基于数据协同的日本勘察设计行业信息化发展

董建峰 梁 晓

(建研科技股份有限公司,北京 100013)

1 引言

住建部勘察设计“十一五”(2005～2010年)技术规划以“基于网络的协同工作平台”作为信息化研究方向之一。“协同工作平台”将借助网络信息技术和先进通讯手段,最大限度整合硬件、软件、业务数据、管理信息等各类资源,通过发挥群体工作优势促进建设项目多参与方之间的知识共享,提升企业的管理水平。

日本于2000年提出了以网络基础设施建设为中心的“E-Japan(电子日本)”国家信息化战略,随后在2004年升级为以促进信息通讯技术应用为重点的“U-Japan(Ubiquitous-Japan)”信息化战略。在日本政府持续推进信息化的战略背景下,借助雄厚经济实力基础,日本勘察设计行业协同管理信息化方面已经取得了较大成就。本文拟分析日本 CAD数据交换标准、基于 BIM模型的协同设计以及建设项目全生命周期信息共享等三个方面,进而探讨其对我国勘察设计行业协同管理信息化建设方面的借鉴意义。

2 日本勘察设计行业介绍

2.1 行业定位与企业类型

按照日本的标准产业划分,勘察设计业定位于土木建筑服务业,是可以为业主提供工程策划、勘察、设计、项目管理及施工监理等全过程技术服务和管理服务的行业。行业内企业按照业务范围的不同,主要包括建筑设计事务所、项目咨询公司与测绘地质调查公司等等。建筑设计事务所只提供前期策划、建筑专业设计、设计施工监理等设计项目的服务,以民建项目为主;而工程咨询公司的业务则涵盖了项目可行性研究、设计、监理及咨询管理等各项工程项目的服务,以水利、电力、路桥和机场等各种公共基础设施为主。

日本政府不评定勘察设计企业的工程设计资格等级,而是只对设计人员的资格等级进行评定。日本颁布有“建筑士法”,从法律角度规定了设计人员的责任﹑权限、考核标准以及资格等级,限制了相应级别设计人员所能承接设计与监理等业务的范围。日本勘察设计企业的设计实力评价,主要依靠设计业务年营业收入和在册一级建筑士(相当于我国的国家注册一级工程师)人数两项指标。根据日经 BP社的调查,2006年度营业收入最高的三家设计事务所依次为:日建设计﹑ NTTファシリティーズ和三菱地所设计,在册一级建筑士人数分别为606人﹑ 731人和 268人。

2.2 业务范围及内容

日本的建筑设计过程一般可划分为企画计划、基本设计和实施设计三个阶段,分别对应我国的方案设计﹑初步设计和扩大初步设计,与我国不同的是施工图设计一般由施工方完成。由于最终设计(实施设计)深度仅要求达到满足工程建设要求(施工招标图),使得日本的设计者们可以把花在尺寸、标高、制作安装详图等施工图细节设计上的精力转移到方案比选、优化、新技术运用上。

此外,日本的工程监理业务习惯上委托给该工程的设计方来完成,即设计方不但提供建筑设计服务,而且在所设计项目施工过程中也提供进度管理、质量管理和合同支付等技术管理服务。这种设计监理一体化方式可以确保工程设计与工程管理之间的连续性。

日本勘察设计企业所面临的外部经营环境逐年恶化,上世纪 90年代日本泡沫经济破裂后,日本国内的固定资产投资逐年下降,2009年固定资产投资大约 47.2兆日元,占国民生产总值的 9.8%,只达到了 1996年固定资产投资的 57%[1]。激烈的竞争和设计分工的日趋细化使得勘察设计企业更重视核心业务的发展,而把其他附加值低或者成本高的业务外包给合作伙伴。一项由日本建筑学会的调查证实[2],综合性事务所有接近 70%的结构设计和建筑设备设计业务都外包给了其他事物所,而有超过 50%的结构设计事务所又将结构图绘制业务分包给专业制图事务所。

图1 日本设计事务所业务外包种类及比例[2]

3 持续推动 CAD数据标准化

日本政府积极推动着 CAD数据交换格式标准化的开发进程。早在 1995年建设省(现国土交通省)就出台了《建设 CALS/EC整备基本构想》(简称CALS/EC),提出到 2010年,公共建设项目从立项、规划、招投标、设计到施工交付项目的全生命周期,实现图纸、文档以及照片等工程信息标准化和电子化。

作为 CALS/EC项目的一环,日本政府制定了一系列技术标准,从基础数据标准化和数据管理标准化两方面推进建设产业的信息标准化。基础数据标准化包括材料设备编码标准化和 CAD数据标准化等。数据管理标准化包括多种软件系统标准化(比如土木概算软件和电子投标系统)以及工程电子资料提交标准化等。

