建筑設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)
——以樓梯間詳圖知識(shí)庫(kù)及給排水系統(tǒng)的自動(dòng)性能優(yōu)化知識(shí)庫(kù)為例

趙正楠，李一帆，秦承祚，劉磊

（上海品覽數(shù)據(jù)有限公司）

1 建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型對(duì)建筑設(shè)計(jì)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)化的訴求

建筑行業(yè)因其自身復(fù)雜性高，包括十多個(gè)專業(yè)上百個(gè)工種，工程量大且工程周期長(zhǎng)，全生命周期信息量巨大，難以按照統(tǒng)一格式流轉(zhuǎn)協(xié)同，導(dǎo)致其信息化程度很低。且建筑行業(yè)已度過(guò)了高速發(fā)展的“土地紅利”“金融紅利”時(shí)期，急需擺脫粗放管理，回歸制造業(yè)，向精益制造精益建造的方向轉(zhuǎn)型[1]。建筑行業(yè)信息化升級(jí)，建立建筑設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)化知識(shí)庫(kù)的訴求迫在眉睫[2]。

2 建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的痛點(diǎn)

與互聯(lián)網(wǎng)及制造業(yè)產(chǎn)品為導(dǎo)向的生產(chǎn)模式不同，建筑設(shè)計(jì)企業(yè)采用項(xiàng)目導(dǎo)向型的生產(chǎn)模式，復(fù)用率低，很難實(shí)現(xiàn)持續(xù)增效[3]。

以項(xiàng)目導(dǎo)向型的生產(chǎn)方式帶來(lái)以下5個(gè)痛點(diǎn)：

①經(jīng)驗(yàn)積累慢，且難以延續(xù)。必須通過(guò)一系列落地項(xiàng)目的積累，才能將實(shí)際經(jīng)驗(yàn)積累到每一位設(shè)計(jì)師身上，而建筑項(xiàng)目落地周期又較久，且一位設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)很難向企業(yè)里面的其他人有效傳遞。

②企業(yè)的項(xiàng)目成果以及項(xiàng)目的品質(zhì)非常依賴于個(gè)人能力，產(chǎn)出成果質(zhì)量不均。

③項(xiàng)目導(dǎo)向型的生產(chǎn)模式，注定了設(shè)計(jì)企業(yè)依靠項(xiàng)目數(shù)量堆積產(chǎn)值，當(dāng)項(xiàng)目數(shù)量多時(shí)，每個(gè)項(xiàng)目周期就會(huì)被壓縮，設(shè)計(jì)人員在多個(gè)項(xiàng)目之間疲于奔命。

④因?yàn)轫?xiàng)目周期受到壓縮，設(shè)計(jì)人員難以追求更好的創(chuàng)造與創(chuàng)新，項(xiàng)目的品質(zhì)難以保證。

⑤企業(yè)因難以形成持久的產(chǎn)品力與品牌力，在整個(gè)市場(chǎng)中的議價(jià)能力隨著市場(chǎng)規(guī)模的減少和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的增加而降低。

3 建筑設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)——建筑設(shè)計(jì)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的解決方案

建筑設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)（簡(jiǎn)稱“畫法庫(kù)”）是一個(gè)用于建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)沉淀的數(shù)字化、硅基化的知識(shí)庫(kù)，畫法庫(kù)提供的建筑設(shè)計(jì)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)沉淀的平臺(tái)化解決方案，將改變過(guò)去建筑設(shè)計(jì)行業(yè)極其依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、且個(gè)人經(jīng)驗(yàn)難以復(fù)用的狀態(tài)，設(shè)計(jì)方法將以自然語(yǔ)言的形式結(jié)構(gòu)化地記錄下來(lái)，轉(zhuǎn)譯為代碼后，作為AI繪圖內(nèi)在邏輯。可以持續(xù)高速高質(zhì)地輸出設(shè)計(jì)成果。這套設(shè)計(jì)方法可復(fù)用到多個(gè)項(xiàng)目，后續(xù)只需對(duì)該知識(shí)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)和更新即可直接賦能生產(chǎn)[4]。

