現(xiàn)代建筑工程四維設(shè)計(jì)探討

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1、四維設(shè)計(jì)的目標(biāo)所謂四維設(shè)計(jì)，是在建筑三維空間模型的基礎(chǔ)上引進(jìn)時(shí)間軸度量的第四維度來協(xié)助完成建筑的設(shè)計(jì)與建造，通常借助計(jì)算機(jī)技術(shù)用四維數(shù)字模型即4D模型來表達(dá)。在建筑業(yè),4D模型作為設(shè)計(jì)和建筑施工計(jì)劃工具有嶄新的含義，并不簡(jiǎn)單等同于我們經(jīng)?？吹绞┕て髽I(yè)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)做的施工過程模擬效果圖。相比之下，4D模型需要達(dá)到更深入的技術(shù)水平，它要求空間和時(shí)間的元素在四維的環(huán)境下被更加有機(jī)整合，其中空間的建筑元素為三維模型，而時(shí)間序列指的是工程建設(shè)項(xiàng)目的施工進(jìn)度，四維模型將空間元素在時(shí)間維度上展開以擬定合理的施工方案并確定工程各個(gè)施工過程的施工順序、施工持續(xù)時(shí)間以及相互銜接穿插配合關(guān)系。不應(yīng)單純認(rèn)為4D模型僅僅起到取代設(shè)計(jì)行業(yè)的二維設(shè)計(jì)圖紙、模型或取代施工行業(yè)的橫條圖、網(wǎng)絡(luò)圖的作用。從更寬的視角看，未來的建筑設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是全生命周期的建設(shè)活動(dòng)；在建造階段可能遇到的各種問題如何盡早在設(shè)計(jì)階段就加以考慮周全，這牽涉到建筑業(yè)中設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致不合適的施工順序，最終也會(huì)導(dǎo)致建造周期延長(zhǎng)，甚至重新返工設(shè)計(jì)，因此在概念設(shè)計(jì)階段就應(yīng)對(duì)建筑的施工建造問題進(jìn)行評(píng)估，而不必等到擴(kuò)初階段或者更晚的施工圖設(shè)計(jì)階段。如果在建筑設(shè)計(jì)的初始階段就可以虛擬試驗(yàn)施工方案的合理性，這樣就能盡量減少設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的缺陷所導(dǎo)致的施工問題。因此，四維設(shè)計(jì)模型追求的最終目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是能夠被充分整合在建筑全生命周期的設(shè)計(jì)任務(wù)中發(fā)揮作用。四維設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)完全是針對(duì)提高建筑行業(yè)設(shè)計(jì)和建造效率而言，同時(shí)四維設(shè)計(jì)有著鮮明的建筑行業(yè)特征，與制造行業(yè)的三維設(shè)計(jì)模式差別較大。在制造業(yè)，3D模型已成為當(dāng)前“數(shù)字制造”的基礎(chǔ)，而建筑業(yè)的“數(shù)字建造”還是相當(dāng)遙遠(yuǎn)的理想。部分文獻(xiàn)提出了制造業(yè)三維模型在建筑業(yè)的應(yīng)用［2］，但迄今為止，只有CATIA軟件在國(guó)外個(gè)別建筑事務(wù)所有過成功的建筑實(shí)踐，主要也是應(yīng)用它復(fù)雜曲面建模的能力，它所具有的制造業(yè)各流程的項(xiàng)目管理能力無法復(fù)制到建筑行業(yè)，相關(guān)施工管理和項(xiàng)目進(jìn)度安排實(shí)際上還是借助于專業(yè)的建筑軟件進(jìn)行。2、四維設(shè)計(jì)的技術(shù)要求2.1四維設(shè)計(jì)的技術(shù)模塊四維設(shè)計(jì)的核心是確定工程項(xiàng)目的各項(xiàng)工作的開展順序、持續(xù)時(shí)間及相互之間的關(guān)系，從而使施工進(jìn)度計(jì)劃管理更加科學(xué)先進(jìn)，即能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)快速準(zhǔn)確地對(duì)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化出最佳方案，并能使計(jì)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(jì)效果。按通常所謂“形象進(jìn)度”的稱呼描述4D模型，雖然更容易理解，但不夠準(zhǔn)確。理想的四維設(shè)計(jì)應(yīng)該是整合空間時(shí)間數(shù)據(jù)并融入人工智能推理的設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)，它包含多方面的知識(shí)解決模塊，也就是說，施工進(jìn)度安排的空間模型的直觀顯示僅是一個(gè)方面而并非全部，而所有與項(xiàng)目管理包括工地施工進(jìn)度中時(shí)間和空間事件沖突的發(fā)現(xiàn)和解決策略，都應(yīng)包括在這個(gè)四維設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)生成4D模型，而系統(tǒng)的知識(shí)推理引擎能夠解釋模型中的3D幾何數(shù)據(jù)并生成進(jìn)度計(jì)劃，以顯示建筑如何被建成的。