三維數(shù)字化設(shè)計元件庫管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

付燕飛

摘要：目前，勘察設(shè)計行業(yè)正加快從二維設(shè)計向三維設(shè)計轉(zhuǎn)型，BIM元件庫作為三維正向設(shè)計的重要組成部分，其豐富度、復(fù)用性、標(biāo)準(zhǔn)化等成為元件庫建設(shè)的關(guān)鍵指標(biāo)。基于對公司新興業(yè)務(wù)內(nèi)容、公司組織架構(gòu)、元件參數(shù)化技術(shù)等的研究總結(jié)，提出三維數(shù)字化設(shè)計元件庫管理系統(tǒng)解決方案，通過研發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理、用戶管理、權(quán)限管理、安全策略等主要功能。測試結(jié)果表明：較之項目級別的傳統(tǒng)元件庫管理方式，利用該系統(tǒng)對元件庫進(jìn)行管理與應(yīng)用，可有效提高三維正向設(shè)計效率，整體提升BIM技術(shù)應(yīng)用水平。

關(guān)鍵詞：BIM;元件庫;元件編碼;分類法;三維設(shè)計

引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)是通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項目策劃、運行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員對各種建筑信息作出正確理解和高效應(yīng)對，為設(shè)計團(tuán)隊以及包括建筑、運營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。元件是對實際建筑組件的物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，是可在不同項目中重復(fù)使用的個體圖元。元件的屬性信息是通過參數(shù)化的形式進(jìn)行輸入與保存，參數(shù)的改變可實現(xiàn)對元件的修改，提高元件的可復(fù)用性。

在項目建設(shè)過程中，圖紙變更及工程改動的情況普遍存在，模型也需同步修改與調(diào)整，由于元件庫建設(shè)落后，模型新建或變更都非常費時費力，也嚴(yán)重影響項目建設(shè)進(jìn)度。劉暢于2014年研究得出我國建筑業(yè)因信息化程度不高而造成每年近10萬億元的工程浪費。張洋提出的BIM元數(shù)據(jù)模型定義及存儲格式，解決了BIM數(shù)據(jù)長事務(wù)訪問、并發(fā)訪問、數(shù)據(jù)一致性等問題。祝連波開發(fā)了一款可擴(kuò)展的裝配式構(gòu)件族庫管理系統(tǒng)，為裝配式建筑正向設(shè)計提供了科學(xué)工具。Opoko深入調(diào)查了尼日利亞使用BIM技術(shù)進(jìn)行項目全生命周期管理的現(xiàn)狀。賽菡[8]分析了族庫結(jié)構(gòu)與管理體系，提出了具體的族庫分類方法。這些研究在BIM元件定義、數(shù)據(jù)存儲等方面進(jìn)行深入研究，對提高BIM管理與應(yīng)用水平發(fā)揮了很好的作用。

然而，應(yīng)用BIM技術(shù)的新業(yè)務(wù)領(lǐng)域不斷增多，并趨于多元化和復(fù)雜化，原有元件庫管理系統(tǒng)已無法很好地滿足各類業(yè)務(wù)BIM正向設(shè)計的發(fā)展需求。為此，本文通過深入研究公司組織架構(gòu)和數(shù)字化業(yè)務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出三維數(shù)字化設(shè)計元件庫管理解決方案，為提高BIM應(yīng)用水平提供科學(xué)管理工具。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體技術(shù)架構(gòu)

在對上海院的業(yè)務(wù)管理架構(gòu)、業(yè)務(wù)特點、設(shè)計人員專業(yè)類型與建模能力、數(shù)字化項目等多個方面進(jìn)行深入調(diào)研基礎(chǔ)上，分析得出三維數(shù)字化設(shè)計元件庫管理系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)需求，具體分為數(shù)據(jù)管理、用戶管理、權(quán)限管理、安全策略等四個主要功能模塊，見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)管理模塊

