水运基础设施设计与施工BIM数据标准化需求分析钱丽1，李海江2，姜韶华3 （1.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；2.英国卡迪夫大学工学院，威尔士 卡迪夫 CF24 3AA；3.大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024） 摘 要：文中主要对水运基础设施领域工程设计与施工BIM实现中关键的数据标准化需求进行了分析。通过将基于传统模式的水运工程建设项目与基于BIM技术的新项目在设计和施工阶段数据交换模式与流程、数据应用以及BIM应用可解决的问题进行比较，归纳总结出了水运基础设施BIM信息交换中对数据格式、技术利用、分类系统、分类鉴定等的基本要求，对水运基础设施领域IFC国际标准研究工作的开展提出了建议。 关键词：水运工程；基础设施建筑信息模型；BIM数据标准；需求分析 1 背景介绍为了在水运基础设施领域全面应用BIM技术，明确工程全生命期的数据传递模式和流程，制定相应的BIM数据标准是一个必不可少的环节。英国等世界上多个国家在其BIM规范中，详细规定了全生命期的数据传递需求[1-5]。本研究通过将基于传统模式的水运工程建设项目与基于BIM技术的新项目的实施进行比较，分析总结出水运基础设施领域设计与施工BIM信息交换中对数据格式、技术利用、分类系统、分类鉴定等的基本要求。 2 传统项目设计阶段数据传输分析2.1 数据传递模式及流程1） 数据交换模式 在工程设计阶段，数据传递主要发生在设计单位内部，针对工程项目的设计目标，不同角色、不同专业的参与人员将产生的过程成果（中间数据）进行共享、交换及传递。完成工程设计后，将符合标准要求的数据成果文件提交给业主。同时，在设计过程中，设计人员也需要与外部传递来的基础资料进行数据交换，如工程设计所遵从的法律、法规和地方相关规章制度等。设计过程中，数据的传递模式主要有一对一的传递模式和一对多的传递模式。 一对一的传递模式：不论是设计，还是校核或审核工作，主要使用如集成办公系统、即时通讯软件、Email等工具进行数据交换和传递，特点是数据的传递方及接收方都为单一对象。 一对多的传递模式：数据的提供方需要对同一信息进行共享，以便多个不同角色的人员可以根据自身的需求进行使用，这时数据可以是同时传递给不同接收方，也可以是通过流程化的过程传递给不同对象。 2） 数据传递流程 在设计阶段，涉及到各类数据的传递，如外部资料、中间资料（计算模型、计算书、设计图纸）、成果资料（计算模型、图纸、计算书）等，数据信息传递流程如图1所示。  图1 数据传递流程 其中，中间资料是设计过程中不同专业的参与人员为了完成同一个设计目标所必须共同遵循和依据的数据。其传递的准确性决定了设计成果的质量，一个完整的中间资料数据传递流程如图2所示。 2.2 数据应用存在的问题在水运基础设施领域，设计阶段的数据传递模式及流程虽然已经沿用多年，但还是存在一定的问题，特别是BIM技术的出现，让这些问题显得愈发突出，主要的问题有： 1） 数据质量问题 传统设计采用如AutoCAD等二维工具软件，设计人员都是采用交互的方式对二维图进行编辑和修改。由于其传递方式天生的缺陷，以及设计人员的疏忽等问题，导致图纸数据不能完全准确地表达设计的意图，视图表达难以完全关联或被准确理解，错误难以避免，从而引起设计或施工返工。  图2 中间资料数据传递流程 2） 数据传递问题 传统设计中，各专业间通过中间资料传递完成设计协调，数据传递为一对一或一对多的关系。这种模式下，设计过程中中间资料的变更会导致中间资料的确认过程需要大量重复数据流转，效率低下。另外，设计阶段的数据由于其与施工方法结合的有限性，往往难以直接用于施工阶段，导致数据信息的传递出现割裂。 3） 数据协调问题 设计过程中，由于外部设计条件的变化，有时需要对设计过程中的数据做相应调整，中间资料数据也随之要做相应的变更。这种情况下，可能存在中间资料发起者的数据已经进行了变更，但由于数据传递不及时，接收方未能及时掌握最新的数据资料，从而引起不必要的设计错误。 4） 数据管理问题 设计数据成果的管理一般都是采用纸质和二维电子图方式，将成果保存于档案室。这种模式存在的问题是，纸质成果后期查询比较困难，并且文件不易保存；二维电子图的数据成果间没有关联性。随着时间的推移，不可避免的会引起设计数据的缺失，从而无法保证知识成果的延续性及复用性。 2.3 利用BIM技术可解决的问题利用BIM技术进行港口、航道、修造船建筑物等的设计工作，可以让各参与方共享三维设计数据成果，避免了数据的重复录入；二维设计图纸可以由三维模型自动生成，并能快速计算工程量，以进一步进行工程成本的预测；使用专用工具，还能对设计数据是否符合规范进行自动校核。同时，可以将三维设计模型的数据与各类分析软件，例如能耗分析、日照分析、风环境分析、绿色建筑分析等进行数据关联，快速地进行各类分析和模拟。