摘要：经济的迅速发展和城市人口的急剧增长给地下空间开发带来了机遇。传统的信息化程度低、人力资源密集的设计模式和施工现场管理模式严重阻碍了地下空间开发的进程。本文探讨的地下空间开发的协同化参数设计模块，使得各个专业（建筑、结构、设备等）能够在一个共同的设计平台上开展工作；通过BIM模型作为载体，实现设计信息在设计、施工两个阶段之间无缝传递，达到无损高效的共享；通过开发涵盖进度、质量、安全、成本等方面的施工数据管理平台，在专业协调、成本进度、质量安全管理等方面为项目管理者的精细化管控提供有力的数据支撑。该平台的成功研发将能够有效推动地下空间开发行业的设计和施工全面实现信息化，具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
关键词：地下工程、协同化、正向设计、BIM、信息化
0 前言
地下空间开发日益迅速，现有的设计施工管理模式已经不能满足当前地下工程行业的需求。随着市场竞争的日趋激烈，不断开发新产品快速响应市场需求已成为市场竞争的核心[1]。本文探讨的面向地下空间开发的协同化正向设计、施工一体化数字技术管理平台，不仅能够实现地下空间开发各相关设计专业的协同化参数设计和设计成果的自动化、个性化输出，而且实现了施工过程中的进度、质量、安全等方面的精细化、信息化管理。该平台还应能够完成二维图纸和三维BIM模型的同时交付和同时变更，实现真正意义上的正向设计，达到了设计信息从设计阶段向施工管理阶段的无缝传递，为工程项目在整个建设期的数字化管理提供了条件。
1 数字技术管理平台必要性分析
1.1 协同化设计是设计行业解放生产力的必然选择
目前，地下空间开发的设计行业面临着许多问题，一是建设规模大、周期长、涉及专业众多，各专业之间以及设计和现场之间的接口协调消耗了大量的人力；二是设计内容繁杂且重复性设计多；三是设计质量较随意，难以控制；四是地下工程结构设计辅助软件设计内容较为单一，软件间无法集成，数据难以交换共享…众多问题导致了地下空间开发设计工作者巨大的设计工作量，浪费了宝贵的人才资源。
1.2 “逆向设计”已成为BIM应用最大的绊脚石
BIM的初衷是为了提供一种表达设计意图的手段，即刚开始就创造一个三维模型，并添加相应的信息，应用于整个建设过程。当集成的三维模型链接了信息之后，设计公司就会有个更快、更高质、更充分的设计过程，风险得以减小、设计意图得以维持、质量控制得以改进、交流更加明确化，高级分析工具也得以更有效的利用，其示意图见图1。这个过程就是我们所谓的BIM正向设计。但是目前国内BIM的主流是先完成施工图，然后根据施工图再建立三维模型，也就是我们经常说的翻模，这完全违背了BIM的初衷。另外，翻模工作还浪费了大量的人力物力，并且当设计图纸有所变更时，翻模建立的BIM模型也不能实时进行修改，上述各种因素都限制了BIM进一步的数据应用和发展。
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图1 BIM正向设计示意图
1.3 基于BIM的施工数据管理已是大势所趋
虽然我国建筑业产值规模巨大，但产业集中度不高、信息化水平落后、生产效率低的不足依然明显。我国建筑业产值利润率较低，长期在 3.5%左右，仅相当于工业产值利润率的一半，同时从世界 500 强中的建筑企业利润水平统计来看，国外企业利润率大多在 3%-4%的水平，而国内企业同期仅为 1%-2%，主观上对提升建筑业产值利润率的需求非常迫切（见图2）。尽管我国建筑企业一直在提倡集约化、精细化，但没有信息化技术的支持，生产效率很难改善。而BIM（建筑信息模型）技术的出现为建筑企业的精细化管理提供了可能。随着信息技术的发展，特别是互联网技术的发展和大容量、高性能计算机硬件的开发使用，建设规模大、建设周期长、参与方多的建设项目信息技术化已经成为可能。在施工中，相对于传统的现场技术管理，BIM技术在计量精确性、技术指导性、现代化管理、现场可控、成本控制五大方面有无可比拟的优势。