3.1 内容以及面临的问题

CAD数据标准化的成果是开发完成了满足 ISO标准 STEP/AP202/CC2规格的二维 CAD数据交换标准 SXF。

SXF的开发由半官方性质的日本建设信息综合中心(JACIC)负责组织,最初在 2000年 8月颁布了SXFver2.0[3],该版本主要从图面构造(坐标、图层、颜色等)和几何要素(点、线圆弧等)两方面规范了CAD数据格式。随后又于 2003年 8月,在 SXF ver2.0版本基础上发布了 V 3.0版本[4],增加了几何要素的属性定义内容,由于设计方可以在属性定义中添加工程实体信息相关内容,因此施工方可以通过该版本 CAD数据抽取相应几何要素所对应的工程量。

但是二维 CAD数据交换已经越来越不满足现在企业间的协同工作需要。早在 2004年,统计已经有 53%的设计事务所希望采用三维 CAD数据辅助上下游专业间的碰撞检查和建筑造价分析[5]。

如今,如何在 SXF数据交换标准中灵活应用IFC国际标准,制定三维 CAD数据的交换标准已经成为日本政府面临的一个紧迫课题。2007年,日本已经把三维 CAD数据标准的开发列入第三次建筑标准化推进计划,该计划另外还将整合测量(DM)、建筑设计(CAD)和地理信息(GIS)三者之间的数据,以求达到勘察设计行业基础数据完全共享的目的[6]。

3.2 应用及普及

日本政府采用“推拉”策略大力普及 SXF格式的 CAD数据应用。

“推”即引导使用。首先由相关政府部门、高校以及代表企业等联合组成推进委员会,该机构主导制定标准化的发展策略、收集用户反馈并组织版本更新;然后利用书籍、网站以及培训交流会等多种形式向公众普及;再者寻求软件开发商的技术支持。由于 SXF是日本政府规定的一种 CAD数据交换标准,因此得到了日本国内绝大多数厂商的支持,官方资料显示,截止到 2008年 6月底,已经有191家 CAD厂商的共计 362款相关软件公开表明支持 SXF数据格式[7]。另外,日本为了普及 SXF的应用,降低企业信息化成本,开发公布了免费的 SXF数据格式浏览软件。

“拉”即强制应用。SXF格式作为国家的 CAD数据交换标准,被政府逐渐应用到电子招标和实现电子资料提交的公共建设项目中。依据日本政府信息化的日程表,2010年开始所有公共建设项目将全部采用电子招标、电子资料提交,此类项目的参与方之间将通过 SXF格式共享 CAD数据。

4 推广基于 BIM的协同设计

日本勘察设计行业协同设计的实现策略是以如何高效共享基础数据为出发点的,主要协同工作模式为:通过搭建网络、制定数据标准等方式创造数据共享环境,利用成熟 CAD平台,采用外部引用方式实现专业间数据的协同与共享。早在 2000年左右,80%以上的设计事务所已经制定了企业内的制图规则和文件共享原则等标准,67%的设计事务所已经创建了共享的标准图元数据库[8]。

近年来,日本国内有通过视频会议或者创建沟通模型等实现并行设计的研究,也有基于成熟项目管理软件做二次开发实现工作流程协同的研究[9],但是集数据共享、流程控制和即时通讯等为一体的协同设计模式的研究非常少,日本建筑学会 2000年以后公开发表的资料中鲜有类似报告。

最近,基于建筑信息模型 BIM(building Information Modeling)的 CAD协同设计平台正在成为日本勘察设计企业追逐的热点。采用基于 BIM的协同设计,可以高效整合上下游多专业间的数据,理论上可以实现建筑项目从设计、施工直至物业管理的项目全生命周期数据一体化以及可视化。

4.1 政府举措

日本政府已经把基于 BIM的三维 CAD推广列入了政府的三年(2008～2010年)信息化规划(国土交通省 CALS/ECアクションプログラム2008),该规划明确提出了在三年以内制定基于三维 CAD的电子资料提交标准。日本国土交通省官厅营缮部已经公告,从 2010年开始在政府部门的建筑修缮工程中,设计者需要提交初步设计阶段的 BIM实体建筑模型[10]。

