基于实体结构分解的设计转施工模型研究.pdf

收稿日期:20230602;修回日期:20230626基金项目:中铁工程设计咨询集团有限公司科技开发课题(BIM-研2021-3)作者简介:栗 伟(1972),男,高级工程师,1996 年毕业于兰州铁道学院铁道工程专业,工学学士,主要从亊铁路勘察设计工作,E-mail:lw920563 。第 67 卷 第 10 期2023 年 10 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.10Oct.2023文章编号:10042954(2023)10021407基于实体结构分解的设计转施工模型研究栗 伟1,赵博洋2,陈 翔1,刘 昭1,王兴鲁1(1.中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022;2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)摘 要:为解决铁路领域设计阶段模型传递给施工阶段存在的重复建模和模型与业务关联度不高的问题。提出一种标准化的模型转化方案,并探索基于该方案的模型与施工业务关联的方法。分析设计阶段和施工阶段的编码体系对应关系,提出实体结构分解的最佳方案。该方案将设计阶段模型按照施工业务的不同组成部分进行拆解,以保留模型的细节和关联信息。为实现模型转化,研究开发自动赋码和编码模板关联管理的软件工具,以减少工作量和人为赋码的错误。研究结果显示,采用该标准化模型转化方案的项目在质量管理方面、进度管理方面取得提升,并实现成本节约。本研究结论为该模型转化方案有效支持施工业务管理,提高项目管理的效率和质量,减少误差和重复工作,实现成本节约和整体绩效的提升。基于现有标准和规范体系,具有较好的可复制性,为不同建设领域基于 BIM 的全周期管理提供有益的参考,并展示铁路领域在设计与施工阶段实现模型转化的创新点。关键词:BIM 技术;设计阶段;施工阶段;模型转化方案;结构分解;编码关联;部位树;铁路工程中图分类号:U215 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202306020001Research on Design-to-Construction Model Based on Entity Structure DecompositionLI Wei1,ZHAO Boyang2,CHEN Xiang1,LIU Zhao1,WANG Xinglu1(1.Jinan Design Institute,China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Jinan 250022,China;2.China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China)Abstract:In order to solve the problems of repeated modeling and low correlation between the model and the business existing in the railway field design stage generated by model conversion in the construction stage,this paper proposes a standardized model conversion scheme,and explores the method of associating the model with the construction business based on the scheme.The corresponding relationship between the coding system in the design stage and the construction stage is analyzed,and the best solution for the decomposition of the entity structure is proposed.The scheme disassembles the design stage model according to different components of the construction business to preserve the details and associated information of the model.In order to realize model conversion,software tools for automatic coding and coding