建筑設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)是實(shí)現(xiàn)AI建筑設(shè)計(jì)的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它包含了建筑學(xué)的系統(tǒng)架構(gòu)、規(guī)則規(guī)范與邏輯方法。在筑繪通平臺(tái)上輸入設(shè)計(jì)條件，平臺(tái)會(huì)按照畫法庫(kù)中設(shè)定的規(guī)則，將其分類為相應(yīng)的情況，觸發(fā)該情況下的解決方案，AI繪圖就會(huì)在此解決方案限定的范圍內(nèi)求解出最優(yōu)建筑設(shè)計(jì)結(jié)果。

同時(shí)，畫法庫(kù)解決方案也將帶來(lái)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)生產(chǎn)模式的變化（見圖1）。企業(yè)畫法庫(kù)將成為設(shè)計(jì)企業(yè)的核心產(chǎn)品，設(shè)計(jì)企業(yè)通過(guò)完善畫法庫(kù)，批量化地提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，而非在多重項(xiàng)目間疲于奔命，把創(chuàng)造力和創(chuàng)新力解放出來(lái)，花更多的時(shí)間去在設(shè)計(jì)的創(chuàng)新上，更有利于設(shè)計(jì)企業(yè)去打造自己的設(shè)計(jì)品牌[5]。

圖1 建筑設(shè)計(jì)企業(yè)生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變

4 建筑設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)體系規(guī)劃與建設(shè)

畫法庫(kù)定義了設(shè)計(jì)對(duì)象及其屬性、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、繪圖與系統(tǒng)計(jì)算邏輯、繪圖的圖紙類型、繪圖所依據(jù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)制定標(biāo)準(zhǔn)化的語(yǔ)素與語(yǔ)序，規(guī)范畫法庫(kù)中文字表達(dá)，形成標(biāo)準(zhǔn)化的自然語(yǔ)言的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)信息的結(jié)構(gòu)化（見圖2）。

圖2 建筑設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)架構(gòu)

5 建筑專業(yè)樓梯間詳圖知識(shí)庫(kù)及應(yīng)用實(shí)例

5.1 樓梯間詳圖知識(shí)庫(kù)架構(gòu)

1）輸入與交互

需要上傳建筑的各層平面圖，經(jīng)過(guò)程序識(shí)別，拿到繪制樓梯間所需的幾何條件（識(shí)圖結(jié)果），由用戶修改并確認(rèn)這些結(jié)果；同時(shí)用戶也需要輸入繪制樓梯間需要配置，包括建筑類型、踏步高寬、面層厚度等數(shù)據(jù)條件。

雖然說(shuō)設(shè)置了很多配置項(xiàng)，但是真正意義上需要用戶手填的就只有建筑類型，如果用戶沒(méi)有特別的要求，則會(huì)按照一般的繪圖習(xí)慣默認(rèn)出圖。未來(lái)也許這個(gè)配置項(xiàng)還會(huì)增加，但一定是基于兼容用戶的更多繪圖和工程習(xí)慣這個(gè)目標(biāo)，它一定是越來(lái)越像“人”畫的，而不是給用戶徒增使用門檻。

2）處理與輸出

在接收到上述數(shù)據(jù)后，程序?qū)ι鲜鰲l件進(jìn)行計(jì)算，以單個(gè)樓梯間為單位計(jì)算樓梯間排列方案，并對(duì)該方案進(jìn)行合規(guī)性復(fù)核；同時(shí)模擬人畫圖的過(guò)程，依次繪制平面、剖面的相應(yīng)內(nèi)容；最后對(duì)圖紙進(jìn)行編排和命名，輸出用戶使用的dwg文件（見圖3）。

圖3 繪制流程

也就是說(shuō)，這樣一個(gè)通過(guò)描述樓梯詳圖繪圖習(xí)慣、工程做法和規(guī)范法規(guī)等限定條件而建立的思維模型與行為模型所產(chǎn)生的人工智能算法而設(shè)計(jì)的樓梯間詳圖生成模塊，它的終極目標(biāo)就是：為用戶提供基于平面布置和高度信息生成的樓梯詳圖圖紙；對(duì)原始圖紙、方案的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行核對(duì)，提供合規(guī)性檢查和方案合理性建議；通過(guò)各類的反饋數(shù)據(jù)，不斷的提升模塊繪圖的成功率和準(zhǔn)確率，提升我們的核心模型對(duì)于樓梯間詳圖繪制的場(chǎng)景覆蓋率。

