現(xiàn)代建筑工程四維設計探討

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1、四維設計的目標所謂四維設計，是在建筑三維空間模型的基礎上引進時間軸度量的第四維度來協(xié)助完成建筑的設計與建造，通常借助計算機技術用四維數(shù)字模型即4D模型來表達。在建筑業(yè),4D模型作為設計和建筑施工計劃工具有嶄新的含義，并不簡單等同于我們經(jīng)?？吹绞┕て髽I(yè)用計算機虛擬現(xiàn)實技術做的施工過程模擬效果圖。相比之下，4D模型需要達到更深入的技術水平，它要求空間和時間的元素在四維的環(huán)境下被更加有機整合，其中空間的建筑元素為三維模型，而時間序列指的是工程建設項目的施工進度，四維模型將空間元素在時間維度上展開以擬定合理的施工方案并確定工程各個施工過程的施工順序、施工持續(xù)時間以及相互銜接穿插配合關系。不應單純認為4D模型僅僅起到取代設計行業(yè)的二維設計圖紙、模型或取代施工行業(yè)的橫條圖、網(wǎng)絡圖的作用。從更寬的視角看，未來的建筑設計應當是全生命周期的建設活動；在建造階段可能遇到的各種問題如何盡早在設計階段就加以考慮周全，這牽涉到建筑業(yè)中設計與建造兩大環(huán)節(jié)的更有效整合，以提高建造效率，降低建筑業(yè)成本；不當?shù)脑O計會導致不合適的施工順序，最終也會導致建造周期延長，甚至重新返工設計，因此在概念設計階段就應對建筑的施工建造問題進行評估，而不必等到擴初階段或者更晚的施工圖設計階段。如果在建筑設計的初始階段就可以虛擬試驗施工方案的合理性，這樣就能盡量減少設計環(huán)節(jié)中的缺陷所導致的施工問題。因此，四維設計模型追求的最終目標應當是能夠被充分整合在建筑全生命周期的設計任務中發(fā)揮作用。四維設計的研究目標完全是針對提高建筑行業(yè)設計和建造效率而言，同時四維設計有著鮮明的建筑行業(yè)特征，與制造行業(yè)的三維設計模式差別較大。在制造業(yè)，3D模型已成為當前“數(shù)字制造”的基礎，而建筑業(yè)的“數(shù)字建造”還是相當遙遠的理想。部分文獻提出了制造業(yè)三維模型在建筑業(yè)的應用［2］，但迄今為止，只有CATIA軟件在國外個別建筑事務所有過成功的建筑實踐，主要也是應用它復雜曲面建模的能力，它所具有的制造業(yè)各流程的項目管理能力無法復制到建筑行業(yè)，相關施工管理和項目進度安排實際上還是借助于專業(yè)的建筑軟件進行。2、四維設計的技術要求2.1四維設計的技術模塊四維設計的核心是確定工程項目的各項工作的開展順序、持續(xù)時間及相互之間的關系，從而使施工進度計劃管理更加科學先進，即能夠運用計算機快速準確地對計劃進行調(diào)整，優(yōu)化出最佳方案，并能使計劃在執(zhí)行過程中得到更有效的控制和監(jiān)督，以最小的資源消耗，取得最大的經(jīng)濟效果。按通常所謂“形象進度”的稱呼描述4D模型，雖然更容易理解，但不夠準確。理想的四維設計應該是整合空間時間數(shù)據(jù)并融入人工智能推理的設計管理系統(tǒng)，它包含多方面的知識解決模塊，也就是說，施工進度安排的空間模型的直觀顯示僅是一個方面而并非全部，而所有與項目管理包括工地施工進度中時間和空間事件沖突的發(fā)現(xiàn)和解決策略，都應包括在這個四維設計系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動生成4D模型，而系統(tǒng)的知識推理引擎能夠解釋模型中的3D幾何數(shù)據(jù)并生成進度計劃，以顯示建筑如何被建成的。具體的技術模塊應該有：（1）知識庫：儲存4D模型中的3D幾何數(shù)據(jù)以建立空間的關系并插入進度管理數(shù)據(jù)。進度數(shù)據(jù)可以根據(jù)專家的經(jīng)驗取得或者進度計劃人員的專業(yè)知識獲得。（2）程序引擎：計算機調(diào)用專業(yè)的項目管理分析工具或管理模型，試驗進度和空間模型結合的合理程度并評估整合后的4D模型能否被看做建筑計劃的一個有效模擬。（3）用戶接口：使用者可以利用接口獲得控制4D模型的必要功能。此外可能還需要一些擴展的功能，如：（1）虛擬環(huán)境：要求模型能提供在計算機網(wǎng)絡上的傳輸和瀏覽的格式，這主要是滿足多環(huán)節(jié)包括設計和施工人員的協(xié)作需要。（2）約束管理：定義建筑每一個組件如何被連接的關系，彼此的約束以及允許的運動自由度，具有這個功能，可以有效提高模型的智能程度。2.2四維設計的步驟從技術特點上，實際用于四維設計的空間模型不同于常規(guī)的建筑3D模型，要求模型的幾何信息存儲分層的方式能相對靈活，以便于與項目施工的具體事件結合，隨時實現(xiàn)模型構件的重組。但目前在實際操作中采用了簡化模式，通常是基于通用建筑建模軟件生成實體模型，這時四維設計的具體步驟如下。