template association management are developed so as to reduce workload and human coding errors.The research results show that projects adopting the standardized model conversion scheme have improved quality management and progress management,and achieved cost savings.This study concludes that the model conversion scheme effectively supports construction business management,improves the efficiency and quality of project management,reduces errors and duplication of work,and achieves cost savings and overall performance improvement.Based on the existing standards and specification system,it has good reproducibility,provides references for BIM-based full-cycle management in different construction fields,and demonstrates the innovation of model conversion in railway design and construction stages.Key words:BIM technology;design stage;construction stage;model conversion scheme;structure decomposition;code association;part tree;railway engineering引言对于如何应用 BIM 技术解决工程项目管理、计量支付等方面的问题,国内外很多学者做了大量研究工作。王同军1在分析国内整体技术现状的基础上,对基于 BIM 的铁路工程管理平台建设的思路给出建议;Bensalah M.等2以摩洛哥的铁路实际案例为基础,分析将建筑信息模型技术集成到铁路项目的优点;Neves J.等3分析在工业 4.0 背景下,BIM 技术在轨道修复过程中的应用;Noor B.A.等4通过分析和审查 BIM相关出版物的知识现状,探索 BIM 在土木工程建设项目的应用,特别是在铁路中间站建设过程中的应用;Biancard S.A.等5研究不同模型工具的参数化建模方案应用在铁路项目的可行性,分析铁路工程构件参数的处理和对象库的构建过程;林永民等6依托 BIM技术,结合计算机辅助工艺设计系统(CAPP)、企业资源计划平台(ERP)、制造执行系统平台(MES)构建装配式建筑信息管理平台;David K.C.等7研究利用工作分解结构(WBS)的概念进行工作界面管理的思路;付欢等8从基于 BIM 的工程量计算与计价层面分析BIM 模型与造价信息关联机制;Narvaez A.C.9等研究基于成本分解结构的模型如何与项目管理结合的过程。这些研究从不同领域、不同深度分析了 BIM 技术的应用方案或技术现状,将 BIM 技术的应用从碰撞分析的浅层应用推向与业务关联的深层应用。要实现业务关联的深层应用,就要解决设计阶段到施工阶段的模型传递问题,避免重复建模导致的信息偏差和重复投入。通过分析各类编码体系后,应用各种分类编码对模型进行分解,可以实现项目各阶段、各方及各类信息管理平台对信息数据的规范应用10。因此,设计到施工阶段的模型转化问题,通过编码之间的关联实现。首先要面对的是编码多样性的问题,例如:IFD 标准是为规范铁路工程信息的分类、编码与组织,实现铁路工程全生命周期信息的交换、共享,推动铁路工程信息模型的应用发展而制定的标准11,同时还存在 EBS、WBS 等编码体系。还要通过分析比较目前国内外 BIM编码体系的应用现状和优劣势,研究国内对建筑工程信息编码体系和企业物料编码体系、国标清单体系之间的关系12,可以进一步分析数据之间的关联方案。铁路工程为带状工程,跨线长、跨区多、涉及专业多、协调难度大,难以从设计、施工到运营维护全周期的角度开展设施设备的统一化管理13,难以实现铁路工程项目相关构件的全生命周期管理14。这涉及到对工程进行分解,分解的层次和深度由项目的复杂程度和所需细目决定15,以及将施工企业的管理信息化ERP 和技术信息化 BIM 进行横向打通的问题16。