建筑设计到施工的集成化研究综述

王宇辉

建设活动是人类社会最基本的活动之一。远古时代,人类的祖先在建造自己居住的巢穴或住所时,他们是不自觉的完成设计到施工的一系列过程的。在那个生产力极其低下的年代,建设活动处于一种原始的集成状态。之后,随着社会生产力的不断发展,经过几次生产力革命和相应的社会分工,到19世纪,建筑的各个专业逐渐分离开来。到了20世纪后半叶以后,伴随着信息技术革命的到来,计算机在各类行业中的应用越来越普及。在建筑行业,对计算机的应用经历了从计算机辅助计算到计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助建造的分散应用再到系统化的提出虚拟建设以及集成建造、智能建设的过程。建设活动由分离走向了更高层次的集成。

1 “设计—实现”概念分析

根据设计方法学的观点,设计过程可以划分为若干个设计阶段,各阶段又有若干个步骤。建筑初步设计可以划分为:1)概念设计。2)功能设计。3)布局设计。4)形态设计。

结构初步设计对产品最终实现的影响视具体建筑的不同而有较大差别。结构的初步设计同样可以划分为概念设计(包括结构意向、结构形式等)、功能设计、布局设计、形态设计等几个阶段。其各个阶段对后续施工阶段的影响程度比值大致与建筑初步设计各阶段比值相当。水暖电声光等其他专业对建筑产品最终实现的影响也要视具体建筑或构筑物形式的不同而存在着较大差别。例如对于观演类建筑声学专业的影响是居于主导地位等。目前的设计和施工出现矛盾的一个因素源自传统的平—立—剖的施工图形式。这种形式的施工图未能直观的给出建筑产品的最终形态,从而对其的理解依赖于设计和施工人员的读图经验,这很容易造成设计中错误百出的状况。

由此可见,随着计算机应用技术的普及,为了提高建造效率,控制成本,减少资源浪费和各环节的出错率,工程建设也必然从传统的“设计—建造”的两阶段过程逐渐发展为“设计—虚拟建造—自动化建造”的三阶段过程。

2 “设计—实现”技术分析

“虚拟设计—虚拟建造—自动化建造”的三阶段过程由于计算机技术的发展而得到快速发展。而且这一过程逐渐从互相孤立的三个阶段转向集成化和智能化,从而使整个过程变得更加密不可分。集成的系统,即Integrated CAD/CAC:它是在系统设计一开始,就将系统未来要用的功能都考虑周全,并将这些功能的实现全都集成到一个系统中,特别是采用统一的产品数据模型,故可以实现无缝联结。例如:CATIA系统、I-DEAS系统、CADDS系统这些著名软件系统,可以在一个集成环境下,完成从设计、工程分析到建造加工的过程。具有广泛意义的CAD/CAC集成系统组成按照功能划分,由四个应用子系统和一个支撑系统组成(见图1)。

1)建造管理系统(CMS):包括建造计划管理、项目管理、建造资源管理和物料管理四个子系统。2)工程设计系统(EDS):包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺设计(CAPP)、计算机辅助夹具设计(CAFD)、计算机辅助建造(CAC)四个子系统。其中CAD子系统:包括建筑的概念设计、构件设计、装配设计、工程分析、造型及图形显示、优化设计、动态分析、仿真以及设计文件自动生成等。CAPP子系统:包括典型构件工艺检索、工艺规程的制定、工艺参数的选择、工时定额制定以及工艺文件的自动生成等。CAFD子系统:包括工装锚夹具的检索、工装锚夹具的三维参数化设计以及组合夹具的设计与组装等。CAC子系统:根据CAD系统产生的设计对象和CAPP系统产生的建造工艺信息,生成构件的路径文件,并通过建造和加工过程仿真系统进行程序调试,然后把代码传递给相应的数字化施工机械和构件加工设备。3)建造自动化系统(CAS):包括现场施工信息管理、现场施工作业仿真、施工作业监控、事故分析四个子系统。4)质量管理系统(QMS):包括质量的综合信息管理、评价与分析、检测、计划等子系统。5)支撑系统:包括计算机硬件系统与软件、网络、数据库、应用集成软件框架及协同工作环境等子系统。它支持四个应用子系统间的信息集成、过程集成以及多功能协同作业。

3 “设计—实现”发展方向

建筑自动化主要集中在两个方向的改进:自动化程度和真实性程度。研究考虑的自动化程度旨在通过使用计算机辅助的方法来降低重复手工操作,以对过程加以计划。真实性程度的研究则提高了计算机图解程度,并提高了虚拟世界及真实世界的精确模型的自动化程度(见图2)。

由于真实性程度,建筑技术和研究可以分为三组:抽象模型,虚拟现实和现实世界。传统的二维CAD图纸虽然是精确模型,但由于只在二维媒体上呈现(如纸和屏幕),所以有其固有的缺点。4D模型和动画模型表现了由计算机绘画产生的虚拟环境的建设过程。仿真程序可以用来模拟建设过程。

虚拟建设也被发展起来以帮助整合设计阶段的建筑知识来增加工程的可施工性。目前关于虚拟建设问题的研究主要在技术层面和组织层面,其中技术层面的研究包括虚拟现实技术(VR)在建筑设计中的应用、在可视化设计/施工方案中的应用、在建筑机械设计中的应用、在施工安全管理中的应用、在建设项目计划管理中的应用、在土木工程人员培训/学习中的应用,以及VR技术和包括网络技术在内的其他IT技术的集成应用等。其他的研究主要基于制造业领域的成果,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,要实现虚拟建造,必须在先进的建造哲理和建造理论的指导下,通过实施并行工程、精益建造、敏捷建造和智能建造,建立起相关的支撑体系。虚拟建设系统通过与计算机集成建造系统(CICS)以及数字化施工机械(智能建筑机器人)无缝联结可以实现建筑产品的完全自动化建造。建筑行业采用工业化的生产方式正是它发展的方向:建筑材料和建筑制品已普遍采用集中、大批量、标准化生产,满足了建筑行业工业化生产的供应要求,当前计算机技术的迅速发展也为建筑设计到施工的集成提供了可能,这必将大大提升建筑行业的技术含量和集约化程度。

[1]郑 磊.虚拟建设及其实施的理论研究[D].南京:东南大学博士论文,1999.

[2]陈 林,苏振民.工程项目设计与施工整合研究[J].制度建设,2008(18):167-170.

[3]李国成,王靖涛.复杂结构施工的虚拟实现[J].建筑结构学报,2002(12):37-38.

[4]张 利.虚拟建造技术及其应用展望[J].建筑技术,2003(21):38-40.

[5]刘志菊.浅谈虚拟现实及其应用技术[J].山西建筑,2008,34(8):361-362.