但是日本还需要完善基础环境以促进 BIM的应用。日本目前还未制定三维 CAD数据交换标准,导致项目参与方之间实现三维 CAD数据一体化还有较大困难。

4.2 应用现状

目前 BIM在日本勘察设计行业的应用还处于理论探索和流程改进阶段,仍有许多企业不熟悉BIM设计方法,日本建筑学会、IAI协会等正在通过讨论会和模拟设计等多种形式研究 BIM技术并推广企业的应用经验。2008年底开始,日本媒体对BIM实际应用的报道逐渐增多,2009年甚至被包括日经 BP社在内的多家媒体称为“BIM元年”。包括日建设计和大成建设在内的多家企业已经导入了Autodesk公司的 Revit系列产品以实现基于 BIM的协同设计,经过实际业务的检验,上述企业认为 BIM的优势主要集中于可视化设计、专业之间数据整合高质高效、缩短设计周期等三个方面[11]。

日本 IAI协会于 2009年组织了两次基于 BIM的模拟设计赛,组织者要求参赛小组根据规定的设计条件在 48小时内,完成建筑、结构、设备以及环境的建模、专业解析、专业模型整合以及演示文档的制作等设计任务。参赛小组内部通过公开的协同设计门户共享资源,实现基于 BIM的异地协同设计。例如,“the BOMb”参赛小组的数据共享平台为Buzzsaw系统;首先借助日本国内的五款软件分别完成风、日照、照明以及结构解析后,采用 Revit系列软件完成专业建模并整合成一个 BIM模型;然后将此模型导入三维项目评审软件 Navisworks进行项目走查评审,动态仿真的查看 4D设计进度;最后通过 3ds Max完成模型渲染并生成动态演示资料,利用三维打印机直接生成展示用建筑模型。此活动非常有助于日本勘察设计企业了解 BIM的设计理念及优势并得以推广。

图2 安井建筑事务所业务量分析曲线[7]

导入 BIM的勘察设计企业正在尝试 BIM的有效应用模式,但是许多企业的现有管理模式限制了BIM的应用深度和广度。图2显示的曲线为某设计事务所的基本设计和实施设计两个设计阶段的人力耗用高峰值曲线,“従来型”为采用 BIM以前的曲线,“改訂型”为采用 BIM以后的曲线。图2表明该事务所导入 BIM后,在设计的前期阶段需要投入的人力资源明显增多,在设计的后期则明显减少,即实现了 front-loading(设计原则之一,尽可能在设计的早期暴露不确定设计要素并及时解决,从而达到降低风险﹑压缩工期并提高设计质量的目的)。该设计事务所已经针对 BIM设计模式的特点,做了相应的业务流程再造,并正在验证新流程的应用效果[12]。

5 实现项目全生命周期协同

日本有五大工程总承包商:竹中工务店、大林组、鹿岛建设、大成建设以及清水建设。这些工程总承包商都很注重信息系统的建设,通过信息系统整合多协作方的业务数据,完善自己的电子商务环境。

5.1 协同的特点

日本工程总承包商利用信息化实现设计、施工、多协作方一体化有三个特征:第一,数据一元化。项目参与方之间共享同一个数据库,保证数据一致性;第二,共同工作。构建基于网络的信息交流环境,项目参与方利用同一网络实现分散提携,整合资源;第三,并行工作。利用信息化实现流程再造,下游协作方提前介入工程项目。鹿岛建设的系统很能体现这些特点。

鹿岛建设于 2001年开始搭建设计施工一体化系统(简称 KSJT),通过该系统将施工图设计提前融入到上游的设计过程中,促进专业设计间的整合性,提高计算实物量和工程造价的精度。系统的核心为设计施工一体化三维 CAD基础数据共享平台(DB-CAD),建筑、结构、设备等专业使用各自的专业软件进行设计,各专业的三维 CAD模型全部保存在 DB-CAD的数据库中。专业之间借助 DB-CAD提供的数据接口实现数据模型共享,从而实现数据的一致性和专业间碰撞检查的可视性。由于 DB-CAD系统采用IFC标准格式保存模型信息,因此设计阶段的建筑物实体属性得以保存。系统集成的施工管理模块以此为基础,生成施工图和预算工程量等信息。另外,施工过程中利用 DB-CAD系统的信息同时集成相应的业务系统,可以实现施工成本管理和预算管理,而预算管理模块通过集成电子商务管理平台CI-NET可以实现网上采购,通过同协作方相提携合作及时调拨生产物资安排生产计划[13]。