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图2 国内外建筑业利润率对比图
2 数字技术管理平台功能结构分析
数字技术管理平台应主要包括协同化设计模块和施工数据管理模块两大部分，两者以设计阶段实时生成的BIM模型为纽带形成一个有机的整体，使得设计数据准确、高效地贯穿于工程项目的整个建设期，其概览图详见图3。
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图3 数字技术管理平台结构概览图
2.1 协同化设计模块
协同化设计模块应着力于实现地下空间开发各相关设计专业在同一平台上进行设计，达到了设计数据实时共享，有力解决了各专业间的沟通难题；将各专业计算软件或插件嵌套在平台中，能够快速对设计方案进行校核和比较；采用参数化设计模式，能够对设计成果（CAD图纸、计算书、BIM模型）实现快速、准确的输出和变更响应[2~4]。
协同化设计模块应主要包含以下三个部分：（1）信息输入模块：适用于地下空间开发各相关设计专业的设计信息输入，主要包括建筑、结构、设备等。该部分应能实现上述专业绝大部分设计内容的参数化定义，所有输入的数据均保存至平台的数据共享中心供后期计算分析和设计成果的调用。（2）计算分析模块：将各专业的计算软件和插件封装至设计平台内，实现设计过程中的实时调用，提高设计效率。特别对于结构设计专业庞大复杂的计算内容进行针对性的开发，其能够根据前期输入的构件信息遵照相关规则自动简化建立数值模型进行分析计算，内力结果能够自动映射到构件计算插件中进行构件验算，最大程度地解放了设计人员的生产力。（3）成果输出模块：由于技术、设备等各方面的原因，CAD二维图纸在工程建设领域的主流地位不会改变，并且由于BIM的自动出图模块无法人为控制，因此该平台支持CAD图纸和BIM模型的同时输出，参数化的定义也使得上述设计成果的修改更加快速、准确和全面。此外， CAD图纸的作图样式以及BIM模型的拆分支持个性化设置以满足不同的需求。
2.2 施工数据管理模块
施工数据管理模块是以设计阶段生成的符合要求的BIM模型为基础进行的相关的模型数据应用方面的开发。通过BIM模型附带的设计信息以及后期施工管理人员对施工过程中资料的采集，能够实现施工过程电子化和信息化的管理，为项目管理者的精细化管控提供有力的数据支撑[5]。
施工管理模块主要包括：（1）进度管理：分为整体进度管理和工程进度管理两个部分，前者主要是对该工程的时间进行分配，保证工程有序的进行。后者则结合现场实际施工的顺序和时间进行填写，记录目前工程的实际进度，方便与总计划进行对比，对接下来的施工计划进行调整。（2）质量管理：主要分为检验批和质量控制要点。检验批是对构件进行分类和统计并结合现场施工时间对应上传检验批；质量控制要点主要是监理审核时上传重点控制部位照片，做到一一对应。（3）成本管理：主要是物料管理，用于统计工程材料的消耗量，通过理论量与实际量的对比来更好的指导施工。（4）安全管理：包括人员、机械设备和危险源管理。人员管理是对各类人员进行了信息统计和职能划分；机械设备是对大型机械设备和检测设备的类型、合格证书及有效的年检证明等进行统计；危险源管理是对可能发生事故的所有危险源进行统计，经过安全员巡视后然后勾选现场存在的事故危险源以方便整改。平台还对监测、反馈等模块进行了开发。
3 社会效益及经济效益分析
近年来，由于我国经济的迅速发展、城市人口的急剧增长，地下空间开发成为必然趋势，这给地下工程的发展建设带来了机遇。与此同时，由于地下工程设计施工过程的复杂性，仍存在着生产效率低，信息化程度低等诸多问题。本文探讨的数字技术管理平台能够有力解决地下工程开发的设计施工过程中的痛点，产生巨大的社会效益和经济效益。