5.2 具體畫法舉例

研發(fā)的過(guò)程遵循“從理論到模型到結(jié)構(gòu)化”的進(jìn)程。在這個(gè)研發(fā)項(xiàng)目誕生之前，通過(guò)大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，機(jī)器已經(jīng)認(rèn)識(shí)了各種各樣的樓梯間，即完成了對(duì)于這個(gè)單一功能模塊的感知模型搭建；進(jìn)一步的，通過(guò)抽象“人”的思維和行為所建立的模型，機(jī)器會(huì)逐步的完善對(duì)于這種現(xiàn)實(shí)的、復(fù)雜的、小尺度又錙銖必較的樓梯空間的分析和重構(gòu)能力。

畫法會(huì)分為兩部分：計(jì)算和繪制。

1）計(jì)算

根據(jù)進(jìn)出樓梯間的位置，判斷梯段的走勢(shì)；同時(shí)根據(jù)讀取到的樓梯間輪廓，對(duì)能夠進(jìn)行排布的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算；依據(jù)用戶輸入的層高和踏步數(shù)據(jù)，以剖面“碰頭”的高度作為篩選條件，對(duì)梯段排布方案進(jìn)行計(jì)算和選擇。

2）繪制

經(jīng)過(guò)計(jì)算后，根據(jù)計(jì)算的最優(yōu)方案，繪制每層的梯段，并根據(jù)剖斷線位置，將上下層梯段拼接如對(duì)應(yīng)的平面內(nèi)；繪制完成基本構(gòu)件后，再根據(jù)標(biāo)注規(guī)則，繪制詳圖需要的標(biāo)注和屬性信息。

5.3 成果展示

目前程序能夠支持住宅和公建的大部分建筑類型的樓梯間出圖，就具體的樓梯間場(chǎng)景而言，能夠支持較為規(guī)則的封閉（防煙）樓梯間，近期迭代后則會(huì)支持敞開樓梯間、剪刀樓梯間等更多場(chǎng)景。

以下為圖紙上傳到輸出的過(guò)程（見圖4）：

圖4 圖紙上傳到出圖的界面展示

6 給排水系統(tǒng)的自動(dòng)化性能優(yōu)化知識(shí)庫(kù)及應(yīng)用實(shí)例

6.1 給排水系統(tǒng)自動(dòng)性能優(yōu)化知識(shí)庫(kù)價(jià)值

從黃金時(shí)代一步步退化到黑鐵時(shí)代，房地產(chǎn)行業(yè)在過(guò)去的一年里風(fēng)雨飄搖，多個(gè)頭部地產(chǎn)紛紛“爆雷”。受限于國(guó)家出臺(tái)的政策法規(guī)、各地推行的新地標(biāo)以及建筑主材瘋漲等因素，地產(chǎn)企業(yè)更加勒緊腰帶過(guò)日子，紛紛用壓縮規(guī)模、裁員等方式控制成本。而在房地產(chǎn)開發(fā)進(jìn)程中，最簡(jiǎn)單最直接的辦法就是在滿足規(guī)范的前提下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案來(lái)減少建安成本。然而現(xiàn)在的設(shè)計(jì)周期又沒(méi)有給設(shè)計(jì)師太多思考和方案比對(duì)的時(shí)間，這就誕生了對(duì)自動(dòng)性能優(yōu)化的需求，下面就給排水專業(yè)為例來(lái)進(jìn)行探討。

6.2 給排水系統(tǒng)自動(dòng)性能優(yōu)化知識(shí)庫(kù)架構(gòu)（輸入項(xiàng)、輸出項(xiàng)、流程）

給排水系統(tǒng)自動(dòng)性能優(yōu)化，通過(guò)設(shè)計(jì)師輸入建筑圖及結(jié)構(gòu)圖，按照設(shè)定及設(shè)計(jì)師給定邏輯，自動(dòng)完成施工圖設(shè)計(jì)，流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)優(yōu)化流程

其中，項(xiàng)目的不同場(chǎng)景以及用戶的個(gè)性配置輸入，就能產(chǎn)生各種各樣的輸出結(jié)果，再加上自動(dòng)化出圖內(nèi)嵌的材料統(tǒng)計(jì)功能，方案的優(yōu)劣就一目了然了。