另外,构件拆分也是需要细致考虑的问题,例如:桥梁工程 BIM 模型构件拆分首先按照结构体系的不同分为梁式桥、拱式桥、斜拉桥、悬索桥等 4 种基本结构17。因此,需设计一套编码体系,通过唯一的身份信息,将设计、施工、运维等多方对于编码的使用有效地统一,从而实现信息化、标准化、系统化的管理18。除此之外,在标准的制定方面,基于 BIM 的标准分类编码体系与对 BIM 各相关软件之间的数据交换研究力度还不大。分类编码标准的研究也是需要考虑的问题19。1 设计转施工模型时遇到的主要问题1.1 模型用途不同导致的问题三维设计相对于传统的二维设计而言,不是一个简单的升级,而是一个跨越的变革20。设计阶段模型的建模用途主要是为了实施碰撞分析和设计成果检查,避免设计成果存在瑕疵,减少后续设计变更的发生,进而提高项目成本管理效果。其建模的内容一般是聚焦在分析的重点部位,例如:梁、板、柱、建筑外墙、机电主管道等位置,甚至在时间紧迫时,可以允许设计模型存在一定的碰撞,但在施工阶段是不允许发生的。施工阶段模型的主要建模意图是利用 BIM 模型提高施工管理效果,降低施工成本。其对模型的应用除了碰撞分析外,更倾向于进度、质量、成本的管理。因此从建模细度上来说,施工阶段的模型细度要比设计阶段更精细。1.2 模型划分方式不同导致的问题设计阶段对模型的划分主要依据专业进行拆分。因其建模的主要需求就是碰撞分析和功能检查,所以依据专业进行拆分已能够满足其使用需求。施工阶段对模型的拆分除了依据专业外,还要依据施工流水划分和工艺顺序,如:主体结构要按施工流水段进行拆分、建筑墙体要按砌筑实体和建筑面层进行拆分等,模型划分要更加细致。不同的划分方案导致模型信息直接传递和利用的难度增大,导致施工单位更倾向于独立建模。1.3 模型信息的准确性问题模型信息的准确性容易出现问题。虽然可以在建模前通过建模标准规范信息录入的要求,但是不同人512第 10 期栗 伟,赵博洋,陈 翔,等基于实体结构分解的设计转施工模型研究员的建模手法和负责态度不同,其建模的规范性就会有差异,例如:编码输入错误、构件命名错误等,会因为人员的不同和失误而造成差异,从而导致交付的模型不规范,无法满足施工使用需求。1.4 模型信息无法顺利传递建模用途和划分方式的不同以及建模不规范的问题,导致模型传递时会出现无法使用的情况,要在原有模型基础上作大规模调整。这种调整有时候是不可预测的,例如:调整一个构件的连接关系,可能导致构件超过原位置或偏心。在面对这种情况时,接收模型的施工单位更倾向于重新建模,导致模型信息无法顺利传递。2 解决方案的总体思路2.1 主要目标在进行设计阶段向施工阶段的模型转化时,通过编码间的关联关系进行模型实体的转化,以达到设计阶段模型向施工阶段模型的转化,并为后续的业务关联过程提供支持。重点在于设计阶段和施工阶段编码方案的关联性,并规范建模过程,实现基于编码方案的结构实体分解,并通过自动赋码工具以降低工作量和减少错误。因此,确定总体解决方案是针对模型传递过程的数据规范性、实体结构分解的多用途方案为主,主要目标如下。(1)解决模型数据传递不统一的问题。(2)解决模型重复利用率低下,不能共享、不能协同的问题。(3)解决设计模型树与施工模型树无法对应转化的问题。2.2 技术线路和关键技术根据确定的目标,实现模型转化的核心是实现编码的关联。只要模型实体结构基于规划好的编码进行创建,就可以通过已建立的编码关联关系,实现设计阶段模型到施工阶段模型的转化。主要技术路线如图1 所示。图 1 关键技术线路Fig.1 Key technology circuit(1)确定实体分解和编码关联方案要实现设计阶段模型到施工阶段模型的转化,主要依靠编码之间的关联,首先要完善编码树和分解方案,明确不同编码树之间的关联关系。(2)建立编码和构件关联关系建立编码方案,并解决编码之间的关联关系后,需要建立编码与构件之间的关系,并准确落实编码与构件的对应关系。(3)建立业务与编码的关系建立编码体系与构件实体的对应关系后,通过不同编码之间的对应关系,建立构件与不同业务需求之间的对应关系,实现业务与模型数据的联动,或者实现不同业务之间的数据联动。2.3 技术架构分析技术架构总体上按技术路线进行设计,实现编码对模型的赋码管理,编码之间的关联管理,编码与业务工作之间的关联管理。主要技术架构如图 2 所示。图 2 技术架构Fig.2 Technical architecture配套软件工具主要分为两部分,即 WEB 端和PC 端。(1)编码创建和关联的 WEB 端工具主要实现的是模型的信息提取、模型的查看、编码关联过程的处理。(2)自动编码的 PC 端工具主要是用于自动赋码和编码关联数据的同步。3 结构实体分解涉及的编码方案及特点实现设计阶段、施工阶段不同编码体系的关联,完成设计模型到施工模型的转化,首先要分析各个编码体系的特点。3.1 EBS 编码体系的特点工程系统分解结构(EBS)将规划、设计、施工、运行统一起来,形成一体化的集成管理过程,是现代工程管理中不可缺少的工具,在工程设计、计划、全寿命周期费用管理、全寿命期信息管理和组织管理中发挥着重要的作用21。