王恰时 青 舟 杨 喆

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308)

当前形势下，加快数字经济建设，推动高质量发展成为新常态，工程设计企业以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革[1]，是实现可持续、高质量发展的关键。同时国有企业是数字化转型的引领者，以中国中铁股份有限公司为例，发布《关于实施数智转型工程的指导意见》，对工程设计企业明确提出“推动数字化协同设计”要求，主要包含建立正向设计体系、深化协同设计、开展智能审图与数字化交付等工作。BIM协同设计平台研发及应用已成为工程设计企业数字化转型的关键。

国内外工程设计企业、工业软件供应商等对BIM协同设计管理平台投入大量人力物力进行研发与应用，如Autodesk基于Revit的链接、工作集、Revit Server、Vault等的协同设计[2]，Dassault基于Catia的Enovia、3DExperience等的协同设计，Bentley基于Microstation的ProjectWise协同设计[3]，中国建筑科学研究院研发PKPM-BIM平台[4]、BIM协同工作平台[5]等，中电建华东勘测设计研究院研发专业设计工具软件及BIM建设管理平台[6]，中国铁路设计集团基于Dassault平台研究IFC铁路标准、自主研发钢筋等建模软件、协同设计及总承包等管理平台[7]。总体来说，国内外已开发上百个功能类似的BIM平台产品，主要功能有三维模型浏览、任务流程推动、设计问题反馈、移动办公、企业或项目数据看板等。实践应用表明，尚无与实际协同设计过程完全匹配、完全解决数据交换瓶颈、适应不同行业不同专业特点、满足工程建设全生命周期应用、适应二三维设计并存现状的BIM协同设计平台产品。本文基于工程设计单位生产需求，结合工程实践，探讨、研发与实践应用BIM协同设计产品，旨在研发一套具有普适性的数字化协同设计平台产品，初步探索数字经济建设模式。

1 研究模式

为更好地理清工程BIM协同设计需求，完全匹配协同设计业务过程，进行了大量的调查、调研工作。文献调查方面，阅读知网、ScienceDirect上刊载的典型论文，如骆乐[8]等从平台标准化、轻量化、专业化等方面论述深水航道BIM设计成果交付平台研发与应用，刘曹宇[9]从结构专业BIM设计问题、模型传递、协同流程及方法等方面论述已有平台在地铁区间的应用，从文献中整理研发应用重难点、技术路线、应用模式、应用功能等，作为研究的理论基础；外部调研方面，对中电建华东勘测设计研究院、中国铁路设计集团、中铁工程咨询设计集团等企业进行现场调查，整理形成调查报告，分析典范企业的BIM技术应用水平、需求、技术路线、已有数字化产品等，与自身需求、技术路线、功能产品等的规划相互印证，制定工程BIM协同设计管理平台研发技术路线；内部调研方面，组织工程设计一线生产人员，通过调查问卷、座谈等方式，摸清生产需求，整理功能、流程等，设计平台原型，投入人力物力研发，研发成果在工程设计生产实践中检验完善。

2 平台研发

2.1 技术架构

工程BIM正向协同设计管理平台选择基于JavaScript的VUE.js框架作为前端开发框架提供对外访问服务，选择基于Java的SpringBoot微服务架构为后端框架进行开发，选择基于JavaScript API的WebGL为三维底层引擎作为三维研发与应用支撑。总体来说，分为服务层、支撑层与应用层等三层技术架构[10]，如图1所示。

图1 技术架构图

服务层包含WebGL三维引擎、数据存储与缓存、文件服务、一键转换轮询服务、队列服务等底层支撑，其中WebGL三维引擎输出空间、数据、应用等API接口；数据存储与缓存采用MySQL数据库存储线性数据，Redis实现高速数据缓存；文件服务主要包含二三维数据存储、流程推动流转等；一键转换轮询服务提供底层接口实现资源调用、定时查询、缓存文件清理、二三维转换备份等功能；队列服务用于缓解服务器软硬件资源压力，优先满足主要任务需求，在资源空余时执行次级任务。

