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1并行工程設(shè)計

隨著信息時代的到來,世界范圍內(nèi)的市場競爭變得越來越激烈,建筑工程設(shè)計中傳統(tǒng)的順序設(shè)計已經(jīng)難以適應市場競爭的需求。因此,降低設(shè)計成本,提高設(shè)計質(zhì)量成為設(shè)計單位贏得競爭、求得生存與發(fā)展的關(guān)鍵。在這種市場環(huán)境下,迫切需要一種縮短設(shè)計周期、保證高質(zhì)量、低成本、有效的建筑工程產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的新方法。在這種迫切需要下,將以加速產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程為目的、綜合考慮產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)的并行工程理論運用到建筑工程設(shè)計中受到了越來越多的設(shè)計單位和學術(shù)界的廣泛關(guān)注。

2并行工程的基本概念

2.1并行工程的定義

目前,人們普遍采用Winner在美國國防分析研究所(InstituteofDefenseAnalysis,IDA)的R-338報告[1]中給出的定義:“并行工程(ConcurrentEngineering,CE)是集成地、并行地設(shè)計產(chǎn)品及其相關(guān)的各種過程(包括制造過程和支持過程)的系統(tǒng)化方法。這種方法要求產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計一開始就考慮產(chǎn)品整個生命周期中,從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有因素,包括質(zhì)量、成本、進度計劃和用戶要求?！辈⑿泄こ痰哪繕藶樘岣弋a(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和產(chǎn)品上市時間。

2.2并行工程的特點

并行工程特點可以用4C來概括,即并行性(Concurrent)、約束性(Constraint)、協(xié)調(diào)性(Coordination)和一致性(Consistent)。并行性要求產(chǎn)品和過程設(shè)計在同一個框架內(nèi)并行進行;約束性要求在產(chǎn)品設(shè)計時考慮過程的約束性(包括過程的時間效益,成本效益等等);協(xié)調(diào)性要求產(chǎn)品和過程密切協(xié)調(diào);一致性要求產(chǎn)品和過程中的重大決策要取得并行工程小組人員意見的一致。

2.3應用并行工程的效益

美國IDA的研究結(jié)果表明并行工程的效益是明顯的:(1)設(shè)計質(zhì)量改進———使早期生產(chǎn)中工程變更次數(shù)減少50%以上;(2)產(chǎn)品設(shè)計及其相關(guān)過程并行———使產(chǎn)品開發(fā)周期縮短40%~60%;(3)產(chǎn)品設(shè)計及其制造過程一體化———使制造成本降低30%~40%;(4)產(chǎn)品及其有關(guān)過程的優(yōu)化———使產(chǎn)品的報廢及反復工作減少75%[2]。

3建筑工程并行設(shè)計實施的集成框架體系

建筑工業(yè)幾個世紀形成的專業(yè)知識分離造成了建筑體系的“離散化”:建筑師不欣賞工程師的杰作,反過來也一樣。設(shè)計專業(yè)就像有幾個行星的宇宙,每個都在它自己的軌道上愉快地生存著。這種分散性的最壞結(jié)局是交流問題。缺乏交流,產(chǎn)品開發(fā)過程中就不可能使下游設(shè)計過程中的需求及早地反饋給相應的過程,也就不可能使設(shè)計徹底優(yōu)化。

隨著建筑工程復雜度的提高,單個專業(yè)的設(shè)計人員很難獨立完成整個建筑工程的設(shè)計過程。從上個世紀末,建筑過程就要求管理和規(guī)劃人員、建筑師、結(jié)構(gòu)師和施工人員的合作[3,4]。建筑工程設(shè)計只能由各個專業(yè)的設(shè)計人員共同完成,而各專業(yè)設(shè)計人員對同一建筑物設(shè)計的側(cè)重點不同,處理的信息也就不同。例如對于一塊樓板來說,建筑師把它看成是分隔空間的構(gòu)件,而結(jié)構(gòu)工程師把它看成是承受荷載的構(gòu)件。由于各個專業(yè)設(shè)計人員對建筑物處理的信息不同,那么在設(shè)計過程中各專業(yè)設(shè)計人員之間的矛盾就會不可避免的產(chǎn)生。為了在設(shè)計過程中及早地解決各專業(yè)之間的矛盾,就必需要求各專業(yè)之間能夠及時地做到數(shù)據(jù)共享。因此說各專業(yè)之間及時的數(shù)據(jù)共享是實施建筑工程并行設(shè)計的基礎(chǔ)。

