建筑設(shè)計(jì)到施工的集成化研究綜述

王宇輝

建設(shè)活動(dòng)是人類社會(huì)最基本的活動(dòng)之一。遠(yuǎn)古時(shí)代,人類的祖先在建造自己居住的巢穴或住所時(shí),他們是不自覺的完成設(shè)計(jì)到施工的一系列過程的。在那個(gè)生產(chǎn)力極其低下的年代,建設(shè)活動(dòng)處于一種原始的集成狀態(tài)。之后,隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷發(fā)展,經(jīng)過幾次生產(chǎn)力革命和相應(yīng)的社會(huì)分工,到19世紀(jì),建筑的各個(gè)專業(yè)逐漸分離開來。到了20世紀(jì)后半葉以后,伴隨著信息技術(shù)革命的到來,計(jì)算機(jī)在各類行業(yè)中的應(yīng)用越來越普及。在建筑行業(yè),對計(jì)算機(jī)的應(yīng)用經(jīng)歷了從計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助分析、計(jì)算機(jī)輔助建造的分散應(yīng)用再到系統(tǒng)化的提出虛擬建設(shè)以及集成建造、智能建設(shè)的過程。建設(shè)活動(dòng)由分離走向了更高層次的集成。

1 “設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)”概念分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方法學(xué)的觀點(diǎn),設(shè)計(jì)過程可以劃分為若干個(gè)設(shè)計(jì)階段,各階段又有若干個(gè)步驟。建筑初步設(shè)計(jì)可以劃分為:1)概念設(shè)計(jì)。2)功能設(shè)計(jì)。3)布局設(shè)計(jì)。4)形態(tài)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)對產(chǎn)品最終實(shí)現(xiàn)的影響視具體建筑的不同而有較大差別。結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)同樣可以劃分為概念設(shè)計(jì)(包括結(jié)構(gòu)意向、結(jié)構(gòu)形式等)、功能設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)、形態(tài)設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段。其各個(gè)階段對后續(xù)施工階段的影響程度比值大致與建筑初步設(shè)計(jì)各階段比值相當(dāng)。水暖電聲光等其他專業(yè)對建筑產(chǎn)品最終實(shí)現(xiàn)的影響也要視具體建筑或構(gòu)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(xué)專業(yè)的影響是居于主導(dǎo)地位等。目前的設(shè)計(jì)和施工出現(xiàn)矛盾的一個(gè)因素源自傳統(tǒng)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(chǎn)品的最終形態(tài),從而對其的理解依賴于設(shè)計(jì)和施工人員的讀圖經(jīng)驗(yàn),這很容易造成設(shè)計(jì)中錯(cuò)誤百出的狀況。

由此可見,隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及,為了提高建造效率,控制成本,減少資源浪費(fèi)和各環(huán)節(jié)的出錯(cuò)率,工程建設(shè)也必然從傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)—建造”的兩階段過程逐漸發(fā)展為“設(shè)計(jì)—虛擬建造—自動(dòng)化建造”的三階段過程。

2 “設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)”技術(shù)分析

“虛擬設(shè)計(jì)—虛擬建造—自動(dòng)化建造”的三階段過程由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而得到快速發(fā)展。而且這一過程逐漸從互相孤立的三個(gè)階段轉(zhuǎn)向集成化和智能化,從而使整個(gè)過程變得更加密不可分。集成的系統(tǒng),即Integrated CAD/CAC:它是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)一開始,就將系統(tǒng)未來要用的功能都考慮周全,并將這些功能的實(shí)現(xiàn)全都集成到一個(gè)系統(tǒng)中,特別是采用統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型,故可以實(shí)現(xiàn)無縫聯(lián)結(jié)。例如:CATIA系統(tǒng)、I-DEAS系統(tǒng)、CADDS系統(tǒng)這些著名軟件系統(tǒng),可以在一個(gè)集成環(huán)境下,完成從設(shè)計(jì)、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(tǒng)組成按照功能劃分,由四個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)和一個(gè)支撐系統(tǒng)組成(見圖1)。

