建筑設計到施工的集成化研究綜述

王宇輝

建設活動是人類社會最基本的活動之一。遠古時代,人類的祖先在建造自己居住的巢穴或住所時,他們是不自覺的完成設計到施工的一系列過程的。在那個生產力極其低下的年代,建設活動處于一種原始的集成狀態。之后,隨著社會生產力的不斷發展,經過幾次生產力革命和相應的社會分工,到19世紀,建筑的各個專業逐漸分離開來。到了20世紀后半葉以后,伴隨著信息技術革命的到來,計算機在各類行業中的應用越來越普及。在建筑行業,對計算機的應用經歷了從計算機輔助計算到計算機輔助設計、計算機輔助分析、計算機輔助建造的分散應用再到系統化的提出虛擬建設以及集成建造、智能建設的過程。建設活動由分離走向了更高層次的集成。

1 “設計—實現”概念分析

根據設計方法學的觀點,設計過程可以劃分為若干個設計階段,各階段又有若干個步驟。建筑初步設計可以劃分為:1)概念設計。2)功能設計。3)布局設計。4)形態設計。

結構初步設計對產品最終實現的影響視具體建筑的不同而有較大差別。結構的初步設計同樣可以劃分為概念設計(包括結構意向、結構形式等)、功能設計、布局設計、形態設計等幾個階段。其各個階段對后續施工階段的影響程度比值大致與建筑初步設計各階段比值相當。水暖電聲光等其他專業對建筑產品最終實現的影響也要視具體建筑或構筑物形式的不同而存在著較大差別。例如對于觀演類建筑聲學專業的影響是居于主導地位等。目前的設計和施工出現矛盾的一個因素源自傳統的平—立—剖的施工圖形式。這種形式的施工圖未能直觀的給出建筑產品的最終形態,從而對其的理解依賴于設計和施工人員的讀圖經驗,這很容易造成設計中錯誤百出的狀況。

由此可見,隨著計算機應用技術的普及,為了提高建造效率,控制成本,減少資源浪費和各環節的出錯率,工程建設也必然從傳統的“設計—建造”的兩階段過程逐漸發展為“設計—虛擬建造—自動化建造”的三階段過程。

2 “設計—實現”技術分析

“虛擬設計—虛擬建造—自動化建造”的三階段過程由于計算機技術的發展而得到快速發展。而且這一過程逐漸從互相孤立的三個階段轉向集成化和智能化,從而使整個過程變得更加密不可分。集成的系統,即Integrated CAD/CAC:它是在系統設計一開始,就將系統未來要用的功能都考慮周全,并將這些功能的實現全都集成到一個系統中,特別是采用統一的產品數據模型,故可以實現無縫聯結。例如:CATIA系統、I-DEAS系統、CADDS系統這些著名軟件系統,可以在一個集成環境下,完成從設計、工程分析到建造加工的過程。具有廣泛意義的CAD/CAC集成系統組成按照功能劃分,由四個應用子系統和一個支撐系統組成(見圖1)。

1)建造管理系統(CMS):包括建造計劃管理、項目管理、建造資源管理和物料管理四個子系統。2)工程設計系統(EDS):包括計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工藝設計(CAPP)、計算機輔助夾具設計(CAFD)、計算機輔助建造(CAC)四個子系統。其中CAD子系統:包括建筑的概念設計、構件設計、裝配設計、工程分析、造型及圖形顯示、優化設計、動態分析、仿真以及設計文件自動生成等。CAPP子系統:包括典型構件工藝檢索、工藝規程的制定、工藝參數的選擇、工時定額制定以及工藝文件的自動生成等。CAFD子系統:包括工裝錨夾具的檢索、工裝錨夾具的三維參數化設計以及組合夾具的設計與組裝等。CAC子系統:根據CAD系統產生的設計對象和CAPP系統產生的建造工藝信息,生成構件的路徑文件,并通過建造和加工過程仿真系統進行程序調試,然后把代碼傳遞給相應的數字化施工機械和構件加工設備。3)建造自動化系統(CAS):包括現場施工信息管理、現場施工作業仿真、施工作業監控、事故分析四個子系統。4)質量管理系統(QMS):包括質量的綜合信息管理、評價與分析、檢測、計劃等子系統。5)支撐系統:包括計算機硬件系統與軟件、網絡、數據庫、應用集成軟件框架及協同工作環境等子系統。它支持四個應用子系統間的信息集成、過程集成以及多功能協同作業。

3 “設計—實現”發展方向

建筑自動化主要集中在兩個方向的改進:自動化程度和真實性程度。研究考慮的自動化程度旨在通過使用計算機輔助的方法來降低重復手工操作,以對過程加以計劃。真實性程度的研究則提高了計算機圖解程度,并提高了虛擬世界及真實世界的精確模型的自動化程度(見圖2)。

由于真實性程度,建筑技術和研究可以分為三組:抽象模型,虛擬現實和現實世界。傳統的二維CAD圖紙雖然是精確模型,但由于只在二維媒體上呈現(如紙和屏幕),所以有其固有的缺點。4D模型和動畫模型表現了由計算機繪畫產生的虛擬環境的建設過程。仿真程序可以用來模擬建設過程。

虛擬建設也被發展起來以幫助整合設計階段的建筑知識來增加工程的可施工性。目前關于虛擬建設問題的研究主要在技術層面和組織層面,其中技術層面的研究包括虛擬現實技術(VR)在建筑設計中的應用、在可視化設計/施工方案中的應用、在建筑機械設計中的應用、在施工安全管理中的應用、在建設項目計劃管理中的應用、在土木工程人員培訓/學習中的應用,以及VR技術和包括網絡技術在內的其他IT技術的集成應用等。其他的研究主要基于制造業領域的成果,如精益制造(Lean Construction,LC)、敏捷制造(Agile Construction,AC)以及智能制造(Intelligent Construction,IC)等。因此,要實現虛擬建造,必須在先進的建造哲理和建造理論的指導下,通過實施并行工程、精益建造、敏捷建造和智能建造,建立起相關的支撐體系。虛擬建設系統通過與計算機集成建造系統(CICS)以及數字化施工機械(智能建筑機器人)無縫聯結可以實現建筑產品的完全自動化建造。建筑行業采用工業化的生產方式正是它發展的方向:建筑材料和建筑制品已普遍采用集中、大批量、標準化生產,滿足了建筑行業工業化生產的供應要求,當前計算機技術的迅速發展也為建筑設計到施工的集成提供了可能,這必將大大提升建筑行業的技術含量和集約化程度。

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