文章编号：0258-2724(2021)01-0176-06 DOI: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200035
史海欧 1
，袁 泉 1
，张耘琳 1
，曾文驱 1
，郑 庆 2
，丁国富
2
（1. 广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；2. 西南交通大学机械工程学院，四川 成都
610031）摘 要：为了实现多专业之间基于数据驱动的协同设计，提高设计效率，在分析城市轨道交通正向协同设计模式的基础上，提出了基于数据驱动的多专业正向协同设计技术. 首先建立符合城市轨道交通领域特点的七维建筑信息模型，采用工业基础类表达三维设计模型并解析形成模型结构树；然后通过模型交互和数据提取，完成交互构件参数设计；最后基于数据驱动和协同消息，调整协同构件的设计参数，完成协同设计过程. 通过实际案例分析表明：提出的数据驱动的多专业正向协同设计技术能够有效促进城市轨道交通各专业间数据交互和协同，实现多专业间的正向协同设计，形成优化设计方案、提高协同效率. 关键词：城市轨道交通；七维建筑信息模型；协同设计；模型交互；数据驱动中图分类号：U239.5 文献标志码：A
Multi-Discipline Forward Collaborative Design Technology Based on
BIM Interaction and Data-Driven
SHI Haiou 1
, YUAN Quan 1
, ZHANG Yunlin 1
, ZENG Wenqu 1
, ZHENG Qing 2
, DING Guofu
2
(1. Guangzhou Metro Design &Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，China; 2. School of Mechanical Engineering ，Southwest Jiaotong University ，Chengdu 610031，China)
Abstract : In order to realize data-driven collaborative design among multiple disciplines and improve design efficiency ，with the analysis of the forward collaborative design model of urban rail transits ，the data-driven forward collaborative design technology is proposed for multiple disciplines. Firstly ，the seven-dimensional building information model (BIM) that conforms to the characteristics of the urban rail transit is adopted. The three-dimensional design model is expressed by industry foundation class (IFC) and parsed to form the model structure tree. Then ，the interactive component parameter design is completed through model interaction and data extraction. Finally ，based on data-driven and collaborative information ，the design parameter
s of collaborative components are adjusted ，and the collaborative design process is completed. The case analysis shows that the data-driven forward collaborative design technology proposed in this work could effectively promote data interaction and coordination among the various disciplines of urban rail transit. It realizes the forward collaborative design among multiple disciplines ，and contribute to forming an optimized design scheme and improving collaboration efficiency.
Key words : urban rail transit; 7D building information modeling (BIM); collaborative design; model interaction; data-driven当代艺术品投资
收稿日期：2020-02-02 修回日期：2020-04-03 网络首发日期：2020-10-21基金项目：国家重点研发计划（2017YFB1201102）
第一作者：史海欧（1965—），男，教授级高级工程师，硕士，研究方向为城市轨道交通工程管理、结构及岩土工程设计，E-mail ：
******************
引文格式：史海欧，袁泉，张耘琳，等. 基于BIM 交互与数据驱动的多专业正向协同设计技术[J]. 西南交通大学学报，2021，56(1)： 176-181．
SHI Haiou ， YUAN Quan ， ZHANG Yunlin ， et al. Multi-discipline forward collaborative design technology based on BIM interaction and data-driven[J]. Journal of Southwest Jiaotong University ， 2021， 56(1)： 176-181．
第 56 卷 第 1 期西 南 交 通 大 学 学 报
Vol. 56 No. 12021 年 2 月
JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY河南300万人死亡
Feb. 2021
我国正处于城市轨道交通急速、全面发展的新时期[1]. 城市轨道交通工程是一项复杂而庞大的系统工程，它涉及岩土、建筑、结构、机电设备、通信、信号、车辆、轨道等30多个专业的高度集成，涉及专业多、交叉接口繁多，接口复杂，参与设计、技术管理的人员众多，工程协调难度大[2]. 目前，城市轨道交通工程主要采用2D设计，本专业设计完成以后，将2D图纸、设计报告等文档交付给其他专业. 这种设计方式存在设计变更多、变更难发现、协同效率低等问题.
建筑信息模型 （building information modeling，BIM）是一种以3D数字技术为基础的，集建设工程设计、施工、管理为一体的新方法. 随着数字化、信息化的不断发展，BIM逐渐应用到轨道交通领域[3].