3.1建筑工程并行設(shè)計集成的內(nèi)容

實現(xiàn)建筑工程并行設(shè)計,和各個專業(yè)之間的設(shè)計集成,就是要把不同的專業(yè)、不同功能的CAX系統(tǒng)(計算機輔助系統(tǒng)),如建筑、結(jié)構(gòu)、給排水,暖通以及有限元分析,信息管理等系統(tǒng),按不同的用途有機的結(jié)合起來,用統(tǒng)一的執(zhí)行控制程序來組織各種信息的傳遞,保證系統(tǒng)內(nèi)信息流暢,并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)有效地運行。集成內(nèi)容包括:

(1)物理集成

通過計算機聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)的物理集成。由各自具有自主功能而又通過通信手段相互連接起來的計算機組成復合系統(tǒng),達到硬件、軟件、數(shù)據(jù)等資源共享。為集成系統(tǒng)提供運行環(huán)境的支撐。

(2)軟件集成

軟件集成包括CAX應用程序的集成和信息集成兩個方面。采用系統(tǒng)核心(SystemKernel)將CAX軟件系統(tǒng)對環(huán)境的依賴集中于一體,為CAX應用程序提供各種幫助,包括數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、程序管理、數(shù)據(jù)接口和運行控制等。

3.2建筑工程并行設(shè)計集成的功能

(1)通過數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的信息共享。

(2)把不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成中性格式,如轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示和轉(zhuǎn)換成國際標準STEP形式,從而實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)與中性格式的轉(zhuǎn)換和共享。

(3)通過公共數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的共享。

(4)實現(xiàn)不同專業(yè)應用軟件和同一專業(yè)的不同功能的應用軟件集成,處理和支持建筑工程設(shè)計過程中的各種數(shù)據(jù),解決多種、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫及媒介(文本、圖像、語言、圖形)數(shù)據(jù)的集成。

(5)通過網(wǎng)絡多媒體數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)異地系統(tǒng)協(xié)同共享信息資源,實行并行工程處理。以工程項目為核心,使不同地域的設(shè)計人員能及時的共享圖形庫、數(shù)據(jù)庫、材料庫及一切網(wǎng)上資源,使各專業(yè)設(shè)計人員,用戶能夠?qū)υO(shè)計等問題及時的,面對面的進行討論和處理。通過高速信息網(wǎng)絡的應用和虛擬設(shè)計,實現(xiàn)異地協(xié)同設(shè)計[5]。

3.3建筑工程并行設(shè)計集成的方式

整個集成系統(tǒng)以工程數(shù)據(jù)庫為核心,以圖形系統(tǒng)和網(wǎng)絡環(huán)境為支持,運用接口技術(shù),把各個CAX應用軟件及設(shè)計管理系統(tǒng)連接成一個有機的整體,使之相互支持,相互調(diào)用,到達信息共享、信息及時交換,以發(fā)揮出單項CAX應用軟件所達不到的整體效益,減少了由于各設(shè)計間的矛盾而造成的重復設(shè)計以及設(shè)計返工。

3.4建筑工程并行設(shè)計集成的總體結(jié)構(gòu)

集成的總體結(jié)構(gòu)劃分為三個域:支撐域、執(zhí)行域和管理域支撐域的主要任務是為并行設(shè)計、集成化設(shè)計提供一個高效、可靠、功能完備和用戶友好的數(shù)據(jù)通訊、信息以及知識共享的工作環(huán)境;管理域基于CE原理,對執(zhí)行域?qū)嵤┍O(jiān)督、管理,確保執(zhí)行域中產(chǎn)品及其相關(guān)過程的設(shè)計嚴格按照CE的原理和方法開展[6]。