在设计阶段，利用BIM技术可以解决的主要数据应用问题，包括： 1） 设计的质量 各专业应用BIM技术进行设计，二维设计图纸由三维BIM模型自动生成，当模型数据发生变化后，二维图纸的内容会自动关联更新，解决了图纸平、立、剖面数据不一致的情况，提升了设计质量。 2） 设计效率 基于共享数据库或者中心文件的模型进行BIM设计协同，可以使各不同设计参与方通过一个统一的公共区域对数据进行访问，同时数据的更改也会自动反映给各参与者，提高了数据的传递和交换效率。 3） 设计准确性 BIM的三维设计表达方式，能够更加准确地表达所见即所得的准确性目标，也为设计成果准确性提供了工作基础。 4） 数据的传递性 传统的设计模式，中间资料的数据传递往往需要使用多种工具和方法，数据传递的路径不统一。采用BIM设计模式，所有的数据都由设计人员直接从中心服务器中获取，保证了传递途径的唯一性。 5）数据的复用性 利用BIM技术完成的设计成果信息模型，是作为企业的数字化资产保存在企业数据库中，方便后期的查询及重用。随着工程项目应用的积累，还可作为大数据分析及应用的基础，为企业创造新的利润增长点。 6） 数据的管理 BIM设计成果基于中心文件或中心数据库进行管理，数据交换人员仅仅需要保证中心数据库的数据的准确性和唯一性就能保证设计成果的质量，这种统一的数据管理模式显著提升了传统数据的管理效率。同时，设计阶段的数据通过中心文件或中心数据库向施工阶段进行传递，保证了数据的统一管理及项目数据全生命期传递。 3 传统项目施工阶段数据传输分析3.1 数据传递模式及流程1） 数据交换模式 施工阶段数据传递模式与设计阶段类似，主要也是通过一对一、一对多的方式进行传递。但相较设计阶段，在数据传递过程中涉及到的参与方和对象更多，主要有政府部门、业主、设计单位、施工承包商、施工分包商、监理单位等。同时，工程建设从原材料采购到施工，施工到工程建设结束，涉及的工作范围更广，工作环节更多，会产生较设计更多的海量数据，这些数据主要由项目的内部信息和外部信息两部分组成。内部信息是建设项目的各阶段、各环节所产生的总的信息集合，如一个常规水运工程项目，主要有材料采购、建设进度和质量、成本控制、会议系统、风险管理等各方面的信息；外部信息包括国家有关的政策和法规、市场价格指数、新技术、新材料信息等。 2） 数据传递流程 施工阶段涉及各类内外部数据的传递。如外部信息中的法律、法规、标准规范和规章制度信息、市场信息、自然条件信息等，内部信息中的各参建单位信息、施工合同信息、工程造价、工程进度信息等。一般来说，数据传递及管理流程从接收施工过程产生的数据开始，在此基础上进行过程数据的交换和动态更新。施工中数据的传递流程如图3所示。  图3 施工中数据传递流程 施工组织设计文件是项目施工管理中技术策划的纲领性文件，是用来指导项目施工全过程各项活动的技术、经济和组织的综合性文件，是施工技术与施工项目管理有机结合的产物。其传递的准确性决定了工程开工后施工活动能否有序、高效、科学合理地进行，一个完整的施工组织设计数据传递流程如图4所示。  图4 施工组织设计数据传递流程 3.2 数据应用存在的问题在水运基础设施领域，由于参与方众多，数据内容复杂，在工程项目建设过程中的数据传递就会存在不协调、不一致、不统一的问题，主要问题有： 1） 数据管理问题 工程项目建设过程中数据是由不同参与对象所产生的，比如施工方案信息一般由施工单位产生，工程建设检查记录一般由监理单位产生，工程结算计量计价信息一般由业主、施工总包方产生等。这些信息并没有一套完整的数据信息管理体系进行管理，数据的传递、共享及查询均存在困难。 2） 数据传递问题 施工过程中会不断产生各类管理文档数据，这些数据需要通过一定的流程进行交换及传递。现阶段，由于施工现场管理水平不高，数据传递主要靠口头、会议、通讯工具等进行传递，难以保证数据准确传递给每一个接收方，并被及时掌握和响应，导致项目的执行产生偏差。同时，施工阶段产生的数据有时往往难以应用于运行维护阶段，数据信息的传递出现割裂。 3） 数据的准确性问题 根据工程的施工进展，业主会依据阶段性完成成果进行验工计价，传统的计价统计方法都是根据实际发生量，人工测算工程物料及人员消耗来计算费用额。这种模式的问题是费用统计数据量大，统计复杂，数据容易出错。 4）数据的更新问题 传统工程实施中的变更是不可避免的，有些是由于设计问题引起的，有些是由于施工组织设计不合理引起的，还有些是由于甲方要求引起的。这些变更后的数据有的需要由设计方提出并传递给施工单位，有的需要施工单位提供给设计方。传统施工管理模式存在数据更新不及时或更新不到位情况，导致最终的施工结果与设计不完全一致。 5）数据的保存及复用问题 工程施工完成时需要编制竣工文档，这些文档主要是纸质文档，即使是二维的电子档案，施工结束后也存在档案馆无法利用，未能发挥数据的复用价值。 