依据铁路工程实体结构分解指南的要求,EBS 编码对铁路工程实体结构分解思路是按照铁路专业工程分类,依据线分法原则,对各类工程按工点进行工程实体结构的分解。EBS 在充分研究和分612铁 道 标 准 设 计第 67 卷析工程量清单计价指南和施工质量验收标准的基础上,从设计、施工的习惯对工程实体结构进行梳理,形成统一的工程实体分解结构,内容全面包含工程量清单计价指南和施工质量验收标准,并对施工和项目管理的内容做了补充和扩展,提高结构分解的精细度、准确性和一致性22。EBS 的常规深层编码由 68 组数字构成,每组数字两位,共计 1216 位编码。EBS 编码样例见图 3。图 3 EBS 编码样例Fig.3 EBS encoding example3.2 清单编码体系的特点清单编码是依据 TZJ 10062020铁路工程工程量清单规范的要求,主要根据工程量特征的不同,对工作进行划分,其编码具有唯一性,与 EBS 编码之间具有一定的对应关系。清单编码样例见表 1。表 1 清单编码样例Table 1 Example of manifest encoding子目编码名称计量单位05特大桥延长米0501一、复杂特大桥延长米050101(一)XXX 特大桥延长米.建筑工程费元050101011.下部工程圬工方0501010101(1)技术圬工方050101010101明挖圬工方3.3 WBS 编码体系的特点WBS 编码是依据铁路工程 WBS 工项分解指南,采用线分法,以铁路工程的专业领域为主线,按设计单元进行分解组织。WBS 的核心指导思想是通过逐级分解,将复杂而系统的工作分拆为工作内容单一且可度量的作业工序,通过对单个作业工序的有效管理,实现对整个项目的管控23。其分解方案相对独立,与清单编码分解在思路上有本质不同:清单编码分解是按工程实物来划分,不考虑项目工作的联系和结构关系,而 WBS 是以工艺流程来划分项目,每一个分解节点其要素上不仅包括本节点定义,还包括与其他项目节点之间的逻辑关系24。综合考虑多个编码之间的转换过程,WBS 并不适合作为核心编码体系。WBS 编码体系见图 4。图 4 WBS 编码体系Fig.4 WBS coding system3.4 部位树编码体系的特点部位编码是在 EBS 基础上,对编码树进一步细化拆分,使其能够精确到构件级别。无论是 EBS 编码、WBS 编码和清单编码体系,都存在难以精确到构件级别的问题,例如:EBS 编码的桥涵章节,精确到最底层的编码时,也只是到墩台的材料层次。再如:混凝土、钢筋,无法精确到墩台的细分部位,因此需要部位编码对其进行补充,确保各个编码体系都能精确到构件级别。部位树分解示例见表 2。表 2 部位树分解示例Table 2 Example of part tree decomposition名称/EBS 名称/EBS 编码所在部位/流水号/中心里程钻孔桩/钻孔桩/0301020101010107桥台1 号陆上桩/1 号陆上桩/030102010101010701桥台/1/DK2+211.632 号陆上桩/2 号陆上桩/030102010101010701桥台/2/DK2+211.633 号陆上桩/3 号陆上桩/030102010101010701桥台/3/DK2+211.633.5 质量管理编码体系质量管理过程一般依据相关的质量验收标准以单位工程、分部、分项、检验批为层次对结构实体进行拆分,其编码体系也是以专业或实体部位为依据拆分(例如:TB107522018高速铁路桥涵工程施工质量验收标准)。其划分的方案可以与部位树相配合实现验收标准、结构实体部位与模型构件的精确对应。因此,批次的划分以及编码过程与模型构件可以实现准确的对应关系。高速铁路桥涵工程施工质量验收标准分解体系见表 3。表 3 高速铁路桥涵工程施工质量验收标准分解体系Table 3 Decomposition system of Standard for Acceptance of Bridge and Culvert Works in High-speed Railway条文名称条文号类型表单验收条文混凝土拌和物出场质量验收 A第 7.2.4 条主控墩台身混凝土(拌和、浇筑)检验批质量验收记录表()混凝土拌和物出场质量验收记录 1 份,编号为xxxxxx;坍落度为 XXmm,含气量为 x%,出机温度为 xx。符合理论配合比和验标要求。施工缝设置A第 7.2.6 条主控墩台身混凝土(拌和、浇筑)检验批质量验收记录表()混凝土连续浇筑,未设置接符合验标要缝。712第 10 期栗 伟,赵博洋,陈 翔,等基于实体结构分解的设计转施工模型研究 综上所述,EBS 编码体系与清单编码、部位编码、质量编码体系有较好的兼容性,所以 EBS 适合作为编码之间关联的核心。4 结构实体分解及编码关联方案要实现设计模型向施工模型的转化需要考虑编码之间的关联关系。