3.1 社会效益
数字技术管理平台能够带来的社会效益主要有：（1）设计模式的改变。目前现有的地下空间开发的设计过程由于设计内容繁多，设计过程复杂，而辅助设计软件大多是针对于地下工程单一设计内容而开发，无法集成应用，设计数据难以交换和共享，各专业之间的沟通和数据传递存在巨大的困难。数字技术管理平台倡导的协同化设计是将地下工程开发涉及的各专业整合到一个大平台中，各专业间以及单专业的不同设计阶段间的信息数据能够达到完全的实时共享，极大地提高设计人员的生产效率。（2）施工现场管理模式的改进。目前的施工现场管理主要依靠现场人员以及纸质材料的传递，浪费了大量的人力成本。该平台能够实现工程资料的全电子化管理，同时能够确保了资料的一致性，为未来整理竣工档案提供有效的支持。此外工程数据的快速整理能够准确、便捷地提供所需的工程数据，供施工管理者使用。（3）提升地下空间开发行业的信息化水平。本平台的成功研发能够全面实现设计过程的协同化、参数化和智能化以及施工现场管理资料的全电子化管理，全面提升地下工程开发行业的信息化水平，全面引发建筑业信息化的二次革命，见图4。
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图4 建筑业信息化的二次革命
3.2经济效益
数字技术管理平台带来的经济效益主要有：（1）设计成本的降低。目前地下空间开发的发展十分迅速，因而对相关设计人员的需求也越来越大，但是现在设计人员的时间都消耗在专业间沟通和图纸绘制上，造成人力资源极大地浪费。该平台中的协同化参数设计模块能够达到各专业间设计信息的实时共享并能够达到设计图纸的参数化绘制，最大程度的降低设计成本。（2）施工现场管理成本的降低。目前的施工现场管理所涉及的人员数量大、种类多，工程资料的庞大复杂，导致了现场协调的成本以及工程资料收集整理的成本都较高。该平台的施工数据管理模块能够实现设计数据从设计阶段向施工管理阶段的无缝传递以及实现工程现场资料的全电子化，极大地降低的施工现场管理成本。（3）工程投资的降低。采用BIM技术可以在设计阶段就进行施工模拟及早发现目前设计方案存在的问题并及时修改，减少了后期设计变更的次数，有助于业主控制工程成本，降低工程投资。
4 结论
目前众多单位对于地下工程的设计、施工两个阶段都进行了针对性的信息化开发工作，但是两个模块相对独立，例如我院已经开发完成的地下工程参数化标准设计平台和应用于苏州河段深层排水调蓄管道系统工程项目的BIM施工数据管理平台。相信通过众多设计师和科研工作者的不懈努力，设计阶段和施工阶段的数据壁垒终将被打破[5]。届时面向地下空间开发的协同化正向设计、施工一体化数字技术管理平台将能够实现地下工程项目全建设周期的管理，对于地下空间开发行业全面实现信息化具有重要意义。
参考文献
[1]曾志华,易德龙,李岩.核电工程设计平台同步协同应用[J].电信科学,2017,33(05):171-175.
[2]吕兴举. 基于AutoCAD的协同设计平台设计与实现[D].山东大学,2016.
[3]邓雪原,苏昶,孙朋,王国俭.上海现代建筑设计(集团)建筑协同设计平台研究与应用[J].土木建筑工程信息技术,2010,2(03):96-103.
[4]王勇.三维设计和协同设计平台在核电设计院的应用[J].核动力工程,2010,31(03):96-101.
[5]陈杰. 基于云BIM的建设工程协同设计与施工协同机制[D].清华大学,2014.
论文作者:赵玉同
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/12
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