試述現(xiàn)代建筑的四維設(shè)計(jì)理念

李虎哲

摘要: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)常看到施工企業(yè)用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)做的施工過(guò)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(kāi)以擬定合理的施工方案并確定工程各個(gè)施工過(guò)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。本文結(jié)合工作實(shí)踐對(duì)建筑四維設(shè)計(jì)的要求及步驟進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述,最后還探討了建筑四維設(shè)計(jì)的在建筑工程中的應(yīng)用和限制。

關(guān)鍵詞:四維技術(shù) 技術(shù)要求 建筑工程 應(yīng)用 限制

0 引言

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(lái)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(lái)表達(dá)。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。

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(lái)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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。

1 建筑四維設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

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(kāi)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(guò)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(shuō),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(kù):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。

2 建筑四維設(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。

2.1 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 利用編制項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃的計(jì)算機(jī)軟件如Microsoft Project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,Microsoft Project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(lái),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Microsoft Project軟件外,可挑選的施工項(xiàng)目管理類(lèi)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。

2.3 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(kāi)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。

3 建筑四維設(shè)計(jì)的在建筑工程中的應(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(guò)程來(lái)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(guò)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。

總體來(lái)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(méi)有完全克服,存在一些明顯的缺點(diǎn)。例如:還沒(méi)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(kù)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(wèn)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(kāi)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(méi)有施工專業(yè)人員介入而單純依靠4D模型的情況下來(lái)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(lái)還不太現(xiàn)實(shí)。

總之,四維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。