1)建造管理系統(tǒng)(CMS):包括建造計(jì)劃管理、項(xiàng)目管理、建造資源管理和物料管理四個(gè)子系統(tǒng)。2)工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)(EDS):包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)(CAFD)、計(jì)算機(jī)輔助建造(CAC)四個(gè)子系統(tǒng)。其中CAD子系統(tǒng):包括建筑的概念設(shè)計(jì)、構(gòu)件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程分析、造型及圖形顯示、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)分析、仿真以及設(shè)計(jì)文件自動(dòng)生成等。CAPP子系統(tǒng):包括典型構(gòu)件工藝檢索、工藝規(guī)程的制定、工藝參數(shù)的選擇、工時(shí)定額制定以及工藝文件的自動(dòng)生成等。CAFD子系統(tǒng):包括工裝錨夾具的檢索、工裝錨夾具的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)以及組合夾具的設(shè)計(jì)與組裝等。CAC子系統(tǒng):根據(jù)CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)對象和CAPP系統(tǒng)產(chǎn)生的建造工藝信息,生成構(gòu)件的路徑文件,并通過建造和加工過程仿真系統(tǒng)進(jìn)行程序調(diào)試,然后把代碼傳遞給相應(yīng)的數(shù)字化施工機(jī)械和構(gòu)件加工設(shè)備。3)建造自動(dòng)化系統(tǒng)(CAS):包括現(xiàn)場施工信息管理、現(xiàn)場施工作業(yè)仿真、施工作業(yè)監(jiān)控、事故分析四個(gè)子系統(tǒng)。4)質(zhì)量管理系統(tǒng)(QMS):包括質(zhì)量的綜合信息管理、評價(jià)與分析、檢測、計(jì)劃等子系統(tǒng)。5)支撐系統(tǒng):包括計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)與軟件、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用集成軟件框架及協(xié)同工作環(huán)境等子系統(tǒng)。它支持四個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)間的信息集成、過程集成以及多功能協(xié)同作業(yè)。

3 “設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)”發(fā)展方向

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

由于真實(shí)性程度,建筑技術(shù)和研究可以分為三組:抽象模型,虛擬現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)實(shí)世界。傳統(tǒng)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(xiàn)(如紙和屏幕),所以有其固有的缺點(diǎn)。4D模型和動(dòng)畫模型表現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)繪畫產(chǎn)生的虛擬環(huán)境的建設(shè)過程。仿真程序可以用來模擬建設(shè)過程。

虛擬建設(shè)也被發(fā)展起來以幫助整合設(shè)計(jì)階段的建筑知識來增加工程的可施工性。目前關(guān)于虛擬建設(shè)問題的研究主要在技術(shù)層面和組織層面,其中技術(shù)層面的研究包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、在可視化設(shè)計(jì)/施工方案中的應(yīng)用、在建筑機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、在施工安全管理中的應(yīng)用、在建設(shè)項(xiàng)目計(jì)劃管理中的應(yīng)用、在土木工程人員培訓(xùn)/學(xué)習(xí)中的應(yīng)用,以及VR技術(shù)和包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在內(nèi)的其他IT技術(shù)的集成應(yīng)用等。其他的研究主要基于制造業(yè)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)虛擬建造,必須在先進(jìn)的建造哲理和建造理論的指導(dǎo)下,通過實(shí)施并行工程、精益建造、敏捷建造和智能建造,建立起相關(guān)的支撐體系。虛擬建設(shè)系統(tǒng)通過與計(jì)算機(jī)集成建造系統(tǒng)(CICS)以及數(shù)字化施工機(jī)械(智能建筑機(jī)器人)無縫聯(lián)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品的完全自動(dòng)化建造。建筑行業(yè)采用工業(yè)化的生產(chǎn)方式正是它發(fā)展的方向:建筑材料和建筑制品已普遍采用集中、大批量、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),滿足了建筑行業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)的供應(yīng)要求,當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展也為建筑設(shè)計(jì)到施工的集成提供了可能,這必將大大提升建筑行業(yè)的技術(shù)含量和集約化程度。

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