整体上 EBS 编码体系适合作为核心编码体系,通过部位树和 EBS 编码建立模型与编码的关联,通过 EBS 将关联关系转换给其他编码体系,进而实现模型与各个业务之间的关联。模型、编码与业务关系见图 5。图 5 模型、编码与业务关系Fig.5 Models,codes and business relationships4.1 部位树和 EBS 编码与构件的关联关系部位树是在 EBS 编码基础上进一步对构件的里程、部位、流水进行明确,形成唯一性的编码结果,实现与唯一构件的对应关系,通过部位树可以直接找到对应的构件。模型在 WEB 端进行处理前,通过 PC 端赋码工具对构件进行赋码,对其 EBS 和部位编码进行处理。当模型上传 WEB 端后即可快速提取部位树信息。部位示例见表 4。表 4 部位示例Table 4 Example of parts名你所在部位流水号EBS 编码墩台1 号墩030102010101021 号墩台1 号墩103010201010102014.2 EBS 编码与清单编码的关联关系要实现 EBS 编码与清单编码的关联,一方面要参照现行铁路工程量清单的分解结构,另一方面也要研究高铁工程 BIM 构件划分方式25。(1)规范内已经明确的清单列项清单编码的依据是工程量的特征项,依据不同的特征对工程量进行区分,EBS 编码是依据工点进行实体分解,会存在 EBS 编码与多个同类型清单编码对应,例如:墩台的清单列项,根据墩高进行分别列项,但是 EBS 编码过程没有考虑墩高特征问题。墩台的清单列项见表 5,墩台部分 EBS 编码见表 6。表 5 墩台的清单列项Table 5 List items for piers编码名称计量单位0501010102(2)墩台圬工方050101010201墩高30 m圬工方05010101020370 m墩高140 m圬工方05010101020301A.陆上混凝土圬工方表 6 墩台部分 EBS 编码Table 6 The abutment portion of the EBS codeEBS 编码名称03010101010102墩台0301010101010201混凝土0301010101010202钢筋0301010101010203浆砌石因此,要对 EBS 编码进一步分解列项,按清单的特征列项不同的原则进行区分。由于清单中部和末位会针对不同的特征进行编码,EBS 编码体系不便于调整,因此在其尾部增加用于标识清单特征的编码,以区分与同一类别的不同特征清单列项的对应关系。具体方案如下。EBS 编码:0301010101010201-1。对应清单编码:050101010201(特征:墩高30m)的清单特征,采用末位对应原则。通过这种方式,实现 EBS 编码与清单编码的精确对应。墩台 EBS 编码补充方案如表 7 所示。表 7 墩台 EBS 编码补充方案Table 7Supplementary EBS coding scheme for piers and abutmentsEBS 名称EBS 编码墩台(墩高30 m)0301010101010201-1-混凝土0301010101010202-1-钢筋0301010101010203-1-浆砌石墩台(30 m墩高70 m)0301010101010201-2-混凝土0301010101010202-2-钢筋0301010101010203-2-浆砌石墩台(70 m墩高140 m)0301010101010201-3-混凝土0301010101010202-3-钢筋0301010101010203-3-浆砌石(2)自定义清单列项情况对于自定义的清单列项,根据其特征,对 EBS 编码进行对应或增补,实现与清单的对应关系。因涉及不同项目的特点,无法在规范层级进行统一,所以在项目层级进行编码之间的关联。在规范层级的关联,以清单计价规范和 EBS 标准之间的对应关系为准。4.3 EBS 编码与质量编码之间的关联关系EBS 编码在考虑专业划分的同时也考虑部位划分,因此可以直接将 EBS 编码与质量验收标准的编码进行关联,实现质量验收数据的快速提取,辅助建立检验批表头信息。EBS 与质量验收标注的对应样例见表 8。812铁 道 标 准 设 计第 67 卷表 8 EBS 与质量验收标准的对应样例Table 8 Example of correspondence between EBS and quality acceptance criteriaEBS 名称EBS 别名EBS 编码EBS 单位关联的标准系梁系梁0301020101010205t(381)高速铁路(2018 验标)桥涵工程预应力混凝土(382)高速铁路(2018 验标)桥涵工程预应力混凝土(383)高速铁路(2018 验标)桥涵工程预应力混凝土帽梁帽梁0301020101010206t(381)高速铁路(2018 验标)桥涵工程预应力混凝土(382)高速铁路(2018 验标)桥涵工程预应力混凝土(383)高速铁路(2018 验标)桥涵工程预应力混凝土4.4 自动编码和属性赋予技术通过分析编码之间的对应关系,实现编码转换方案,可以解决不同业务用途的构件分解问题,进而实现设计阶段模型向施工阶段模型的转化。