图3 鹿岛建设 KSJT系统概念图出自:鹿岛建设门户网站

日本工程总承包商的项目全生命周期协同是建立在数据共享基础上的。大成建设于 2009年初开始投入运行新的电子商务系统プロジェクトNet,系统在实现项目全生命周期多参与方的数据一体化基础上,强化了过程管理的功能。该系统有文件管理、图纸管理和过程管理三个子系统,登录用户可以通过文件管理子系统设定文件的操作权限,完成文件变更通知、状态设定和文件版本控制等的管理;图纸管理子系统的功能包括图纸相关权限、变更自动通知、图纸进度计划和图纸版本管理等。过程管理子系统可以完成事前工作设定、延迟工作通知和计划的管理等。设计事务所、材料供应商以及施工单位的人员通过安全认证后即可共享相应的工程信息[14]。

图4 大成建设G-NET系统概念图[14]

5.2 BIM的运用

随着 BIM技术的日趋完善,工程总承包商纷纷提出各自的方案,计划利用 BIM信息模型完成设计方、施工方、采购方等的并行工作,实现项目多参与方的数据共享和协同工作。工程总承包商的设计部门利用 BIM信息模型对项目做丰富多彩的展现,完成专业间的协同工作;施工生产部门通过 BIM模型抽出实物工程量,及时安排生产计划并调拨生产物资。例如,竹中工务店制定的基于 ISO的工程品质管理规程(C Sブリーフ)中,设置的 BIM推进方向性目标为:通过在 BIM中加入勘察、建筑、结构、设备和环境等必要信息,探讨建设项目在法律、环境、工程结构和施工等方面的实施可行性;从 BIM模型中抽出图纸信息、实物量和造价等工程信息并最大限度加以灵活应用,通过实现工程项目全过程多参与方的高效沟通协同从而达到提高设计和施工品质的目的[15]。

6 借鉴

日本的勘察设计行业协同管理信息化可以给我们如下两点借鉴。

6.1 加快政府为主导的标准化建设

为了实现勘察设计行业的信息化资源整合,我国应持续完善包括 CAD协同设计制图标准在内的工程全过程电子资料的标准化与规范化。数据标准化规范化是实现多参与方数据一体化的根本保障,是构建项目全过程多参与方数据共享基础环境的要素之一。政府不但要制定标准,而且也需要引导标准的推广与应用。我国应继续完善建设行业电子数据交流方面的法律法规建设,以促进项目多参与方之间的基于标准化数据的信息交流。

日本勘察设计行业协同管理信息化,在数据标准化和设计施工一体化方面取得了很大成就,CAD数据交换标准 SXF已经在实际应用,工程总承包商的电子商务供应链管理已经把设计、施工和采购等多方的业务数据联系在了一起。日本的协同管理注重实现“物”的管理(资源管理),即偏重项目管理过程中多参与方之间业务基础数据的共享和协调,体现的是 PDM(Product Data Management)的管理理念。日本政府的建设业信息化框架(CALS/EC)促进了这种协同管理特点的形成。日本政府是建设行业数据标准化的积极推动者,不但制定了 CAD数据交换标准和资料电子化规范,而且政府还给企业创造了一个有利于基础数据标准化的外部环境。比如日本政府的电子招投标和提交资料电子化等措施使得勘察设计企业不得不顺应政府要求,加快本企业的基础数据规范化建设,否则就会失去投标资格,业务活动就不满足国家规范要求。

图5 竹中工务店BIM推进方向概念图[15]

相对而言,我国勘察设计行业的项目协同管理系统中,更多的体现为对“人”的管理(过程控制),即实现包括流程审批等在内的工作流管理,实现包括即时通讯等在内的沟通管理等,信息化系统中渗透着 BPM(Business Process management)的管理思想。尽管我们许多企业的协同设计系统可以整合多专业的数据,实现了设计资源协同和管理流程协同的统一,但是在设计采购施工一体化上,还是有资源共享的瓶颈。

6.2 探索基于 BIM协同模式的 SOA架构信息系统

我国勘察设计行业面临两个挑战:一是如何通过改制重组等机构变革方式快速适应因经济全球化而带来外部商业环境的快速变化;二是如何突破单纯设计业务向 EPC(设计采购施工一体化)业务延伸而带来的协同管理上的瓶颈。作为信息化手段之一,勘察设计企业可以通过构建基于 BIM协同模式的 SOA架构信息系统应对挑战。国内许多勘察设计企业的信息系统已经实现了二维 CAD数据图层级协同,可以完成设计文件管理和设计流程控制,但是此类系统中,CAD业务数据在设计方、采购方和施工方共享方面的功能还不太完善。由于 BIM建筑信息模型可以加载设计数据、实物量,造价等大量工程信息,理论上完全可以利用 BIM实现从设计到施工,工程项目全过程多方高效协同。我们可以借鉴日本工程总承包商的思路,以电子商务供应链为纽带,尝试采用 BIM把设计采购和施工的数据联系起来。

