三维数字化设计元件库管理系统的设计与实现

付燕飞

摘要：目前，勘察设计行业正加快从二维设计向三维设计转型，BIM元件库作为三维正向设计的重要组成部分，其丰富度、复用性、标准化等成为元件库建设的关键指标。基于对公司新兴业务内容、公司组织架构、元件参数化技术等的研究总结，提出三维数字化设计元件库管理系统解决方案，通过研发应用系统，实现了数据管理、用户管理、权限管理、安全策略等主要功能。测试结果表明：较之项目级别的传统元件库管理方式，利用该系统对元件库进行管理与应用，可有效提高三维正向设计效率，整体提升BIM技术应用水平。

关键词：BIM;元件库;元件编码;分类法;三维设计

引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术是通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。元件是对实际建筑组件的物理和功能特性的数字化表达，是可在不同项目中重复使用的个体图元。元件的属性信息是通过参数化的形式进行输入与保存，参数的改变可实现对元件的修改，提高元件的可复用性。

在项目建设过程中，图纸变更及工程改动的情况普遍存在，模型也需同步修改与调整，由于元件库建设落后，模型新建或变更都非常费时费力，也严重影响项目建设进度。刘畅于2014年研究得出我国建筑业因信息化程度不高而造成每年近10万亿元的工程浪费。张洋提出的BIM元数据模型定义及存储格式，解决了BIM数据长事务访问、并发访问、数据一致性等问题。祝连波开发了一款可扩展的装配式构件族库管理系统，为装配式建筑正向设计提供了科学工具。Opoko深入调查了尼日利亚使用BIM技术进行项目全生命周期管理的现状。赛菡[8]分析了族库结构与管理体系，提出了具体的族库分类方法。这些研究在BIM元件定义、数据存储等方面进行深入研究，对提高BIM管理与应用水平发挥了很好的作用。

然而，应用BIM技术的新业务领域不断增多，并趋于多元化和复杂化，原有元件库管理系统已无法很好地满足各类业务BIM正向设计的发展需求。为此，本文通过深入研究公司组织架构和数字化业务发展现状，提出三维数字化设计元件库管理解决方案，为提高BIM应用水平提供科学管理工具。

1系统设计

1.1 总体技术架构

在对上海院的业务管理架构、业务特点、设计人员专业类型与建模能力、数字化项目等多个方面进行深入调研基础上，分析得出三维数字化设计元件库管理系统的主要业务需求，具体分为数据管理、用户管理、权限管理、安全策略等四个主要功能模块，见图1。

1.2 数据管理模块

BIM元件库种类繁多且数据量庞大复杂，建立BIM元件库管理体系，使用户准确高效地利用元件库成为BIM正向设计的重中之重。该管理体系包括元件创建规范、元件编码规范、元件审核入库标准、元件文档管理规范、元件分类与检索方法、数据库建设等内容。

1.2.1 元件创建规范

元件是组成项目模型的构件，同时是参数信息的载体。本规范主要约定创建时的必要参数，为元件创建提供统一的属性模板。包括以下几点属性：

（1）元件类别、类型：元件类别的确定需要參照分类原则进行归类。

（2）识别信息码：参照系统分类编码标准，为每一个元件创建唯一识别编码。

（3）三维尺寸：三维尺寸包含长、宽、高信息，并设置为可调节模式，非可调节模式需对参赛进行锁定设置。

（4）连接件逻辑关系：对添加两个以上连接件的元件，需明确连接件之间的逻辑关系，如主次或进出或主备用关系。

（5）元件创建信息：创建者姓名、创建时间、审核人员姓名等信息。

1.2.2 元件编码规范

元件编码是元件快速检索与唯一标识的重要前提，该系统编码规范采用：专业-构件名称-（大类别）-（小类别），专业标识见表1。

1.2.3 元件分类方法

为保证元件库的高效管理与准确调用，需对元件库进行科学分类。从BIM全生命周期应用角度，元件库可分为设计元件和产品元件两个阶段类型。按专业进行划分，可分为建筑、结构、暖通、电气、给排水等专业元件库。按业务类型进行划分，可分为海上风电、陆地风电、水利工程等业务元件库。本文采用专业划分和业务类型划分相结合的方式，通过梳理各个业务所涉及的专业建模需求，解耦元件库与项目之间的关联性，促进元件库在项目间开发共享，提高协作效率。海上风电业务的电气设备元件库分类结构如图2。