具體的技術(shù)模塊應(yīng)該有：（1）知識(shí)庫：儲(chǔ)存4D模型中的3D幾何數(shù)據(jù)以建立空間的關(guān)系并插入進(jìn)度管理數(shù)據(jù)。進(jìn)度數(shù)據(jù)可以根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)取得或者進(jìn)度計(jì)劃人員的專業(yè)知識(shí)獲得。（2）程序引擎：計(jì)算機(jī)調(diào)用專業(yè)的項(xiàng)目管理分析工具或管理模型，試驗(yàn)進(jìn)度和空間模型結(jié)合的合理程度并評(píng)估整合后的4D模型能否被看做建筑計(jì)劃的一個(gè)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(kuò)展的功能，如：（1）虛擬環(huán)境：要求模型能提供在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的傳輸和瀏覽的格式，這主要是滿足多環(huán)節(jié)包括設(shè)計(jì)和施工人員的協(xié)作需要。（2）約束管理：定義建筑每一個(gè)組件如何被連接的關(guān)系，彼此的約束以及允許的運(yùn)動(dòng)自由度，具有這個(gè)功能，可以有效提高模型的智能程度。2.2四維設(shè)計(jì)的步驟從技術(shù)特點(diǎn)上，實(shí)際用于四維設(shè)計(jì)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(chǔ)分層的方式能相對(duì)靈活，以便于與項(xiàng)目施工的具體事件結(jié)合，隨時(shí)實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)件的重組。但目前在實(shí)際操作中采用了簡(jiǎn)化模式，通常是基于通用建筑建模軟件生成實(shí)體模型，這時(shí)四維設(shè)計(jì)的具體步驟如下。2.2.1應(yīng)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(shè)計(jì)軟件是因?yàn)槠涮岢霾?shí)現(xiàn)的建筑信息模型（ＢＩＭ）技術(shù)比較成熟，其平臺(tái)提供建筑業(yè)通用數(shù)據(jù)交換模式ＩＦＣ的最新標(biāo)準(zhǔn)，使得生成模型可以在建筑業(yè)所有遵循該標(biāo)準(zhǔn)的信息平臺(tái)內(nèi)復(fù)用。2.2.2利用編制項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃的計(jì)算機(jī)軟件如MicrosoftProject軟件產(chǎn)生進(jìn)度若采用橫條圖的方式建立項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃，MicrosoftProject首先列出實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)的所有步驟，將每塊工作分配到各項(xiàng)任務(wù)中，收集并輸入工期的估計(jì)值，創(chuàng)建任務(wù)列表并按大綱的形式將其組織起來，給各個(gè)任務(wù)配置資源，決定這些任務(wù)之間的相互關(guān)系并指定日期，然后檢查甘特圖是否符合要求。編制項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃軟件除MicrosoftProject軟件外，可挑選的施工項(xiàng)目管理類軟件很多，只要具有用橫條圖、單代號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖、日歷視圖、資源工作表等多種方式顯示項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃的能力即可。2.2.3將3D模型的構(gòu)件與進(jìn)度表聯(lián)系，以直觀展示施工進(jìn)程對(duì)計(jì)算機(jī)而言，這是一個(gè)將對(duì)象與事件相聯(lián)系的連接軟件的編程實(shí)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(shí)現(xiàn)將3D物體和相應(yīng)任務(wù)相聯(lián)的圖形界面。以上技術(shù)實(shí)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(shí)踐不多，比較典型的例子是著名的美國(guó)蓋里事務(wù)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(xiàng)目進(jìn)度管理采用P3（PrimaverasProjectPlanner）軟件，不過這兩個(gè)軟件都是相關(guān)領(lǐng)域相當(dāng)昂貴的高端軟件，普通建筑企業(yè)采用的可能性很小。