)研發(fā)信息化水平還比較低，還是處于簡單用二維CAD進行設計、出圖、生產(chǎn)的模式。應用軟件方面，大設計院所工具軟件相對成熟，如三維CAD、CAE的使用已經(jīng)比較普遍[4]，而對這些工具軟件所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型進行有效管理和深層利用卻相對薄弱，沒有將這些設計數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)進行協(xié)同管理的平臺系統(tǒng)。隨著軟件開發(fā)技術及數(shù)字化應用技術的發(fā)展，產(chǎn)品復雜度也越來越高，這種多學科、多專業(yè)協(xié)同的重要性越來越高，對相關參數(shù)化協(xié)同平臺的要求也愈發(fā)迫切。

目前，公路工程專業(yè)設計的參數(shù)化三維協(xié)同系統(tǒng)進展比較緩慢，市場上的協(xié)同設計產(chǎn)品，很大程度上是指基于網(wǎng)絡的一種設計溝通交流手段，以及設計流程的組織管理形式。主要包括：通過CAD文件之間的外部參照，使得工種之間的數(shù)據(jù)得到可視化共享；通過網(wǎng)絡消息、視頻會議等手段，使設計團隊成員之間可以跨越部門、地域甚至國界進行成果交流、開展方案評審或討論設計變更；通過建立網(wǎng)絡資源庫，使設計者能夠獲得統(tǒng)一的設計標準；通過網(wǎng)絡管理軟件的輔助，使項目組成員以特定角色登錄，可以保證成果的實時性及唯一性，并實現(xiàn)正確的設計流程管理。

2 研究目標

通過實際工程設計項目應用及理論研究，分析總結(jié)基于公路工程信息模型的參數(shù)化三維協(xié)同設計平臺的應用目標：

一是實現(xiàn)專業(yè)協(xié)同設計。通過協(xié)同平臺子系統(tǒng)完成項目設計階段參數(shù)化設計，然后由協(xié)同系統(tǒng)無感傳遞給各專業(yè)設計軟件完成詳細設計，在整個設計過程中將各專業(yè)工程信息模型實時集成到三維圖形平臺(電子沙盤)中，實現(xiàn)參數(shù)化三維協(xié)同設計。

二是實現(xiàn)設計提質(zhì)增效。通過推進面向設計過程的三維數(shù)字化技術應用及多專業(yè)協(xié)同設計，改變傳統(tǒng)設計模式，實現(xiàn)基于三維協(xié)同設計平臺的全專業(yè)參數(shù)化設計、協(xié)同校核，提高設計質(zhì)量效率，減少設計迭代次數(shù)，縮短設計周期。

三是實現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺管理。通過打通數(shù)據(jù)管理平臺與設計工具間的接口對接，實現(xiàn)設計數(shù)據(jù)智能提取和自動化傳遞。并利用集成展示系統(tǒng)進行進度查看、碰撞檢測及專業(yè)校核，實現(xiàn)項目的直觀管理與審查。平臺后端與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)多平臺終端進行對接，實現(xiàn)面向設計過程的管理與項目管理的銜接。同時為后期各專業(yè)子模塊參數(shù)化交互智能化設計形成框架基礎。

3 參數(shù)化協(xié)同設計

在參數(shù)化協(xié)同平臺的各子專業(yè)設計系統(tǒng)中完成對應設計階段的參數(shù)化三維設計，并在整個設計過程中能夠?qū)崟r把各專業(yè)的帶有工程信息參數(shù)化的三維模型集成顯示到三維圖形可視化平臺(電子沙盤)中，實現(xiàn)參數(shù)化三維協(xié)同設計，同時電子沙盤支持進度查看、碰撞檢測及專業(yè)校核，實現(xiàn)項目直觀的管理和審查。參數(shù)化協(xié)同平臺框架如圖1所示。

圖1 參數(shù)化協(xié)同平臺框架

基于公路工程的參數(shù)化協(xié)同設計體系框架由一個協(xié)同平臺和一個集成可視化展示平臺(電子沙盤)組成，平臺間數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的無感傳輸和加載[5]。各專業(yè)設計內(nèi)部以參數(shù)驅(qū)動為控制手段，根據(jù)設計階段的不同(方案設計、初步設計、施工圖設計等)將多專業(yè)控制參數(shù)通過參數(shù)甄別分為全局參數(shù)、深化參數(shù)及精細化參數(shù)。通過不同設計階段的參數(shù)驅(qū)動設計實現(xiàn)多專業(yè)正向三維協(xié)同設計。信息數(shù)據(jù)的應用由前期協(xié)同BIM共享逐漸轉(zhuǎn)化成后期的參數(shù)化協(xié)同設計管理，同時過程中銜接不斷豐富的勘察設計數(shù)據(jù)、設計敏感數(shù)據(jù)以及采集的實景模型數(shù)據(jù)[6]。協(xié)同設計階段發(fā)展流程如圖2所示。