BIM元件庫種類繁多且數(shù)據(jù)量龐大復(fù)雜，建立BIM元件庫管理體系，使用戶準(zhǔn)確高效地利用元件庫成為BIM正向設(shè)計的重中之重。該管理體系包括元件創(chuàng)建規(guī)范、元件編碼規(guī)范、元件審核入庫標(biāo)準(zhǔn)、元件文檔管理規(guī)范、元件分類與檢索方法、數(shù)據(jù)庫建設(shè)等內(nèi)容。

1.2.1 元件創(chuàng)建規(guī)范

元件是組成項目模型的構(gòu)件，同時是參數(shù)信息的載體。本規(guī)范主要約定創(chuàng)建時的必要參數(shù)，為元件創(chuàng)建提供統(tǒng)一的屬性模板。包括以下幾點屬性：

（1）元件類別、類型：元件類別的確定需要參照分類原則進(jìn)行歸類。

（2）識別信息碼：參照系統(tǒng)分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，為每一個元件創(chuàng)建唯一識別編碼。

（3）三維尺寸：三維尺寸包含長、寬、高信息，并設(shè)置為可調(diào)節(jié)模式，非可調(diào)節(jié)模式需對參賽進(jìn)行鎖定設(shè)置。

（4）連接件邏輯關(guān)系：對添加兩個以上連接件的元件，需明確連接件之間的邏輯關(guān)系，如主次或進(jìn)出或主備用關(guān)系。

（5）元件創(chuàng)建信息：創(chuàng)建者姓名、創(chuàng)建時間、審核人員姓名等信息。

1.2.2 元件編碼規(guī)范

元件編碼是元件快速檢索與唯一標(biāo)識的重要前提，該系統(tǒng)編碼規(guī)范采用：專業(yè)-構(gòu)件名稱-（大類別）-（小類別），專業(yè)標(biāo)識見表1。

1.2.3 元件分類方法

為保證元件庫的高效管理與準(zhǔn)確調(diào)用，需對元件庫進(jìn)行科學(xué)分類。從BIM全生命周期應(yīng)用角度，元件庫可分為設(shè)計元件和產(chǎn)品元件兩個階段類型。按專業(yè)進(jìn)行劃分，可分為建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、電氣、給排水等專業(yè)元件庫。按業(yè)務(wù)類型進(jìn)行劃分，可分為海上風(fēng)電、陸地風(fēng)電、水利工程等業(yè)務(wù)元件庫。本文采用專業(yè)劃分和業(yè)務(wù)類型劃分相結(jié)合的方式，通過梳理各個業(yè)務(wù)所涉及的專業(yè)建模需求，解耦元件庫與項目之間的關(guān)聯(lián)性，促進(jìn)元件庫在項目間開發(fā)共享，提高協(xié)作效率。海上風(fēng)電業(yè)務(wù)的電氣設(shè)備元件庫分類結(jié)構(gòu)如圖2。

1.3 用戶管理模塊

用戶管理模塊由個人中心、用戶組、人員管理、角色管理等四個功能組成。個人中心功能主要是記錄用戶已發(fā)出、待審批、已完成等操作記錄信息，便于實時了解個人任務(wù)情況。用戶組是用于創(chuàng)建不同組別進(jìn)行協(xié)同工作，組別可按照專業(yè)、項目等實際需求進(jìn)行靈活劃分。人員管理功能是后臺管理功能，系統(tǒng)管理員可對用戶賬號的啟用狀態(tài)、重置密碼、郵箱等內(nèi)容進(jìn)行管理設(shè)置。角色管理功能是根據(jù)用戶的系統(tǒng)權(quán)限等級，設(shè)置其能使用的系統(tǒng)功能，見圖3。例如，專業(yè)負(fù)責(zé)人的賬號登入系統(tǒng)后，有個人中心、統(tǒng)計報表、元件管理、數(shù)據(jù)庫文件管理、人員管理的功能。

