建筑工程并行设计探究

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1并行工程设计

随着信息时代的到来,世界范围内的市场竞争变得越来越激烈,建筑工程设计中传统的顺序设计已经难以适应市场竞争的需求。因此,降低设计成本,提高设计质量成为设计单位赢得竞争、求得生存与发展的关键。在这种市场环境下,迫切需要一种缩短设计周期、保证高质量、低成本、有效的建筑工程产品设计开发的新方法。在这种迫切需要下,将以加速产品设计开发过程为目的、综合考虑产品生命周期各环节的并行工程理论运用到建筑工程设计中受到了越来越多的设计单位和学术界的广泛关注。

2并行工程的基本概念

2.1并行工程的定义

目前,人们普遍采用Winner在美国国防分析研究所(InstituteofDefenseAnalysis,IDA)的R-338报告[1]中给出的定义:“并行工程(ConcurrentEngineering,CE)是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程(包括制造过程和支持过程)的系统化方法。这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中,从概念形成到产品报废处理的所有因素,包括质量、成本、进度计划和用户要求。”并行工程的目标为提高产品质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。

2.2并行工程的特点

并行工程特点可以用4C来概括,即并行性(Concurrent)、约束性(Constraint)、协调性(Coordination)和一致性(Consistent)。并行性要求产品和过程设计在同一个框架内并行进行;约束性要求在产品设计时考虑过程的约束性(包括过程的时间效益,成本效益等等);协调性要求产品和过程密切协调;一致性要求产品和过程中的重大决策要取得并行工程小组人员意见的一致。

2.3应用并行工程的效益

美国IDA的研究结果表明并行工程的效益是明显的:(1)设计质量改进———使早期生产中工程变更次数减少50%以上;(2)产品设计及其相关过程并行———使产品开发周期缩短40%~60%;(3)产品设计及其制造过程一体化———使制造成本降低30%~40%;(4)产品及其有关过程的优化———使产品的报废及反复工作减少75%[2]。

3建筑工程并行设计实施的集成框架体系

建筑工业几个世纪形成的专业知识分离造成了建筑体系的“离散化”:建筑师不欣赏工程师的杰作,反过来也一样。设计专业就像有几个行星的宇宙,每个都在它自己的轨道上愉快地生存着。这种分散性的最坏结局是交流问题。缺乏交流,产品开发过程中就不可能使下游设计过程中的需求及早地反馈给相应的过程,也就不可能使设计彻底优化。

随着建筑工程复杂度的提高,单个专业的设计人员很难独立完成整个建筑工程的设计过程。从上个世纪末,建筑过程就要求管理和规划人员、建筑师、结构师和施工人员的合作[3,4]。建筑工程设计只能由各个专业的设计人员共同完成,而各专业设计人员对同一建筑物设计的侧重点不同,处理的信息也就不同。例如对于一块楼板来说,建筑师把它看成是分隔空间的构件,而结构工程师把它看成是承受荷载的构件。由于各个专业设计人员对建筑物处理的信息不同,那么在设计过程中各专业设计人员之间的矛盾就会不可避免的产生。为了在设计过程中及早地解决各专业之间的矛盾,就必需要求各专业之间能够及时地做到数据共享。因此说各专业之间及时的数据共享是实施建筑工程并行设计的基础。

3.1建筑工程并行设计集成的内容

实现建筑工程并行设计,和各个专业之间的设计集成,就是要把不同的专业、不同功能的CAX系统(计算机辅助系统),如建筑、结构、给排水,暖通以及有限元分析,信息管理等系统,按不同的用途有机的结合起来,用统一的执行控制程序来组织各种信息的传递,保证系统内信息流畅,并协调各子系统有效地运行。集成内容包括:

(1)物理集成

通过计算机联网实现系统的物理集成。由各自具有自主功能而又通过通信手段相互连接起来的计算机组成复合系统,达到硬件、软件、数据等资源共享。为集成系统提供运行环境的支撑。

(2)软件集成

软件集成包括CAX应用程序的集成和信息集成两个方面。采用系统核心(SystemKernel)将CAX软件系统对环境的依赖集中于一体,为CAX应用程序提供各种帮助,包括数据的统一管理、程序管理、数据接口和运行控制等。

3.2建筑工程并行设计集成的功能

(1)通过数据文件转换器实现不同系统间的信息共享。

(2)把不同系统的数据信息转换成中性格式,如转换成产品数据表示和转换成国际标准STEP形式,从而实现各系统数据与中性格式的转换和共享。

(3)通过公共数据库实现各系统数据信息的共享。

(4)实现不同专业应用软件和同一专业的不同功能的应用软件集成,处理和支持建筑工程设计过程中的各种数据,解决多种、异构数据库及媒介(文本、图像、语言、图形)数据的集成。