圖2 協(xié)同設計階段發(fā)展流程

3.1 專業(yè)內(nèi)協(xié)同設計

參數(shù)化協(xié)同設計平臺子程序自動分析項目分塊協(xié)作界限，利用軟件內(nèi)置程序定義銜接變量并進行自動分段，根據(jù)銜接變量自動合并專業(yè)內(nèi)多分段的項目數(shù)據(jù)。在基于云端上分段后實現(xiàn)多人設計，并在設計完成后信息數(shù)據(jù)及模型的上傳，再根據(jù)定義銜接變量合并項目。應用場景為：

(1) 同一設計路線分段多人協(xié)作，完成多專業(yè)設計后上傳信息數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)技術人員下載后程序根據(jù)預定義銜接變量自動合并項目信息數(shù)據(jù)及模型。

(2) 同一路線段多名專業(yè)技術人員參與設計修改，某段修改完成后上傳信息數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)技術人員下載后程序自動檢測更新段落并提示是否替換該段信息數(shù)據(jù)及模型。

(3) 同一項目多個路線方案，各方案完成后上傳信息數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)技術人員下載后根據(jù)定義銜接變量自動合并項目方案。

3.2 專業(yè)間協(xié)同設計

基于參數(shù)化協(xié)同平臺云端，公路工程前置專業(yè)完成專業(yè)設計后上傳設計數(shù)據(jù)及模型傳遞給后置專業(yè)，后置專業(yè)完成專業(yè)設計方案后上傳設計數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)下載后程序檢測專業(yè)間數(shù)據(jù)變動情況，根據(jù)不同情況提示專業(yè)間設計碰撞信息并更新數(shù)據(jù)，通過合并項目并對存在錯誤的專業(yè)數(shù)據(jù)給予提示。應用場景為：

(1) 總體專業(yè)上傳設計數(shù)據(jù)及模型后，其他專業(yè)提示更新數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)進行專業(yè)方案設計，設計方案完成后上傳設計數(shù)據(jù)及模型，總體專業(yè)技術人員匯總更新方案。

(2) 路線數(shù)據(jù)更新：①路線只更改樁號時，其他專業(yè)設計方案根據(jù)樁號變動自動更新；②當路線方案變動時，若其他專業(yè)未參與調(diào)整，則根據(jù)控制因素和原方案參數(shù)生成新方案。

(3) 當不同專業(yè)間數(shù)據(jù)出現(xiàn)相互“沖突”或錯誤，合并時提示錯誤并反饋相關專業(yè)修改，若相關專業(yè)未修改則根據(jù)設計參數(shù)由總體專業(yè)設計人員進行修改。

3.3 關鍵性協(xié)同技術

基于公路工程設計階段實現(xiàn)參數(shù)化三維協(xié)同設計，需要解決的核心問題是專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間協(xié)同設計問題及相應的溝通響應機制。協(xié)同設計是計算機支持的協(xié)同工作與三維信息化技術相結(jié)合的一種設計過程，是能夠?qū)こ添椖吭O計過程進行有效支持的研究領域，不僅需要不同領域的知識和經(jīng)驗，還要有綜合協(xié)調(diào)這些知識、經(jīng)驗的有效機制來符合不同的設計任務。基于綜合分析結(jié)果，協(xié)同工作的基本要素為協(xié)作、信任、交流、折中、一致、提高、協(xié)調(diào)。通過實現(xiàn)這七個基本要素以助于實現(xiàn)參數(shù)化協(xié)同設計工作，核心的關鍵性技術如下：

3.3.1 數(shù)字建模

按照一定形式組織的關于產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)尺寸搭建，是參數(shù)化協(xié)同設計的基礎和核心。在協(xié)同設計環(huán)境下，數(shù)字模型的建立是一個逐步完善和迭代的過程，也是多專業(yè)設計協(xié)同工作、實時協(xié)調(diào)后的設計成果。

3.3.2 工作流管理

工作流管理的目的是規(guī)劃、調(diào)度和控制信息化技術的工作流，以保證把正確的信息和資源在正確的時刻以正確的方式送給正確的項目組或設計人員，同時保證項目開發(fā)過程能最大化滿足設計輸出需求。

