基于工作集模式的BIM协同深化设计①

杨博，李胜强，何勇毅

(广东石油化工学院 建筑工程学院，广东 茂名 525000)

近年来BIM技术在工程界的应用越来越多，从设计、施工到运行维护管理，因其重要价值而被认为是行业的一次革新，是未来数字建造的发展方向[1,2]。BIM技术服务于工程建设的整个周期，而设计阶段则是该技术应用的关键阶段[3,4]。大幅提高设计质量和效率，可以为后期施工及运行维护阶段的应用提供技术保障[5,6]。目前，我国设计行业处于由传统CAD设计方式向BIM设计方式转变的过渡期，相关标准及方案实施仍不完善。在此背景下，本文提出了基于“工作集”模式的BIM协同设计,探索该模式的适用性，并通过某石化管廊项目加以验证，取得了较好的成果和价值，为相关项目的应用提供了参考。

1 BIM协同设计深度标准

信息共享是协同设计的核心，而数据标准的统一则是信息共享的前提。要想将不同参与方及不同阶段的信息集成于项目部件就需要对数据标准进行统一，这其中构件编码、信息内容、精度要求及存储形式都要符合规定要求。而我国BIM技术应用标准中对这些内容并未作出具体要求[7]，因此有必要提出适用于实际项目的模型信息规定。目前，多数项目都以美国AIA协会提出的BIM模型库信息完整度标准，将信息量从LOD100到LOD500划分为5个等级[8]，本文在此基础上进行细化，结合国内设计标准和制图要求制定了符合设计阶段要求的模型编码及信息内容。以结构专业为例列举出结构部件编码、构件信息、建模精度、应用阶段及用途等要求，项目实施过程中要以此为参照完成信息描述。

LOD精度标准及模型数据要求如下：(1)部件编码，其具体表示形式为：项目号-专业-类型-规格-构件编码。项目号：005(数字编号)；专业：结构(JG)；类型：管架柱(KZ2)、桁架弦杆(XG1)；规格：截面宽×截面高、高度×宽度×腹板厚×翼缘厚；构件编号：No.68、No.20。例：005-JG-KZ2-400×500-No.68、005-JG-HW350×350×12×19-No.20。(2)信息内容由荷载信息、材料信息、成本信息、进度信息组成。荷载信息：水平荷载、垂直荷载、管道水平推力、风荷载、偶然荷载、检修荷载、地震力；材料信息：混凝土强度等级、钢筋种类、强度、钢配件型号、焊接及型钢等级、油漆种类、零星材料等；成本信息：混凝土材料价格、钢筋材料价格、型钢采购价格、零件采购价格；进度信息：计划开始时间、计划结束时间、实际开始时间、实际结束时间。(3)建模精度：LOD300。(4)应用阶段：施工图设计阶段。(5)阶段用途：项目深化设计、工程预算控制、构件加工、施工准备。

2 工作集模式的协同平台搭建

传统的设计模式是以主导专业为主附属专业配合，任务指派及信息分配通过会议及电子文档以串行的方式完成，周期长、变更多，难以满足项目快速实施的要求。为优化这一现状，在建立完善数据标准的前提下提出了以“工作集”为基础的并行设计模式，借助计算机及网络技术的支撑来实现交叉协同设计。

“工作集”模式依赖于信息化技术，是一种实时数据共享的设计模式(见图1)。先要根据参与专业及人员确定工作权限，再通过“工作集”方式分配设计任务，完成工作后将信息模型上传至中心文件服务器进行汇总。在此过程中各“工作集”人员可以实时查看不同参与人员的工作进度及问题反馈，实现设计人员之间的实时数据共享。同时业主、施工方及其他参与方在设定的权限条件下也可以通过中心服务器端查看和提出设计修改意见并及时反馈给对应部门。从而高效地实现各专业、各部门、各参与方之间的信息沟通和共享。

图1 工作集协同设计模式

3 基于工作集模式的设计应用

以某石化油库区管廊项目为例，项目共包括Ⅰ型～Ⅵ型钢筋混凝土活动架、固定架180个，以及跨度为15～29 m的钢结构桁架式管架13个，架体数量多且不同架体之间高差大，钢桁架较为复杂，对结构专业设计及施工要求较高。利用“工作集”方式来开展设计工作，按照项目参与专业及人员设置包括工艺工作集、结构工作集、给排水工作集、储运工作集、电气工作集等在内的8个专业“工作集”以及若干个设计师 “子工作集”，共同参与项目实施，以下从“结构工作集”视角对项目深化及协同设计进行分析。