6.3 具體畫法舉例

以給排水專業(yè)里的消火栓系統(tǒng)為例，為保證最底部的消火栓栓口靜壓不超1.0MPa，當(dāng)建筑過(guò)高時(shí)，則需要對(duì)消火栓系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，即分成高低兩個(gè)區(qū)，采用不同的壓力供給，管道系統(tǒng)也各自獨(dú)立。但由于規(guī)范只給了最底部的消火栓栓口靜壓不超1.0MPa的基本約束，因而導(dǎo)致不同的設(shè)計(jì)師在具體分區(qū)時(shí)做法各不相同。消火栓系統(tǒng)優(yōu)化的品質(zhì)就是用更少的材料、采用造價(jià)更低的材料，如何在滿足規(guī)范的前提下達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)，不僅是對(duì)設(shè)計(jì)師專業(yè)技能的考驗(yàn)，還對(duì)整體的統(tǒng)籌和布局有更高的要求。

以實(shí)際的某項(xiàng)目為例（見圖6），項(xiàng)目共10個(gè)單體，均為33層住宅，故消火栓需分為兩個(gè)分區(qū)。其中低區(qū)設(shè)置到了18層。若將消火栓分區(qū)調(diào)至10層，每層4根消火栓立管，每層層高按3m，即分區(qū)每減少一層，可減少管長(zhǎng)4×3=12m，每個(gè)樓可減少總管長(zhǎng)12×8=96m，按DN 100鍍鋅鋼管的綜合單價(jià)104元計(jì)，單個(gè)樓節(jié)約成本96×104=9984元。整個(gè)小區(qū)的總差價(jià)約為10萬(wàn)元。

圖6 消火栓系統(tǒng)對(duì)比

6.4 應(yīng)用實(shí)例技術(shù)路線

上面這個(gè)例子，在單體類型相似的場(chǎng)景下，是很容易分辨出來(lái)的，但如果一個(gè)項(xiàng)目中存在多種復(fù)雜的樓棟組合形態(tài)，判斷起來(lái)就會(huì)比較困難。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多采用粗放式設(shè)計(jì)，為滿足規(guī)范，往往放大設(shè)計(jì)要求，同時(shí)對(duì)不同情況下的設(shè)計(jì)對(duì)象，套用單一的設(shè)計(jì)方式，并不會(huì)根據(jù)每個(gè)建筑的特性，因地制宜。以下就是列舉了兩種復(fù)雜場(chǎng)景下（見圖7-8），不同的設(shè)計(jì)思路，以及由此而帶來(lái)的不同效果。

圖7 消火栓系統(tǒng)場(chǎng)景1

圖8 消火栓系統(tǒng)場(chǎng)景2

這里要特別指出的是，類似這樣的對(duì)比方案，往往需要有一系列完整的設(shè)計(jì)成果，才能拿到準(zhǔn)確的對(duì)比數(shù)據(jù)。通過(guò)自動(dòng)化性能設(shè)計(jì)，生成一個(gè)小區(qū)的建筑模型，與建筑圖紙的各對(duì)象一一對(duì)應(yīng)，再根據(jù)設(shè)計(jì)邏輯在建筑模型中快速生成各機(jī)電系統(tǒng)，對(duì)各單體及地庫(kù)的消火栓高低區(qū)不同規(guī)格的管道長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算沿程和局部的水力損失，可自動(dòng)優(yōu)化成最合理的布置方式，也可以生成不同分區(qū)要求下的對(duì)比結(jié)果，供設(shè)計(jì)師挑選。

7 結(jié)語(yǔ)

目前通過(guò)建筑設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，已實(shí)現(xiàn)了樓梯間詳圖、地暖平面圖、地上照明平面圖、地庫(kù)噴淋平面圖、結(jié)構(gòu)布置圖五類專業(yè)圖紙的智能化設(shè)計(jì)。通過(guò)完善畫法庫(kù)體系，能夠覆蓋更多的建筑設(shè)計(jì)版塊。遠(yuǎn)期通過(guò)拓展畫法庫(kù)的設(shè)計(jì)對(duì)象，細(xì)化顆粒度至零件級(jí)，設(shè)計(jì)完成時(shí)，可同步產(chǎn)出零構(gòu)件清單、材料清單、設(shè)備清單，可直接向供應(yīng)商下訂單，助力建筑行業(yè)接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境。另外，通過(guò)拓展畫法庫(kù)維度，由2D到3D、由3D到6D，可以向施工側(cè)、運(yùn)維側(cè)拓展，從設(shè)計(jì)端更好地指導(dǎo)施工與運(yùn)維。