3.3.3 約束管理

協(xié)同功能開發(fā)過程中，各個子任務之間存在各種相互制約相互依賴的關系，其中包括設計規(guī)范和設計對象的基本規(guī)律、各種一致性要求、當前技術水平和資源限制以及用戶需求等構(gòu)成了平臺開發(fā)中的約束關系。平臺開發(fā)的過程就是一個在保證各種約束滿足的條件下，進行約束求解的過程。

3.3.4 沖突消解

協(xié)同設計是設計項目組之間相互合作、相互影響和制約的過程，設計項目組對產(chǎn)品開發(fā)的思考角度、評價標準和領域知識不盡相同，必然導致協(xié)同設計過程中沖突的發(fā)生[7]。故而協(xié)同設計的過程就是沖突的產(chǎn)生和消解的過程。充分合理地解決設計中的沖突能最大限度地滿足各領域設計人員的要求，使最終設計成果的綜合性能達到最佳。

3.3.5 歷史記錄管理

歷史記錄管理的目的是記錄項目設計過程進行到一定階段時的過程特征并在特定設計決策下將它們用于將來的設計過程。目前，在實現(xiàn)這種基于CAD的協(xié)同設計方面，存在三種主流的技術思路。一種是在CAD平臺提供一些底層技術支持，供二次開發(fā)者根據(jù)用戶需要開發(fā)出各種應用。另一種就是提供可定制化的基于項目管理、文檔管理的協(xié)同設計管理軟件，配合單機設計軟件達到協(xié)同設計目的。再一種就是基于協(xié)同設計軟件的基礎平臺，它是標準的、開放的、可擴展的，能夠為二次開發(fā)者提供開發(fā)項目管理、文檔管理、用戶管理、圖紙審核、網(wǎng)絡圖庫、協(xié)商交流工具等協(xié)同設計系統(tǒng)功能的底層函數(shù)支持。

4 參數(shù)驅(qū)動標準化規(guī)范

公路工程中設計的專業(yè)門類較多，主要分為路線、路基、橋梁、隧道、涵洞、交安、地質(zhì)、外業(yè)調(diào)查等專業(yè)，專業(yè)間相互關聯(lián)較多、專業(yè)間協(xié)同要求高。通過將各個專業(yè)的設計意圖和設計成果參數(shù)化表達，專業(yè)間提資數(shù)據(jù)參數(shù)化，實現(xiàn)整個設計過程的參數(shù)化驅(qū)動和有效的協(xié)同設計，從而避免一些人為錯誤和減少迭代次數(shù)[8]。同時根據(jù)不同階段所需參數(shù)的差異，并兼顧傳統(tǒng)設計參數(shù)及三維正向設計參數(shù)，運用模糊處理系統(tǒng)進行參數(shù)甄別制定多專業(yè)參數(shù)驅(qū)動標準規(guī)范。

5 項目設計應用

根據(jù)研發(fā)框架確定一線設計人員的日常工作場景和協(xié)同工作場景，并且基于此使用場景設計協(xié)同的技術架構(gòu)[9]。設計師日常工作場景是單個工程師工作時的使用場景。根據(jù)雙屏設計模式習慣由兩個電腦窗口組成，左側(cè)為實時集成展示窗口(項目級電子沙盤)，如圖3所示，集成三維全景、功能項目樹、屬性窗口和系統(tǒng)消息及溝通信息等。右側(cè)是設計工作窗口，如圖4所示，集成設計桌面、項目樹和信息窗口。項目協(xié)同工作場景是各專業(yè)的設計師協(xié)同工作的使用場景。各專業(yè)的設計師通過協(xié)同平臺實現(xiàn)設計過程中與其他專業(yè)、其他人員的數(shù)據(jù)實時更新和消息溝通。

圖3 左側(cè)分屏-電子沙盤

圖4 右側(cè)分屏-設計桌面

6 結(jié)束語

通過參數(shù)化協(xié)同設計平臺和集成可視化展示平臺完成公路工程各專業(yè)設計階段的三維正向協(xié)同設計與匯報，實現(xiàn)協(xié)同環(huán)境下的數(shù)據(jù)建模、設計生產(chǎn)中的工作流管理、設計規(guī)范和設計對象間的約束管理、協(xié)同設計過程中的沖突響應和消解以及基于平臺云端的數(shù)據(jù)信息迭代和歷史管理。

本文通過對公路工程信息模型的參數(shù)化協(xié)同設計應用框架研究及項目應用總結(jié)，旨在為公路及相關行業(yè)的參數(shù)化協(xié)同應用和參數(shù)化驅(qū)動標準應用提供方向參考。