3.1 结构工作集深化设计

按照“工作集”权限要求由结构负责人分配深化设计工作，按照任务将工程师分配在各自“子工作集”利用Tekla结构深化设计软件进行结构设计。对于化工管廊项目，构件模块化、标准化、预制化程度较高，有必要建立规范化的族库为下一步模型建立及后续应用提供数据基础。项目依据平法制图标准、钢结构和相关化工规范规定，按照LOD300的深度标准建立构件库，同时进行参数化，并对构件族库进行存储，表1列举出部分构件族信息。

表1 部分项目族库信息

为了扩大项目使用范围，工程师在“结构工作集”中建立大量部品备件库并存储于中心服务器，按照构件模块化建模方式，通过调用构件对本项目进行结构设计。采用先平面后立面的建模顺序，先绘制桁架标高及轴网，再利用软件截面数据库和已建立的部件族库进行组装，结合节点坐标、截面尺寸、构件方向、偏移量、约束条件等依次创建管架架体、桁架上下弦杆、水平及竖向交叉腹杆、杆件连接板等部件，快速完成空间模型的建模(见图2)。

图2 18 m跨钢桁架模型

创建完成整体模型后，就需要对构件节点等细部做法进行深化设计，以满足后期构件加工及施工的需要。Tekla软件内置了梁柱节点、支撑节点、柱脚节点等常规节点，但对于化工项目中的部分复杂节点(如T型支撑节点、管架连接节点等)，利用软件自带节点库就难以完成钢桁架模型的创建。本项目通过软件的API二次开发接口[9]，编写函数语言来自定义节点[10]。在实现对节点参数化控制的同时，完成了不同跨度桁架中T型支撑杆件与连接板以及混凝土管架与钢桁架之间等一系列节点的智能连接(见图3)，提高了深化设计效率，并将自定义节点上传并存储于中心服务器中，便于后期同类型项目快速调用。运用上述方法，本项目建立大量化工项目常用钢桁架节点，大大增加了节点信息库的数量。

a T型支撑杆件与节点板连接 b 混凝土管架预埋件与与钢桁架连接

3.2 多专业工作集协同设计

基于Revit系列软件，首先将各专业“子工作集”进行合并查漏，形成“专业工作集”；其次将各“专业工作集”上传至中心服务器端，由BIM总负责人进行“专业工作集”整合，对模型标准性、完整性及错漏进行检查，反馈修改指令至对应“工作集”并完善设计内容。通过这种近乎实时的汇总-提交-反馈-修改来完成设计任务，大大提高了协同设计效率。本项目不同专业工程师利用Revit软件对混凝土管架、钢结构桁架、工艺设备管线等进行“专业工作集”协同工作，借助多用户服务器平台，实时访问提交或修改模型，在专业设计出图前进行模型校核，利用协同整合方式解决了设计中出现的各种复杂问题(见图4)。在此基础上，还通过整合后的三维模型完成了图纸绘制，实现模型与图纸的更新联动，提高了出图效率，缩短了设计周期，为后期施工、运行维护提供准确的信息模型，保证项目顺利实施。

a 低压蒸汽管道与输油管碰撞 b 混凝土管架和管线标高偏差 c 拟建管架基础与既有地下管线碰撞

图4a中工艺专业设计的低压蒸汽管道与输油管在“子工作集”整合中出现位置偏差，收到错误指令后，工艺负责人在专业内部反馈给“子工作集”设计人员，完成调整修改，再上传至中心文件，进行下一步“专业工作集”的整合。图4b中显示将工艺、给排水及结构“专业工作集”合并后，混凝土活动管架顶部框梁与全部输油管线之间有-280 mm的高差，结构“专业工作集”发现该问题源自场地错误标高数据，通过及时调整活动管架顶部框梁设计标高完成项目整合。图4c中，由于项目属于扩建工程，周围既有结构及构筑物较多，项目施工方上传既有结构模型后发现有地下污水管及集水井与拟建混凝土固定管架基础部分位置重叠，在不影响结构安全的前提下，结构“专业工作集”还对基础尺寸及标高进行了调整，减少后期施工变更。

4 结语

本文针对BIM应用现状，探讨了以“工作集模式”为基础的BIM协同平台的搭建及应用。结合实际项目设计案例，提出了适用于设计阶段的LOD300精度标准及模型数据内容，并依据我国平法制图标准以及化工和钢结构相关规范建立项目构件库。并对设计资源合理分配，基于“工作集”模式进行协同设计，协调和控制各专业之间通过数据交换来满足各参与方的部署要求。除此之外，开发了一批可以实现智能布置的结构设计节点，并针对设计过程中出现的问题进行优化，提出相应解决方案，打通了各参与方、专业之间的数据壁垒，充分发挥“工作集模式”在协同设计中的优势，验证了该模式的可行性。这为后续施工及运行维护的实施提供技术保障，也为同类工程项目提供一定的参考。