基于 SOA(Service-oriented architecture)的信息资源整合方案有相关子系统间松散耦合、粗粒度的服务、标准化接口和操作平台无关性等众多优点,不但能够保证勘察设计企业快速共享现有的遗留系统,降低信息化成本,而且 SOA架构也可以保证企业信息资源的灵活性,做到“随需而变”。我国“十一五”课题“勘察设计企业信息化关键技术与应用”中,已经提出了以 SOA架构部署企业信息系统以实现企业协同管理的理念[16]。此课题的研究已经取得了大量成果,北京建设信源公司目前正在一批试点项目检验成果的应用效益[17]。

勘察设计企业可以在搭建 SOA架构信息系统前提下,联合软件厂商共同探索基于 BIM的协同管理模式,实现项目全生命周期的资源管理和过程管理的协同,最终提高我国建设行业整体的核心竞争力。

[1]国土交通省総合政策局情報安全◦調査課建設統計室.2009年建設投资見通し[R/OL].(2010-4-10),www.m lit.go.jp/common/000043132.pdf【2009年建设投资预测】

[2]日本建築学会.設計事務所実態調査報告書[R/OL].(2010-4-10),news-sv.aij.or.jp/shien/s2/chousabukai/sekkeichousa0710.pd f【设计事务所现状调查报告书】

[3](財)日本建設情報総合センター(JACIC).CADデータ交換標準(SXF)ver2.0仕様書◦同解説 1(案)[S/OL].(2010-4-10),http://www.cals.jacic.or.jp/cad/developer/Doc/FuzokusyoSXFVer2.lzh【CAD数据交换标准 Ver2.0格式说明书及其解说】

[4](財)日本建設情報総合センター (JACIC).SXF Ver3.0仕様書[S/OL].(2010-4-10),http://www.cals-ed.go.jp/calsec/rule/sxffunction22.pdf【SXF Ver3.0格式说明书】

[5]日本建築学会.第10回建築 CAD利用調査報告[R/OL].(2010-4-10),http://news-sv.aij.or.jp/jyoho/M 030/enquiry/10cad.pdf【第十次建筑 CAD利用调查报告】

[6](財)日本建設情報総合センター (JACIC).第三次建設情報標準化推進三箇年計画[R/OL].(2010-4-10),http://www.jacic.or.jp/hyojun/dai3ji-suishinkeikaku.pd f(第三次建设信息标准化推进 3年计划)

[7](財)日本建設情報総合センター (JACIC).sfc/p21共通ライブラリ実装予定ソフトウェア一覧[G/OL].(2010-4-10),http://www.cals.jacic.or.jp/cad/user/sxfvendor.htm【支持 SFC/P21共通样式支持软件一览】[8]日本建築学会.第7回 建築CAD利用調査報告[R/OL].(2010-4-10),http://news-sv.aij.or.jp/jyoho/cad.pdf【第七次建筑 CAD利用调查报告】

[9]高本 孝頼ら.日本型建築 PM支援システムの開発(情報システム技術).日本建築学会研究報告技術報告集第18号,2003年 12月,No.387-392【日本建筑PM支持系统的开发】

[10]国土交通省官房官庁営繕部.官庁営繕事業におけるBIM導入プロジェクトの開始について[R/OL].(2010-4-10),http://www.mlit.go.jp/common/000110964.pdf【官厅修缮事业BIM导入工程开始的说明】

[11]Autodesk公司.BIM案例.(2010-4-10),http://bimdesign.com/case/index.html

[12]中元三郎.BIMの特性を生かした設計プロセス改訂を目指して.建築コスト研究,2009年 1月,NO.18-22【利用BIM实现设计流程再造】

[13]高垣 徹 ら,BD-Cadの活用,建築雑誌 特集,コンピュータの功罪,VOL.119,2004年 4月,No.1518【BDCad的灵活运用】

[14]大成建設株式会社.プロジェクトNet(システム概要◦機能一覧)[N/OL].(2010-4-10)http://www.taisei.co.jp/MungoBlobs/923/248/09040901.pd f【net系统概要和功能一览】

[15]能勢浩三.設計施工におけるIC Tを利用した生産性向上への取組み,建築コスト研究,2010年 1月,NO.39-42【设计施工中利用信息技术提高生产品质的方法】

[16]王静.“十一五”勘察设计企业信息化关键技术研究.SOA技术推动勘察设计企业信息化建设研讨会论文集,2009年 3月,No.1-4

[17]张瑞祥,吴东婷,石悦琪.设计企业信息数据集中存储系统平台建设[J].土木建筑工程信息技术,2010,(1),No.12-17