(5)通过网络多媒体数据库实现异地系统协同共享信息资源,实行并行工程处理。以工程项目为核心,使不同地域的设计人员能及时的共享图形库、数据库、材料库及一切网上资源,使各专业设计人员,用户能够对设计等问题及时的,面对面的进行讨论和处理。通过高速信息网络的应用和虚拟设计,实现异地协同设计[5]。

3.3建筑工程并行设计集成的方式

整个集成系统以工程数据库为核心,以图形系统和网络环境为支持,运用接口技术,把各个CAX应用软件及设计管理系统连接成一个有机的整体,使之相互支持,相互调用,到达信息共享、信息及时交换,以发挥出单项CAX应用软件所达不到的整体效益,减少了由于各设计间的矛盾而造成的重复设计以及设计返工。

3.4建筑工程并行设计集成的总体结构

集成的总体结构划分为三个域:支撑域、执行域和管理域支撑域的主要任务是为并行设计、集成化设计提供一个高效、可靠、功能完备和用户友好的数据通讯、信息以及知识共享的工作环境;管理域基于CE原理,对执行域实施监督、管理,确保执行域中产品及其相关过程的设计严格按照CE的原理和方法开展[6]。

(1)支撑域

在支撑域上,基于计算机网络,完成并行设计和产品数据的分布式存储。支撑域以共享数据为基础,为执行域搭建一个可供各专业之间并行协同设计的平台,由硬件与通讯,信息集成,工具集成三部分组成,硬件与通讯满足了并行工程对数据通信的要求;以产品数据数据库管理系统为基础,通过统一的产品数据管理、约束管理等集成化管理,实现了建筑工程设计过程以及后续的施工过程的信息集成;在共享数据的基础上,集成面向执行域各成员的应用平台和接口,为各专业设计人员提供了集成的系统工作环境。

(2)执行域

在支撑域提供的环境下,在管理域的监控和管理下,设计的各项活动组成了执行域。各专业设计人员在支撑域提供的环境下,按照管理域对其的要求开展并完成其工作。

(3)管理域

管理域的主要任务是按5个坐标,即计划与进度控制、技术组织与管理、质量控制、成本控制及人员的组织与管理,对建筑工程设计的整个过程实施集成化的面向并行工程的组织与管理,以保证整个设计过程的并行、一体化设计的顺利进行。在管理域中,设计过程的管理是以活动/过程的组织与管理为基础的,并在各项约束条件下(资源约束、进度约束等),通过对活动/过程的组织与管理来实现的。

4建筑工程并行设计实施的特点

(1)按照并行设计理论,建筑工程设计中的各专业设计必须同时进行,并且尽可能地在设计的早期对方案的可行性做出正确的评定。然而建筑工程设计固有的一些串行设计很难打破,如在没有建筑方案的条件下,根本不可能进行结构设计,所以说完全的“并行设计”在建筑工程设计中不可能实施,只可能是最大限度在设计过程的局部实行并行设计。只有在各专业设计任务之间完全数据共享的情况下,将各专业设计按其设计对象反映概念的抽象程度分成层次,才能使各专业设计在不同的概念层次上实现并行设计。也就是说建筑工程并行设计是宏观上的串行设计,微观上的并行设计[7]。

(2)在建筑工程设计的STEP标准应用协议出台前,各项设计任务之间的信息共享用数据接口技术实现,一定要建立好各专业之间的双向关联性,即当一方有设计更改时,能及时驱使另一方做出相应更改,保持共享数据库的一致性,不至于在施工过程中才能发现设计缺陷。

(3)建筑物不光要满足功能需要,还要求外形美观;建筑师的工作在某种程度上来说也是一项艺术工作,在实行建筑工程并行设计时,应当让建筑师沿用传统的设计方式,即在平面图上打样,由系统自动生成参数化的三维模型。

5结束语

几个世纪的建筑历史形成了今天完整的技术和商业组织机构,建筑-工程(A-E)软件开发适应了这种旧体制,并试图模仿计算机时代前的手工设计过程。直到最近,建筑产品开发的范围还局限于各个工业部门的内部,这种开发在每个部门内独立进行。建筑工程的这种交换方式常常导致信息遗漏、重复、混乱、误解、耽误,并最终引起诉讼。其结果是,建筑物要花很长时间才能设计和建成,并且建造和经营的成本比需要的高。

并行工程是一个庞大的系统工程,本文对建筑工程并行设计的理论和方法做了初步的研究和探索,给出一个建筑工程并行设计的实施框架体系以及建筑工程并行设计的特点。具体实施建筑工程并行设计是一个非常艰难的过程,还需要大量的研究与实践。