2.2.1應用常規(guī)的建模軟件如Archicad軟件生成建筑3D模型列舉Archicad而不是其他建筑設計軟件是因為其提出并實現(xiàn)的建筑信息模型（ＢＩＭ）技術比較成熟，其平臺提供建筑業(yè)通用數(shù)據(jù)交換模式ＩＦＣ的最新標準，使得生成模型可以在建筑業(yè)所有遵循該標準的信息平臺內(nèi)復用。2.2.2利用編制項目進度計劃的計算機軟件如MicrosoftProject軟件產(chǎn)生進度若采用橫條圖的方式建立項目進度計劃，MicrosoftProject首先列出實現(xiàn)項目目標的所有步驟，將每塊工作分配到各項任務中，收集并輸入工期的估計值，創(chuàng)建任務列表并按大綱的形式將其組織起來，給各個任務配置資源，決定這些任務之間的相互關系并指定日期，然后檢查甘特圖是否符合要求。編制項目進度計劃軟件除MicrosoftProject軟件外，可挑選的施工項目管理類軟件很多，只要具有用橫條圖、單代號網(wǎng)絡圖、日歷視圖、資源工作表等多種方式顯示項目進度計劃的能力即可。2.2.3將3D模型的構件與進度表聯(lián)系，以直觀展示施工進程對計算機而言，這是一個將對象與事件相聯(lián)系的連接軟件的編程實現(xiàn)。通常用ＶＣ或ＶＢ等基于Ｗｉｎｄｏｗｓ圖形界面的編程軟件完成該4D連接工具的開發(fā)，最終實現(xiàn)將3D物體和相應任務相聯(lián)的圖形界面。以上技術實現(xiàn)的4D模型，適用于中小規(guī)模的工程，目前4D模型用于大型建筑工程的實踐不多，比較典型的例子是著名的美國蓋里事務所最近完成的迪斯尼音樂廳建筑群，其工程數(shù)據(jù)量巨大，3D模型采用CATIA軟件，項目進度管理采用P3（PrimaverasProjectPlanner）軟件，不過這兩個軟件都是相關領域相當昂貴的高端軟件，普通建筑企業(yè)采用的可能性很小。3、應用和限制相比設計行業(yè)的二維設計圖紙或三維建筑模型以及施工行業(yè)的橫條圖、網(wǎng)絡圖，4D模型的優(yōu)點不言而喻。傳統(tǒng)的設計和施工作業(yè)圖紙的編制和應用專業(yè)性太強，僅適用于水平較高的技術和管理層人員，不能被參與工程的各級人員廣泛理解和接受，不同環(huán)節(jié)的工程人員相互溝通不夠深入，而四維設計模型能將施工的每一個活動都可以用形象的建筑構件虛擬建造過程來直觀顯示，使得建筑信息的交流和理解水平提高了很大一個層次。在工程施工中，利用4D模型可以使全體人員很快理解進度計劃意圖和工作要點，甚至場地調(diào)度安排（如材料存儲在現(xiàn)場工地何處、吊機設備是否有足夠的操縱空間等）；同時實際施工進度與計劃可以通過實體模型對應表示，有利于發(fā)現(xiàn)差距，及時采取措施，對施工安排進行調(diào)整。對于國內(nèi)施工企業(yè)，可能更為看重4D模型對工程項目投標的幫助以獲得競標優(yōu)勢；它可以使評標專家從模型中很快地了解投標單位對工程施工的認識程度、主要施工的控制方法、施工安排是否均衡、總體計劃是否基本合理等，從而對投標單位的施工經(jīng)驗和實力作出初步評估［3］?？傮w來看，4D模型在建筑施工領域發(fā)揮的作用比較明顯。根據(jù)統(tǒng)計，在施工技術需要革新或場地緊張等情況下，4D模型可以有效減少40％～90％的計劃外施工調(diào)整，因此4D模型在提高施工生產(chǎn)效率方面的作用遠大于作為形象進度的作用；但另一方面，4D模型向施工領域外的建筑設計環(huán)節(jié)拓展的力度尚顯不足。除了建筑業(yè)對新技術適應較慢、使用者對其深層次價值認識不足而缺乏熱情等因素外，最主要的原因是4D模型本身發(fā)展的技術瓶頸還沒有完全克服，存在一些明顯的缺點。例如：還沒有找到處理復雜4D模型相關數(shù)據(jù)的最有效方法，這方面不可能像地理信息系統(tǒng)的GIS模型數(shù)據(jù)庫解決二維幾何圖形那么簡單，因此在涉及到海量數(shù)據(jù)時系統(tǒng)常常出現(xiàn)當機的問題，而即使對普通規(guī)模的項目，工程模型常常也不足夠詳細到具備各種層次的工作細節(jié)以滿足施工分包企業(yè)的作業(yè)要求。同時，多數(shù)4D模型不支持動態(tài)修改，這也妨礙了4D模型的廣泛應用。另一個方面，目前四維設計系統(tǒng)的智能水平其實并不高，所謂計算機承擔的分析推理工作其實離不開使用者的介入，這就要求使用者具有一定程度的操作經(jīng)驗和足夠的專業(yè)知識，因此對于建筑設計人員而言，在沒有施工專業(yè)人員介入而單純依靠4D模型的情況下來評估施工因素對設計的影響和約束并能相應調(diào)整修改設計方案在目前看來還不太現(xiàn)實?？傊?，四維模型軟件還需要在技術上大幅度提升以提高應用水平并獲得更高的經(jīng)濟效益，從而最終在建筑業(yè)發(fā)揮更關鍵的作用。參考文獻［1］劉滌宇。表皮作為方法——從四維分解到四維連續(xù)。建筑師，2004（8）。［2］李紅波，王曉鳴。基于ＵＧ三維可視化仿真的建筑施工全程虛擬。建筑技術，2004，35（11）：808－810.［3］戴涌，張志遠。形象進度技術在施工管理中的應用。第12屆全國工程建設計算機應用學術會議論文集，2004.