城市轨道交通设计过程中，不同专业使用多种设计建模与分析软件，例如Revit、Bentley、AutoCAD、ArchiCAD、Robot、DIALUX等，各软件数据格式不一致，无法直接进行交互，造成了信息冗余、一致性差、数据重复利用难度大等问题[4]. 而且目前的3D设计方式主要是基于2D图纸的3D翻模，并没有实现真正的3D正向设计.
协同设计在产品制造领域得到广泛应用[5-6]，为解决上述问题，专家学者尝试将协同设计的理念和思路应用到城市轨道交通设计中，以BIM技术为基础，研究了城市轨道交通的协同设计模式、设计方法和协同平台等内容. Liu等[7]通过实例分析、访谈等方法，研究了BIM技术在协同设计中的积极作用.王巧雯等[8]探索构建了BIM一体化多专业协同设计流程框架. 为提高协同设计过程信息流和BIM可交付成果的效率和一致性，Kassem等[9]研究可在整个供应链的项目级别使用的BIM协同设计协议. 王勇等[10]从设计管理的角度出发，研究提出了协同设计中的BIM模型管理机制. 杨新等[11]研究了以关系型数据库 + 模型图纸文件管理器为核心的“数模分离”式BIM正向设计平台的架构，实现一体化设计与管理. 通过将设计师设计建筑模型的过程映射为游戏过程，Edwards等[12]实现多用户协作和交互式设计. OH等[13]研究提出了基于功能集成、信息管理和过程支持的BIM协同设计系统. Zada等[14]开发协作BIM 平台以解决将对象版本控制和IFC模型进行集成的挑战. El-Diraby等[15]通过构建基于BIM的网络协同设计平台，让设计人员和终端用户同时参与设计过程中，以更好地满足设计需求. 目前，基于BIM的协同设计大多是基于设计文件和3D模型的协同，并没有实现数据级的协同，难以在
多软件、多平台之间实现数据交互和协同设计，导致数据交互困难、协同效率低等. 本文在分析城市轨道交通多专业协同设计模式的基础上，通过协同设计平台解析模型，基于IFC （industry foundation class）标准实现数据提取，便于数据在多软件之间交互和流通，研究基于数据驱动的多专业正向协同设计方法.
1 城市轨道交通正向协同设计模式
城市轨道交通有30多个专业参与3D设计，各专业相互协同完成建模. 在使用Revit软件进行3D设计时，由项目设计总体部门创建设计中心文件，其他专业在中心文件的基础上完成设计内容. 一般由建筑专业开始，完成建模以后开放给工点内部专业，包括给排水、通风空调、供电系统等，各专业在建筑模型的基础之上完成建模后，反馈给建筑专业确认，如此反复修改直至各专业全部完成. 工点内部专业设计完成以后，向系统各专业同时开放设计模型，包括通信、信号、屏蔽门、电梯等专业，各专业在此基础上完成本专业设计建模，再反馈到建筑专业确认，形成设计模型.
传统的设计方式存在设计交互滞后、设计变更多、协同效率低等不足. 因此，本文提出了基于模型交互和数据驱动的多专业正向协同设计技术，该技术的总体框架如图1所示.
张培基项目总体
建筑设计结构设计供电设计通风空调设计
模型结构三维模型
图 1 多专业正向协同设计技术框架
Fig. 1 Technology framework of multi-discipline
forward collaborative design
步骤1 项目总体根据技术需求制定工程设计技术要求，形成项目总体设计规划和设计流程图.
步骤2 各专业根据技术要求开始工程设计，
第 1 期史海欧，等：基于BIM交互与数据驱动的多专业正向协同设计技术177
创建专业3D模型，将模型同步到协同设计平台.
步骤3 平台解析3D模型，将模型重构形成结构树. 其他专业在设计过程中访问协同设计平台，提取需要交互的构件模型和设计参数.
步骤4 各专业将设计结果同步到平台，平台将设计参数推送给各交互专业，当全部确认以后，协同过程结束，否则继续修改交互构件的设计参数.
根据以上协同技术框架，首先需要对同步到协同设计平台的3D模型进行解析和重构，然后基于数据提取和消息推送实现多专业正向协同设计.
2 基于结构树的7D BIM解析与表达
建筑行业常用5D BIM，包括3D、时间维和成本维[16]. 传统建筑行业涉及的专业较少，主要包括建筑、结构、给排水、通风空调、供电等. 城市轨道交通包括30多个专业，每个专业包含大量的子系统和构件，现有的5D BIM难以有效地表达城市轨道交通.本文在原有5D的基础之上，增加专业维和构件组成维形成7D BIM，便于模型的结构化、层次化表达，更加细粒度地体现城市轨道交通所包含的内容，7D BIM表达如式（1）所示.
