三維數字化設計元件庫管理系統的設計與實現

付燕飛

摘要：目前，勘察設計行業正加快從二維設計向三維設計轉型，BIM元件庫作為三維正向設計的重要組成部分，其豐富度、復用性、標準化等成為元件庫建設的關鍵指標?；趯拘屡d業務內容、公司組織架構、元件參數化技術等的研究總結，提出三維數字化設計元件庫管理系統解決方案，通過研發應用系統，實現了數據管理、用戶管理、權限管理、安全策略等主要功能。測試結果表明：較之項目級別的傳統元件庫管理方式，利用該系統對元件庫進行管理與應用，可有效提高三維正向設計效率，整體提升BIM技術應用水平。

關鍵詞：BIM;元件庫;元件編碼;分類法;三維設計

引言

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

在項目建設過程中，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整，由于元件庫建設落后，模型新建或變更都非常費時費力，也嚴重影響項目建設進度。劉暢于2014年研究得出我國建筑業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元數據模型定義及存儲格式，解決了BIM數據長事務訪問、并發訪問、數據一致性等問題。祝連波開發了一款可擴展的裝配式構件族庫管理系統，為裝配式建筑正向設計提供了科學工具。Opoko深入調查了尼日利亞使用BIM技術進行項目全生命周期管理的現狀。賽菡[8]分析了族庫結構與管理體系，提出了具體的族庫分類方法。這些研究在BIM元件定義、數據存儲等方面進行深入研究，對提高BIM管理與應用水平發揮了很好的作用。

然而，應用BIM技術的新業務領域不斷增多，并趨于多元化和復雜化，原有元件庫管理系統已無法很好地滿足各類業務BIM正向設計的發展需求。為此，本文通過深入研究公司組織架構和數字化業務發展現狀，提出三維數字化設計元件庫管理解決方案，為提高BIM應用水平提供科學管理工具。

1系統設計

1.1 總體技術架構

在對上海院的業務管理架構、業務特點、設計人員專業類型與建模能力、數字化項目等多個方面進行深入調研基礎上，分析得出三維數字化設計元件庫管理系統的主要業務需求，具體分為數據管理、用戶管理、權限管理、安全策略等四個主要功能模塊，見圖1。

1.2 數據管理模塊

BIM元件庫種類繁多且數據量龐大復雜，建立BIM元件庫管理體系，使用戶準確高效地利用元件庫成為BIM正向設計的重中之重。該管理體系包括元件創建規范、元件編碼規范、元件審核入庫標準、元件文檔管理規范、元件分類與檢索方法、數據庫建設等內容。

1.2.1 元件創建規范

元件是組成項目模型的構件，同時是參數信息的載體。本規范主要約定創建時的必要參數，為元件創建提供統一的屬性模板。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行歸類。

（2）識別信息碼：參照系統分類編碼標準，為每一個元件創建唯一識別編碼。

（3）三維尺寸：三維尺寸包含長、寬、高信息，并設置為可調節模式，非可調節模式需對參賽進行鎖定設置。

（4）連接件邏輯關系：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系，如主次或進出或主備用關系。

（5）元件創建信息：創建者姓名、創建時間、審核人員姓名等信息。

1.2.2 元件編碼規范

元件編碼是元件快速檢索與唯一標識的重要前提，該系統編碼規范采用：專業-構件名稱-（大類別）-（小類別），專業標識見表1。

1.2.3 元件分類方法

為保證元件庫的高效管理與準確調用，需對元件庫進行科學分類。從BIM全生命周期應用角度，元件庫可分為設計元件和產品元件兩個階段類型。按專業進行劃分，可分為建筑、結構、暖通、電氣、給排水等專業元件庫。按業務類型進行劃分，可分為海上風電、陸地風電、水利工程等業務元件庫。本文采用專業劃分和業務類型劃分相結合的方式，通過梳理各個業務所涉及的專業建模需求，解耦元件庫與項目之間的關聯性，促進元件庫在項目間開發共享，提高協作效率。海上風電業務的電氣設備元件庫分類結構如圖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出、待審批、已完成等操作記錄信息，便于實時了解個人任務情況。用戶組是用于創建不同組別進行協同工作，組別可按照專業、項目等實際需求進行靈活劃分。人員管理功能是后臺管理功能，系統管理員可對用戶賬號的啟用狀態、重置密碼、郵箱等內容進行管理設置。角色管理功能是根據用戶的系統權限等級，設置其能使用的系統功能，見圖3。例如，專業負責人的賬號登入系統后，有個人中心、統計報表、元件管理、數據庫文件管理、人員管理的功能。

1.4 權限管理模塊

權限管理模塊是對用戶與元件兩個對象進行權限動態配置的管理工具，分別為動態權限功能和數據集權限配置功能。動態權限功能是根據不同等級用戶動態配置其對元件數據庫的增、刪、改、查權限，見圖4。該功能還可自定義權限類別，為后期用戶權限配置提供快捷選項。數據集權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限類別，見圖5。

1.5 安全策略模塊

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

同時系統提供文件夾加解密、文件水印和安全日志的功能，防止對文件夾的非法訪問，以及保護文件版權。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，以便及時發現問題并提出解決措施。

2 系統應用

2.1 應用實例

以海上風電項目電氣設備元件庫在2021年1月至9月間建設情況為例。首先，根據本文設計的BIM元件分類方法，依據不同設計專業設計海上風電項目的BIM元件目錄結構，并通過數據管理模塊在數據庫端進行配置。然后用戶上傳按元件創建規范設計的元件模型以及相關資料，提交給同級別專業人員、專業技術負責人、總工程師等進行審核，審核通過后，元件正式入庫。該系統提供了一個統計報表功能，通過可視化方式展示不同專業下元件數量，見圖。用戶也可通過全局搜索功能，對元件和相關文檔資料進行檢索，快速查詢相關信息。

2.2 結果分析

元件模型的數據共享，極大提升了工作協同效率和使用效率。通過對海上風電項目電氣設備元件庫在元件上傳數量、共享使用次數等核心數據進行統計分析，得出，第二、三季度較前一季度元件數量增長率分別為117.39%、72%，見圖6。86個海上風電電氣設備共享元件在三個數字化項目中總復用次數達到263次。

3 結論

三維數字化設計元件庫管理系統作為上海院推進BIM發展的一項重要工作，通過編制元件編碼標準、元件創建規范、元件分類規范等一系列規范標準文件，對元件的創建、審核、共享、調用等全流程規范化，有效提高了元件的可復用性，又促進了元件庫的開放共享。隨著元件的不斷積累，數據庫不斷豐富，能極大提高設計人員的建模效率和準確率，為三維正向設計奠定堅實基礎。

參考文獻：

[1]丁士昭.建筑工程信息化導論[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[2]SHANG C，WANG Y，LIU H，et al.Study on the standard system of the application of information technology in China construction industry[J].Automation in Construction，2004，（7）：591-596.

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[4]劉暢.基于BIM的建設工程全過程造價管理研究[D].重慶大學，2014.

[5]張洋.基于BIM的建筑工程信息集成與管理研究[D].清華大學，2009.

[6]朱連波.基于Revit API的裝配式構件族庫管理系統設計與實現[J].土木建筑工程信息技術，2021，（4）：1-5.