3、應(yīng)用和限制相比設(shè)計(jì)行業(yè)的二維設(shè)計(jì)圖紙或三維建筑模型以及施工行業(yè)的橫條圖、網(wǎng)絡(luò)圖，4D模型的優(yōu)點(diǎn)不言而喻。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工作業(yè)圖紙的編制和應(yīng)用專業(yè)性太強(qiáng)，僅適用于水平較高的技術(shù)和管理層人員，不能被參與工程的各級(jí)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(shè)計(jì)模型能將施工的每一個(gè)活動(dòng)都可以用形象的建筑構(gòu)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(gè)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(jìn)度計(jì)劃意圖和工作要點(diǎn)，甚至場(chǎng)地調(diào)度安排（如材料存儲(chǔ)在現(xiàn)場(chǎng)工地何處、吊機(jī)設(shè)備是否有足夠的操縱空間等）；同時(shí)實(shí)際施工進(jìn)度與計(jì)劃可以通過實(shí)體模型對(duì)應(yīng)表示，有利于發(fā)現(xiàn)差距，及時(shí)采取措施，對(duì)施工安排進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于國(guó)內(nèi)施工企業(yè)，可能更為看重4D模型對(duì)工程項(xiàng)目投標(biāo)的幫助以獲得競(jìng)標(biāo)優(yōu)勢(shì)；它可以使評(píng)標(biāo)專家從模型中很快地了解投標(biāo)單位對(duì)工程施工的認(rèn)識(shí)程度、主要施工的控制方法、施工安排是否均衡、總體計(jì)劃是否基本合理等，從而對(duì)投標(biāo)單位的施工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)力作出初步評(píng)估［3］。總體來看，4D模型在建筑施工領(lǐng)域發(fā)揮的作用比較明顯。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在施工技術(shù)需要革新或場(chǎng)地緊張等情況下，4D模型可以有效減少40％～90％的計(jì)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(yuǎn)大于作為形象進(jìn)度的作用；但另一方面，4D模型向施工領(lǐng)域外的建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)拓展的力度尚顯不足。除了建筑業(yè)對(duì)新技術(shù)適應(yīng)較慢、使用者對(duì)其深層次價(jià)值認(rèn)識(shí)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(shù)瓶頸還沒有完全克服，存在一些明顯的缺點(diǎn)。例如：還沒有找到處理復(fù)雜4D模型相關(guān)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(jiǎn)單，因此在涉及到海量數(shù)據(jù)時(shí)系統(tǒng)常常出現(xiàn)當(dāng)機(jī)的問題，而即使對(duì)普通規(guī)模的項(xiàng)目，工程模型常常也不足夠詳細(xì)到具備各種層次的工作細(xì)節(jié)以滿足施工分包企業(yè)的作業(yè)要求。同時(shí)，多數(shù)4D模型不支持動(dòng)態(tài)修改，這也妨礙了4D模型的廣泛應(yīng)用。另一個(gè)方面，目前四維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的智能水平其實(shí)并不高，所謂計(jì)算機(jī)承擔(dān)的分析推理工作其實(shí)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(yàn)和足夠的專業(yè)知識(shí)，因此對(duì)于建筑設(shè)計(jì)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(píng)估施工因素對(duì)設(shè)計(jì)的影響和約束并能相應(yīng)調(diào)整修改設(shè)計(jì)方案在目前看來還不太現(xiàn)實(shí)?？傊木S模型軟件還需要在技術(shù)上大幅度提升以提高應(yīng)用水平并獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，從而最終在建筑業(yè)發(fā)揮更關(guān)鍵的作用。參考文獻(xiàn)［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(shù)，2004，35（11）：808－810.［3］戴涌，張志遠(yuǎn)。形象進(jìn)度技術(shù)在施工管理中的應(yīng)用。第12屆全國(guó)工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2004.