3.3 利用BIM技术可解决的问题施工阶段利用BIM技术可以加强对施工的管理，通过建立BIM施工模型，即将建设的构筑物及其施工现场的三维模型与施工进度链接，并与施工资源、安全质量、场地布置、成本变化等各类数据信息集成一体，实现基于BIM的施工进度、人力、材料、设备、成本、安全、质量、场地布置等的动态集成管理及施工过程可视化模拟，以改善传统施工管理流程，提高施工质量和效率，保障施工安全，节约工程投资。 在施工阶段，利用BIM技术主要解决的数据应用问题有： 1）数据的集成管理 利用BIM技术可以让不同参与方人员根据其角色权限获取所需信息，保证了数据传递的一致性和及时性，如图5所示。  图5 数据的集成管理 2） 数据的准确性 施工过程中在BIM模型基础上关联造价信息数据库，通过制定计算规则自动计算构件实体的工程量，经过汇总统计得到工程量清单。工程量清单还会根据施工变更、工期变化自动更新数据，简化了造价工程师的劳动强度，提升了数据统计的准确性。 3） 数据管理效率 借助于BIM施工模型的构件级粒度可以快速提供支撑项目各类管理工作所需的数据，有效提升了施工管理效率。 4） 数据的可视化 建筑信息模型就是在传统表达的基础上，利用可视化手段实现了3D图形+数据的集成，解决了原有施工管理中数据不可见、不直观、不易理解的问题。通过可视化手段，如4D进度模拟、5D费用模拟、专项方案论证、设计交底等，可以让施工及管理人员快速理解设计意图，准确掌握设计对象信息，保障了工程施工的质量。 5） 数据的传递和复用 BIM模型可以包含工程全生命期数据，施工阶段所产生的与BIM模型关联的各类数据可以顺畅、无损地传递到项目的运维阶段，保证了数据的延续性。同时，这些保存在企业数据库中的数字化资产方便了后期的查询及重用，并随着工程项目应用的积累，还可作为大数据分析及应用的基础，为企业创造新的利润增长点。 6）数据的协同管理 施工过程中产生的各类数据通过BIM统一的数据平台进行管理，保证了传递路径的唯一性。同时，各参与方根据权限及需求向平台中提供或获取自己所需的数据资料，保证了不同参与方获取数据的一致性和协调性。 4 BIM数据信息交换格式及分类工程项目实施过程中，不同项目参与方在项目的方案、施工图设计、施工、运维管理等不同实施阶段对数据信息交换格式和内容都有不同要求[6]。经过搜集分析，现阶段水运工程领域对信息交换的主要信息格式和内容要求如下。 4.1 数据交换的格式要求随着BIM技术的应用，在项目实施的过程中，不同的阶段传递不同的数据信息，这些数据中既有原有传统的数据格式，也有基于BIM技术的数据格式，如Autodesk公司的.dwg、.rvt数据格式，Bentley公司开发的支持其MicroStation系列产品的.dgn格式，还有其它一些常规数据格式，如.doc、.xlsx等，具体的数据文件格式一般要求如表1所示。 表1 数据文件格式一般要求  数据格式数据类型DWG DGN DWF PDF IFC RVT IAM/IPT其它模型 是 是 是 是 是 是图纸 是 是 是文档 是 是 是 是 4.2 数据交换的信息要求针对不同BIM应用项目在执行过程中有不同的数据要求，如数值分析模拟、施工进度模拟，完成并提交的是三维模型数据。而作为设计方提交给业主及施工单位的设计成果数据，现阶段则主要是以二维平面图为主，三维设计模型作为图纸的有力补充，为施工方提供了更加直观、有效的应用管理支撑。 为了保证项目实施过程中数据能够高效、准确地进行管理，需要在项目执行前对各类工程应用所产生的数据信息交换要求进行预定义。表2节选了部分BIM应用所遵从的一般数据交换格式要求。 表2 BIM应用所遵从的数据交换格式  模型用途 样例软件 1概要 2概念 3初步设计 4施工图设计 5建造 6竣工交接 7运维空间方案 Autodesk Inrfrastructure 是场地 Autodesk Civil3D是既有建筑物 Autodesk Civil3D 是建筑 Autodesk Revit是结构 Autodesk Revit 是暖通 Autodesk Revit 是建筑给排水 Autodesk Revit照明设计 Autodesk Revit电气设计 Autodesk Revit室内布局 Autodesk Revit是暖通制造 Autodesk Revit钢结构制造 Autodesk Revit幕墙制造 Autodesk Revit道路 Autodesk Civil3D本地格式sqlite dwg txt/xyz rvt rvt rvt rvt rvt rvt rvt rvt rvt rvt dwg交换格式dwg/ifc dwg/ifc dwg/ifc ifc ifc ifc ifc ifc ifc ifc ifc ifc ifc dwg/ifc工作阶段 4.3 数据信息分类及结构分解水运工程信息模型采用面分法进行分类，主要有按建筑物功能分类、按工程项目分类、按建设阶段分类、按专业分类、按成果分类、按人员分类、按工程构件分类等。表3节选了水运工程建筑物功能分类。表4节选了水运工程构件分类。 