(1)支撐域

在支撐域上,基于計算機網(wǎng)絡,完成并行設(shè)計和產(chǎn)品數(shù)據(jù)的分布式存儲。支撐域以共享數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),為執(zhí)行域搭建一個可供各專業(yè)之間并行協(xié)同設(shè)計的平臺,由硬件與通訊,信息集成,工具集成三部分組成,硬件與通訊滿足了并行工程對數(shù)據(jù)通信的要求;以產(chǎn)品數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為基礎(chǔ),通過統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、約束管理等集成化管理,實現(xiàn)了建筑工程設(shè)計過程以及后續(xù)的施工過程的信息集成;在共享數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,集成面向執(zhí)行域各成員的應用平臺和接口,為各專業(yè)設(shè)計人員提供了集成的系統(tǒng)工作環(huán)境。

(2)執(zhí)行域

在支撐域提供的環(huán)境下,在管理域的監(jiān)控和管理下,設(shè)計的各項活動組成了執(zhí)行域。各專業(yè)設(shè)計人員在支撐域提供的環(huán)境下,按照管理域?qū)ζ涞囊箝_展并完成其工作。

(3)管理域

管理域的主要任務是按5個坐標,即計劃與進度控制、技術(shù)組織與管理、質(zhì)量控制、成本控制及人員的組織與管理,對建筑工程設(shè)計的整個過程實施集成化的面向并行工程的組織與管理,以保證整個設(shè)計過程的并行、一體化設(shè)計的順利進行。在管理域中,設(shè)計過程的管理是以活動/過程的組織與管理為基礎(chǔ)的,并在各項約束條件下(資源約束、進度約束等),通過對活動/過程的組織與管理來實現(xiàn)的。

4建筑工程并行設(shè)計實施的特點

(1)按照并行設(shè)計理論,建筑工程設(shè)計中的各專業(yè)設(shè)計必須同時進行,并且盡可能地在設(shè)計的早期對方案的可行性做出正確的評定。然而建筑工程設(shè)計固有的一些串行設(shè)計很難打破,如在沒有建筑方案的條件下,根本不可能進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,所以說完全的“并行設(shè)計”在建筑工程設(shè)計中不可能實施,只可能是最大限度在設(shè)計過程的局部實行并行設(shè)計。只有在各專業(yè)設(shè)計任務之間完全數(shù)據(jù)共享的情況下,將各專業(yè)設(shè)計按其設(shè)計對象反映概念的抽象程度分成層次,才能使各專業(yè)設(shè)計在不同的概念層次上實現(xiàn)并行設(shè)計。也就是說建筑工程并行設(shè)計是宏觀上的串行設(shè)計,微觀上的并行設(shè)計[7]。

(2)在建筑工程設(shè)計的STEP標準應用協(xié)議出臺前,各項設(shè)計任務之間的信息共享用數(shù)據(jù)接口技術(shù)實現(xiàn),一定要建立好各專業(yè)之間的雙向關(guān)聯(lián)性,即當一方有設(shè)計更改時,能及時驅(qū)使另一方做出相應更改,保持共享數(shù)據(jù)庫的一致性,不至于在施工過程中才能發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷。

(3)建筑物不光要滿足功能需要,還要求外形美觀;建筑師的工作在某種程度上來說也是一項藝術(shù)工作,在實行建筑工程并行設(shè)計時,應當讓建筑師沿用傳統(tǒng)的設(shè)計方式,即在平面圖上打樣,由系統(tǒng)自動生成參數(shù)化的三維模型。

5結(jié)束語

幾個世紀的建筑歷史形成了今天完整的技術(shù)和商業(yè)組織機構(gòu),建筑-工程(A-E)軟件開發(fā)適應了這種舊體制,并試圖模仿計算機時代前的手工設(shè)計過程。直到最近,建筑產(chǎn)品開發(fā)的范圍還局限于各個工業(yè)部門的內(nèi)部,這種開發(fā)在每個部門內(nèi)獨立進行。建筑工程的這種交換方式常常導致信息遺漏、重復、混亂、誤解、耽誤,并最終引起訴訟。其結(jié)果是,建筑物要花很長時間才能設(shè)計和建成,并且建造和經(jīng)營的成本比需要的高。

并行工程是一個龐大的系統(tǒng)工程,本文對建筑工程并行設(shè)計的理論和方法做了初步的研究和探索,給出一個建筑工程并行設(shè)計的實施框架體系以及建筑工程并行設(shè)計的特點。具體實施建筑工程并行設(shè)計是一個非常艱難的過程,還需要大量的研究與實踐。