1.4 權(quán)限管理模塊

權(quán)限管理模塊是對用戶與元件兩個對象進(jìn)行權(quán)限動態(tài)配置的管理工具，分別為動態(tài)權(quán)限功能和數(shù)據(jù)集權(quán)限配置功能。動態(tài)權(quán)限功能是根據(jù)不同等級用戶動態(tài)配置其對元件數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查權(quán)限，見圖4。該功能還可自定義權(quán)限類別，為后期用戶權(quán)限配置提供快捷選項。數(shù)據(jù)集權(quán)限配置功能的配置對象則是元件，可為單個元件或元件文件配置一個或多個權(quán)限類別，見圖5。

1.5 安全策略模塊

該系統(tǒng)在權(quán)限設(shè)置環(huán)節(jié)采用最小特權(quán)原則和多級安全策略。最小特權(quán)原則即用戶執(zhí)行操作時，按照用戶所需權(quán)限的最小化原則分配。例如，一般專業(yè)技術(shù)人員在元件數(shù)據(jù)庫端只設(shè)置其增、查權(quán)限，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除或更改，保證數(shù)據(jù)的完整性與安全性。多級安全策略是指主體與客體間的數(shù)據(jù)流向和權(quán)限控制按照安全級別的秘密、限制和無級別等三級來劃分。系統(tǒng)通用元件采用無級別安全策略設(shè)置，以便所有用戶快捷高效使用。項目級元件設(shè)置限制級權(quán)限，僅該項目用戶方可查看、修改、使用。而針對涉密、價值高的元件設(shè)置為秘密級別。

同時系統(tǒng)提供文件夾加解密、文件水印和安全日志的功能，防止對文件夾的非法訪問，以及保護(hù)文件版權(quán)。安全日志記錄用戶的登錄名稱、操作時間、下載、檢出、上傳等信息，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并提出解決措施。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用實例

以海上風(fēng)電項目電氣設(shè)備元件庫在2021年1月至9月間建設(shè)情況為例。首先，根據(jù)本文設(shè)計的BIM元件分類方法，依據(jù)不同設(shè)計專業(yè)設(shè)計海上風(fēng)電項目的BIM元件目錄結(jié)構(gòu)，并通過數(shù)據(jù)管理模塊在數(shù)據(jù)庫端進(jìn)行配置。然后用戶上傳按元件創(chuàng)建規(guī)范設(shè)計的元件模型以及相關(guān)資料，提交給同級別專業(yè)人員、專業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人、總工程師等進(jìn)行審核，審核通過后，元件正式入庫。該系統(tǒng)提供了一個統(tǒng)計報表功能，通過可視化方式展示不同專業(yè)下元件數(shù)量，見圖。用戶也可通過全局搜索功能，對元件和相關(guān)文檔資料進(jìn)行檢索，快速查詢相關(guān)信息。

2.2 結(jié)果分析

元件模型的數(shù)據(jù)共享，極大提升了工作協(xié)同效率和使用效率。通過對海上風(fēng)電項目電氣設(shè)備元件庫在元件上傳數(shù)量、共享使用次數(shù)等核心數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出，第二、三季度較前一季度元件數(shù)量增長率分別為117.39%、72%，見圖6。86個海上風(fēng)電電氣設(shè)備共享元件在三個數(shù)字化項目中總復(fù)用次數(shù)達(dá)到263次。

3 結(jié)論

三維數(shù)字化設(shè)計元件庫管理系統(tǒng)作為上海院推進(jìn)BIM發(fā)展的一項重要工作，通過編制元件編碼標(biāo)準(zhǔn)、元件創(chuàng)建規(guī)范、元件分類規(guī)范等一系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)文件，對元件的創(chuàng)建、審核、共享、調(diào)用等全流程規(guī)范化，有效提高了元件的可復(fù)用性，又促進(jìn)了元件庫的開放共享。隨著元件的不斷積累，數(shù)據(jù)庫不斷豐富，能極大提高設(shè)計人員的建模效率和準(zhǔn)確率，為三維正向設(shè)計奠定堅實基礎(chǔ)。

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