式中：S为构件所属的专业；D为最小粒度构件所包含的属性参数；C为成本信息；T为生命周期；X、Y、Z为几何3D信息.
IFC是国际通用的基础工业类统一表达规范，可以在不同设计软件之间进行数据交互. IFC标准通过IfcRoot逐级派生实体，完成对构件实体及属性的表达[17]. 在模型解析时，基于IFC表达规则可以恢复模型的3D结构及其属性信息. 本文采用IFC表达3D模型.
城市轨道交通模型中包含大量构件，难以快速到特定构件，严重影响协同设计效率. 本文提出的7D BIM从最小的构件粒度表达城市轨道交通全生命周期的所有信息. 为了便于多用户协同交互，采用结构树的形式表现7D BIM，如图2所示.
图2（a）为5层级结构树：线路、建模对象、专业、子系统和构件，表达7D BIM的专业和构件组成，图2（b）为3层级结构树：构件、属性分类和参数，表达7D BIM的3D几何、全生命周期属性和成本信息.
在协同设计过程中，各专业访问协同设计平台，通过线路、建模对象（车站、区间、停车场/车辆段、控制中心/主变电站）、专业、子系统所组成的结构树，快速查到构件，获取该构件的全生命周期所有属性信息，实现数据的共享.
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图 2 7D BIM结构树表达
Fig. 2 7D BIM expressed as structure tree
3 基于数据驱动的正向协同设计技术
基于协同设计平台实现各专业之间的设计协同. 将专业间的交互协同关系定义到平台中，某专业设计模型的IFC文件同步到协同设计平台后，平台通知需要交互协同的其他专业. 其他专业收到消息，访问平台并查看模型及属性信息，将需要交互的构件及属性提取到本地，支撑本专业的设计，实现多专业之间的协同，形成3D设计模型.
选取A、B两个专业，描述基于7D BIM交互的数据驱动协同设计过程，如图3：专业A完成建模后将模型同步到协同设计平台，平台解析模型，生成如图2所示的结构树，表达该专业构件及设计属性；专业B设计过程中需要与专业A协同，平台将专业A模型上传的消息通知专业B设计人员，专业B 设计人员在平台上查看专业A模型结构树，查需要交互的构件，获取该构件的模型和数据，以此为参考在本地3D设计软件中完成专业B建模，并同步到协同设计平台；专业A接收到消息后查看与专
178西 南 交 通 大 学 学 报第 56 卷
esensoft
土著菌业B 交互的构件，确认设计参数是否符合要求，并重新设计被提取构件的参数，修改后再同步到平台，
供专业B 参考. 如此反复，直到满足两个专业的设计要求为止.
设计需求
技术指标
标准规范
经验知识
...
专业 B 专业 A 图 3 多专业正向协同设计过程
Fig. 3 Multi-discipline forward collaborative design process
多专业正向协同设计的详细步骤如下：步骤1 模型解析与重构
专业A 在本地3D 设计软件中进行设计建模，将模型IFC 文件同步至协同设计平台. 平台解析模型所包含的构件，生成项目结构树. 解析构件的属性，将各类型属性参数采用结构树的方式表达. 设计阶段只有几何信息和设计属性. 其中构件M 共包含4个设计参数：M ={A 1, A 2, A 3, A 4}.
步骤2 数据提取与构件设计
A 1A 2A 3A 4专业
B 在设计本专业的构件N 时需要参考专业A 中构件M 的设计参数. 专业B 接收到平台消息后，通过协同设计平台查看专业A 的模型，从模型结构树中到构件M ，并向平台发送请求：提取专业A 的构件M ，用于专业B 构件N 的设计. 平台审核通过以后，将构件M 的模型及设计参数 、 、
、 ，以IFC 文件和数据表的形式导出，其中
IFC 文件用于表达构件M 的3D 形状，数据表用于保存设计参数. 专业B 在本地3D 软件中完成构件N 的设计：N ={B 1, B 2, B 3}.