1.3 用户管理模块

用户管理模块由个人中心、用户组、人员管理、角色管理等四个功能组成。个人中心功能主要是记录用户已发出、待审批、已完成等操作记录信息，便于实时了解个人任务情况。用户组是用于创建不同组别进行协同工作，组别可按照专业、项目等实际需求进行灵活划分。人员管理功能是后台管理功能，系统管理员可对用户账号的启用状态、重置密码、邮箱等内容进行管理设置。角色管理功能是根据用户的系统权限等级，设置其能使用的系统功能，见图3。例如，专业负责人的账号登入系统后，有个人中心、统计报表、元件管理、数据库文件管理、人员管理的功能。

1.4 权限管理模块

权限管理模块是对用户与元件两个对象进行权限动态配置的管理工具，分别为动态权限功能和数据集权限配置功能。动态权限功能是根据不同等级用户动态配置其对元件数据库的增、删、改、查权限，见图4。该功能还可自定义权限类别，为后期用户权限配置提供快捷选项。数据集权限配置功能的配置对象则是元件，可为单个元件或元件文件配置一个或多个权限类别，见图5。

1.5 安全策略模块

该系统在权限设置环节采用最小特权原则和多级安全策略。最小特权原则即用户执行操作时，按照用户所需权限的最小化原则分配。例如，一般专业技术人员在元件数据库端只设置其增、查权限，无法对数据进行删除或更改，保证数据的完整性与安全性。多级安全策略是指主体与客体间的数据流向和权限控制按照安全级别的秘密、限制和无级别等三级来划分。系统通用元件采用无级别安全策略设置，以便所有用户快捷高效使用。项目级元件设置限制级权限，仅该项目用户方可查看、修改、使用。而针对涉密、价值高的元件设置为秘密级别。

同时系统提供文件夹加解密、文件水印和安全日志的功能，防止对文件夹的非法访问，以及保护文件版权。安全日志记录用户的登录名称、操作时间、下载、检出、上传等信息，以便及时发現问题并提出解决措施。

2 系统应用

2.1 应用实例

以海上风电项目电气设备元件库在2021年1月至9月间建设情况为例。首先，根据本文设计的BIM元件分类方法，依据不同设计专业设计海上风电项目的BIM元件目录结构，并通过数据管理模块在数据库端进行配置。然后用户上传按元件创建规范设计的元件模型以及相关资料，提交给同级别专业人员、专业技术负责人、总工程师等进行审核，审核通过后，元件正式入库。该系统提供了一个统计报表功能，通过可视化方式展示不同专业下元件数量，见图。用户也可通过全局搜索功能，对元件和相关文档资料进行检索，快速查询相关信息。

2.2 结果分析

元件模型的数据共享，极大提升了工作协同效率和使用效率。通过对海上风电项目电气设备元件库在元件上传数量、共享使用次数等核心数据进行统计分析，得出，第二、三季度较前一季度元件数量增长率分别为117.39%、72%，见图6。86个海上风电电气设备共享元件在三个数字化项目中总复用次数达到263次。

3 结论

三维数字化设计元件库管理系统作为上海院推进BIM发展的一项重要工作，通过编制元件编码标准、元件创建规范、元件分类规范等一系列规范标准文件，对元件的创建、审核、共享、调用等全流程规范化，有效提高了元件的可复用性，又促进了元件库的开放共享。随着元件的不断积累，数据库不断丰富，能极大提高设计人员的建模效率和准确率，为三维正向设计奠定坚实基础。

参考文献：

[1]丁士昭.建筑工程信息化导论[M].北京：中国建筑工业出版社，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.

[3]宋楠楠.基于Revit的BIM构件标准化关键技术研究[D].西安：西安建筑科技大学，2015.

[4]刘畅.基于BIM的建设工程全过程造价管理研究[D].重庆大学，2014.

[5]张洋.基于BIM的建筑工程信息集成与管理研究[D].清华大学，2009.

[6]朱连波.基于Revit API的装配式构件族库管理系统设计与实现[J].土木建筑工程信息技术，2021，（4）：1-5.