表3 水运工程建筑物功能分类  第一级 第二级 第三级 第四级 第五级 第六级交通建筑物水工建筑物码头防波堤航道整治船坞船台滑道船闸场地道路堆场陆域吹填围堰 表4 水运工程构件分类  第一级 第二级 第三级 第四级 第五级 第六级港口工程 水文航道进出港航道锚地系泊设施导助航设施过河标导标过渡导标首尾导标柱形侧面标锥形侧面标针形侧面标灯船岸标 5 结语本文对传统工程项目的实施与基于BIM技术的工程项目应用进行了比较分析，提出了BIM数据信息交换格式及分类。可以发现，BIM技术已经在水运基础设施建设的设计、施工阶段得到了应用，对提升设计质量、实现工程建设项目精细化、集约化管理，推动信息化建设和提升项目综合管理效率方面，发挥着巨大的作用。在此基础上，有必要尽快开展水运基础设施IFC国际标准的研究工作，以填补IFC国际标准在水运基础设施领域的空白。 参考文献： [1] BSI.PAS 1192-2:2013,Specification for information management for the capital/delivery phase of construction projects using building information modelling[S]. [2] BSI.PAS 1192-3:2014,Specification for information management for the operational phase of assets using building information modelling[S]. [3] BSI.BS 1192-4:2014,Collaborative production of information[S]. [4]BSI.B/555 Roadmap[R].UK:BSI,2015. [5] National BIM Standard-United StatesTMVersion 2[S]. [6] CHUCK E,PAUL T,RAFAEL S,et al.BIM handbook:a guide to building information modeling for owners,managers,designers,engineers,and contractors[M].USA:John Wiley&Sons,Inc.,2011. Requirement analysis on data standardization for BIM based design and construction for waterway infrastructure QIAN Li1,LI Hai-jiang2,JIANG Shao-hua3 Abstract：We analyzed the requirements for data standardization for BIM based design and construction for waterway infrastructure.Based on the comparison between the traditional and BIM based projects,focusing on data transfer and work flow,application issues and key points that BIM can help,we concluded basic requirements of data format,technology utilization,classification system and identification for BIM information exchange of waterway infrastructure,and proposed some suggestions for international open IFC standards development in waterway infrastructure. Key words：waterway engineering;infrastructure building information modeling;BIM data standard;requirement analysis 中图分类号：U69 文献标志码：A 文章编号：2095-7874（2017）10-0006-07 doi：10.7640/zggwjs201710002 收稿日期：2017-08-03 修回日期：2017-09-06 作者简介：钱丽（1964— ），女，辽宁营口人，高级工程师，从事港口及航道工程的规划、设计、标准制订、科研等工作。 E-mail：qianli@ccccltd.cn |
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