但是复杂的编码转换机制也会导致赋码过程变得复杂,例如:对构件的直接赋码就需要 EBS 编码和部位列表两部分数据。因此,设计一套快速赋码的工具,用于实现从WEB 端的关联模板库获得数据,并自动赋码给相应构件的软件工具。根据已建立的构件类型、命名、特定属性和 EBS 之间的关联关系,自动完成初步赋码,降低人工工作量。软件自动赋码示例见图 6。图 6 软件自动赋码示例Fig.6 Example of auto coding software5 模型与业务信息的关联方案通过编码之间的关联可实现基于实体分解的设计阶段模型向施工阶段模型的转化。模型实体分解的目的是确保模型能够被用于业务管理过程,提高模型的利用价值。在业务管理过程中,质量、进度、成本管理是项目管理的 3 个重要维度。因此,要实现通过分解后的模型支持这 3 个业务方向的工作。5.1 质量信息关联质量信息的关联通过部位树、EBS 编码与质量标准之间的关联实现。通过 EBS 与部位树的关联关系实现质量与部位树之间的关联。这种关联可以直接用于建立检验批数据,方便质量检查人员进行操作,而且通过这种关联建立的数据可以为后续基于模型进度、质量、成本数据联动提供基础。基于自动关联关系建立检验批数据样例见图 7。图 7 基于自动关联关系建立检验批数据样例Fig.7Establishing an inspection batch data sample based on automatic correlation5.2 进度信息关联进度信息主要是与部位树进行关联,因为进度管理过程往往是与实际结构相关联,因此部位树非常适合直接与进度信息关联。进度关联示例见表 9。表 9 进度关联示例Table 9 Example of progress correlation名称(EBS 别名)/所在部位/关联的施组计划计划开始时间计划完成时间下部已关联计划:站前 1 标-实施性计划2022-10-082023-10-071 号墩(台)/1 号墩已关联计划:站前 1 标-实施性计划2022-10-082023-10-07地基及基础/1 号墩已关联计划:站前 1 标-实施性计划2022-10-082023-10-07墩台/1 号墩已关联计划:站前 1 标-实施性计划2022-10-082023-10-075.3 计价信息关联清单信息与 EBS 编码可以实现较好的对应关系,而 EBS 编码也与其他编码体系有较好的关联关系。因此,清单编码与其他编码体系转化的过程,以 EBS为核心进行处理。清单编码与 EBS 编码的关联示例见表 10。912第 10 期栗 伟,赵博洋,陈 翔,等基于实体结构分解的设计转施工模型研究表 10 清单编码与 EBS 编码的关联示例Table 10Example of association of inventory codes and EBS codes工程量清单子目状态轨道专业(01)验标关联 EBS路基专业(02)验标关联 EBS桥涵专业(03)验标关联 EBS特大桥(0301)验标关联 EBS复杂特大桥(030101)验标关联 EBS一般特大桥(030102)验标关联 EBS建筑工程费(03010201)验标关联 EBS下部(0301020101)验标关联 EBS6 结论本研究通过采用标准化的模型转化方案和开发相应的软件工具,成功实现设计阶段模型向施工阶段模型的转化,取得以下 3 个重要的创新点。(1)提出一种模板化的编码、部位和清单关联过程,实现批量的模型构件自动关联,从而为实现各个业务工作与模型信息的关联性管理提供基础。(2)创建一套模型属性规范,为实体结构分解提供依据,解决设计模型转施工模型的信息检查和模型信息传递的难题。(3)开发一套软件工具,包括 WEB 端的编码关联维护工具和自动赋码工具,通过对编码体系和属性规范的应用,实现快速的批量赋码和编码模板关联管理,提高工作效率并降低人为错误。本研究是基于现有的标准和规范体系而形成的,具有很好的可复制性。为基于模型的业务管理过程提供支持,解决了设计模型转施工模型的信息传递问题。研究成果可为不同建设领域基于 BIM 进行全周期管理的思维提供参考,并对提高项目管理效率、降低错误和成本节约具有重要意义。参考文献:1 王同军.基于 BIM 的铁路工程管理平台建设与展望J.铁路技术创新,2015(3):8-13.WANG Tongjun.Construction and Prospect of Railway Engineering Management 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