支撑层是连接服务层与应用层的中间层，主要为前后端支撑框架，其中BIM成果一键转换功能为二三维协同管理的核心功能，提供建立工作空间、建立数据源、模型数据源转换、缓存切分、场景数据加载、发布模型、基于Web的三维浏览及模型下载等功能；基于后端Spring Cloud提供建立平台微服务架构，多个应用分别部署服务，避免内外服务的整体崩塌；基于VUE前端框架提供多端访问服务。

应用层主要基于服务层与支撑层，结合业务需求，实现项目配置、计划管理、成果审批、事务管理等应用。

该技术架构具有三维引擎普适性、兼容多种BIM设计成果、数据接口模块化、数据全生命周期继承应用、前后端分离、中间件完整、技术路线成体系、各环节之间低耦合、资源可动态分配等优势，是本文研发团队自2015年以来，经历skyline、arcgis、hoops、超图ActiveX控件等基础平台研发积累，结合新技术发展成熟的形势，总结出的一套科学、先进的技术架构，并在多个平台研发、项目实施中完善。

2.2 核心技术

(1)WebGL三维引擎[11]

3D绘图技术标准，无需安装插件，输出统一、标准、跨平台的OpenGL API二次开发接口，实现多浏览器、跨操作系统、各智能设备等多端适应访问的三维场景。

(2)中间转换工具

基于超图iDesktop[12]二次开发实现二三维数据的导入、管理、分析、服务发布、AI学习、AR仿真等功能，适应二三维设计并存现状。

(3)一键上传

云计算的BIM模型自动化转换发布，基于超图控件二次开发，融合微服务、web upload、文件切割与合并、轻量化、消息队列、分布式、多租户、WebGL模型空间分析接口、IFC标准、BIMServer等技术，实现Revit、Catia、Bentley、Sketchup、3dsMAX等软件格式转换为统一的平台应用Json格式，转换内容包含模型坐标转换、模型格式转换、模型轻量化、模型属性云端入库、模型转换成果加密以及历史版本归档等。一键转换任务结束后，由校验微服务进行成果校验，若校验不通过，则自动发送短信及邮件通知相关人员进行BIM模型修改工作，修改后重新上传。

(4)微服务架构

基于Spring Cloud组合框架，实现服务的分布式部署，为项目配置、计划管理、成果审批、事务管理等应用的拆分研发、分别服务提供支撑，适用于轨道交通、房建、市政、国土、水利等行业工程大体量模型、瓦片GIS数据[13]、二维管理信息等的高并发、高带宽的应用需求。该架构适应不同行业不同专业特点、满足工程建设全生命周期应用。

2.3 主要功能

本文研发的BIM协同设计管理平台主要功能及业务流程，来自广泛文献调查分析、多单位调研分析典范企业经验、内部调研功能及业务且在实践中不断完善，初步做到与实际协同设计过程匹配，并预留优化接口、模块化配置等，已为完全匹配做好技术支撑。

基于OSS文件服务、WebGL三维引擎、模型云端转换、微服务架构、MySQL数据库、云服务器等核心支撑技术，结合调查、调研成果，梳理数据格式、数据来源、数据存储、服务模式、研发流程、业务流程、对外服务等体系，设计研发原型，研发BIM正向协同设计管理平台，实现项目配置、计划管理、成果审批、事务管理等应用功能。

(1)项目配置

包含设计专业管理、图册拆分管理、项目专业配置、工点管理、归档管理等。以设计专业管理为例，针对所涉及到的专业进行维护。专业信息以树形结构显示出来，能够将专业之间的从属关系清晰展示。具有权限的用户根据实际情况增删查改专业信息，基于已有数据模板导入、导出相关专业数据，如图2所示。