步骤3 协同构件参数调整
B 1B 2B 3
当专业B 提取专业A 构件M 的模型及设计参数时，协同设计平台以消息的方式通知专业A ：构件M 被专业B 提取，用于构件N 的设计. 当专业B 完成设计并将模型同步到协同设计平台后，平台会再次给专业A 发送消息：专业B 已经完成构件N 的设计. 同时将构件N 及其设计参数 、 、 A ′1,A 2,A 3,A ′
4A ′1A ′4发送给专业A ，专业A 根据交互构件的设计参数，判断构件M 设计参数是否需要修改，如果需要，则
重新设计构件M 的参数 ，并将修改后
的模型及参数同步到平台. 平台对比分析两个版本
的模型，标记已经修改的设计参数 、 ，发送消
息“专业A 构件 M 设计参数已经修改”给专业B.
专业B 通过协同设计平台查看修改后构件M 的设计参数，判断构件N 的设计参数是否需要修改，如果需要，则按照上述步骤修改.
步骤4 确认设计参数，完成协同设计专业A 和专业B 按照步骤3的方式反复确认构件M 和构件N 的设计参数，直到设计参数全部不再修改，则完成正向协同设计. 通过该协同设计方法，建立各专业的3D 设计模型.
4 实现案例
本文选取某地铁站环控电控室设计为例，详细介绍基于BIM 交互与数据驱动的多专业正向协同设计过程，案例如图4所示.
S =99m 2n =16环控电控室设计由建筑、结构、供电、通风空调4个专业协同完成. 首先由建筑专业开始3D 设计，在本地创建设计模型后同步到协同设计平台. 平台解析建筑模型IFC 文件，如图4（a ）所示. 环控电控室面积 ，可容纳供电设备数量 ，包含两道设备门，型号分别为GFM1021和GFM1221，其中设备门GFM1221的设计参如下：
第 1 期史海欧，等：基于BIM 交互与数据驱动的多专业正向协同设计技术179
结构专业收到建筑模型上传消息后，访问平台提取环控电控室模型，在本地3D 设计软件中完成构造柱设计和顶板设计，确定拉结筋结构位置. 并将模型同步到平台，如图4（b ）所示.
n ′=20a 2=2200mm b 2=1000mm c 2=800mm 供电专业收到建筑模型上传消息后，访问平台提取环控电控室建筑模型，在本地3D 设计软件中设计供电设备，数量 ，含备用设备2台，每台的尺寸参数为高度 、宽度 、长度 ，如图4（c ）所示. 同时通风空调专业提取环控电控室模型，完成通风管道设计.
供电专业和通风空调专业将设计模型同步至协同设计平台，平台将供电设备参数发送建筑专业设计人员. 建筑专业根据检修及搬运供电设备需要，将设备门GFM1221修改为GFM1527，修改后的设计
参数如下：
S ′=101m 2根据设计标准规范，设备距离墙体需要满足检修通道宽度需求，然而目前设备与墙体之间的距离不能满足需求. 为了满足设备于墙体之间的检修通道距离，重新调整环控电控室的面积 ，如图4（d ）所示. 同时结构专业重新设计电控室的构造柱、顶板和拉结筋.
建筑专业和结构专业完成设计后将模型同步到协同设计平台，供电专业确认模型，通风空调专业重新设计风口，增加了排烟功能，完成后的环控电控室模型如图4（e ）所示.
通过基于模型交互和数据驱动的正向协同设计，不仅得到优化的设计方案，而且减少设计变更、提高协同设计效率.
(a ) 协同平台解析模型(b ) 环控电控室建筑与结构模型(c ) 环控电控室配电与通风模型
(e ) 通风空调专业调整后的模型
(d ) 建筑与结构专业调整后的模型图 4 环控电控室正向协同设计
Fig. 4 Collaborative design of central electronical control room
5 结 论
数据驱动模式下的协同设计已经成为复杂产品智能制造技术的一项关键技术，然而在城市轨道交通领域并没有得到有效应用. 针对目前城市轨道交通设计过程中多专业间协同效率低、数据交互难等问题，本文研究基于BIM 交互与数据驱动的城市轨道交通多专业正向协同设计模式. 协同设计平台是
各专业进行模型交互、支持协同设计过程的载体；在5D BIM 的基础上增加专业维和构件组成维，构建了7D BIM ；采用国际通用的IFC 标准表达BIM 并解析形成模型结构树；提出了多专业正向协同设计技术，各专业通过访问协同设计平台提取模型和数据，并基于数据驱动和消息通知实现协同设计，减少设计更改、提高协同设计效率. 本文提出的多专业
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第 56 卷
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