图2 设计专业管理图

(2)计划管理

包含总体计划管理、总体计划变更、专业计划管理、专业计划变更等，以总体计划管理为例，管理、监控、督促各个阶段的BIM设计成果按时保质提交。总体计划管理分为按建筑类型管理与按设计阶段管理两种，在建立总体计划时，指定管理方式。设计负责人基于生成总体计划、导入总体计划、总体计划审批及总体计划整体审批等功能优先制定按专业划分的总体计划。其中生成总体计划是根据该设计项目的管理方式、项目信息来实现，发起总体计划审批，公司主管领导或业主审批通过后，将继续制定专业计划，专业设计人员按照该计划执行。总体计划管理图如图3所示。

图3 总体计划管理图

(3)成果审批

包含内部送审、工点内专业提资、外部送审、外部提资、设计变更等。以内部送审为例，规范内部成果审批流程，流程、版本等数据基于BIM平台存档，通过流程跟踪功能将流程所有节点的业务信息、审批历史、相关文件等信息集合，为后期设计回溯提供数据依据，如图4所示。

图4 流程跟踪图

以一键上传功能将Revit等格式的BIM设计成果上传，并基于B/S浏览器、移动APP等方式实现三维浏览与操作。层级审核人员，在BIM平台事务管理中浏览、批注信息，若审核通过则流转到下一级节点，审核未通过则驳回，设计人员依据批注信息修改完善，如图5所示。

图5 三维浏览、批注图

(4)事务管理

类似于OA系统，用户相关流程按照待签事务、待办事务、已发事务及办结事务分类，审批流程转发分为角色和用户两种。当按角色流转时，用户在待签事务中签收、在待办事务中处理，当按用户流转时，则直接在待办事务中处理，如图6所示。

图6 事务管理图

3 平台应用

南京至马鞍山市域(郊)铁路起自南京市西善桥站(含)，终至马鞍山市当涂南站(含)。全线长54.23 km，其中地下线11.48 km，高架线40.68 km，地面线1.52 km，过渡段0.55 km。共设16座车站，其中地下段占比21.2%、高架段占比75.0%、地面段占比2.8%、过渡段占比1.0%。平均站间距3.6 km。

图7 长江三角洲都市圈轨道交通项目南京至马鞍山城际铁路项目BIM平台应用图

线路主要临近既有地铁、侧穿既有线盾构区间、侧穿京沪高速铁路桩基、侧穿宁芜铁路路基、下穿宁谷箱涵、规划隧道等重要建(构)筑物。全线一级风险源8处、二级风险源44处，主要风险源共计95处。

线路周边地质复杂，沿线主要位于冲积平原、阶地等，地层差异大，施工风险大，沿线邻近或穿越多处重要建、构筑物，施工过程中保护难度大；本线多处为换乘站，设计、施工难度大，引入BIM实现基础数据可视化、BIM协同设计提质增效，同时在BIM设计成果基础上，方便进一步实现通风模拟、施工仿真等，保障防疫分区要求、工期要求。

基于BIM协同设计管理平台，将工程设计专业定义为建筑、结构、暖通、给排水、电力、设备等，制定总体计划并在执行过程中不断调整优化，细化各专业计划WBS任务285个，同时赋予用户设计提交、专业审核、所室审核、内审复核、负责人审核等权限，配置相关流程推动BIM协同设计，已完成设计成果基于WGS坐标体系装配并反馈。

4 结束语

已研发的BIM协同设计管理平台，经南京至马鞍山城际铁路项目应用实践表明，平台具有匹配协同设计业务过程、解决数据交换瓶颈、适应不同行业不同专业特点、满足工程建设全生命周期应用、支持二三维设计并存现状等特点。同时基于产品化框架研发，具备良好的基础框架及扩展接口，可根据业务需求快速配置、迭代开发、部署、优化等，可快速的应用于多行业、多项目中，市场应用前景广泛。