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面向装配式建筑的达索系统BIM解决方案

2018/1/19    来源:互联网        
关键字:BIM  制造业  
BIM技术自从2003年引入中国之后,经过前期几年的铺垫,从2009年之后才普遍被行业认可,现在已发展成为建筑工程行业最热门的信息化技术。然而,在早期的爆炸式发展之后,近年来的BIM应用水平似有陷入停顿之感,至今还有很多问题尚未解决。

    中国BIM应用的现状问题

    BIM技术自从2003年引入中国之后,经过前期几年的铺垫,从2009年之后才普遍被行业认可,现在已发展成为建筑工程行业最热门的信息化技术。然而,在早期的爆炸式发展之后,近年来的BIM应用水平似有陷入停顿之感,至今还有很多问题尚未解决。而当初行业创新者对BIM的畅想,到现在也还远远没有实现。其中既有软件技术方面的原因,也有行业自身的原因。

    以目前国内BIM应用的水平现状而言,最显著的几个特点是:

    1) 应用BIM的项目中,绝大部分都是CAD/BIM并行模式(通常称为“后BIM” ),而非“BIM正向设计”。

    这是一个很值得思考的现象,因为在制造业(它们对3D技术的应用比建筑业早将近20年)并未出现这一情况。制造业产品设计的过程中,要么用2D,要么用3D,为什么建筑业要用2D设计完了之后再翻成3D呢?究其根本原因,无非以下几点:

    3D建模的效率不如2D:一些在2D绘图中可以很快画出来的内容,精确的3D建模需要更长时间。

    3D模型不适合出图:建筑业的现状仍然要求2D图纸交付,这也是实际情况。

    因此,在建筑设计阶段出图时间非常紧张的情况下,大量项目其实还是用传统方式设计,只是包了一个BIM的皮而已,也就可以理解了。只是,在这样的流程中,BIM除了3D可视化和碰撞检查,基本上也就没什么实际意义了。更重要的是,这种“后BIM”模式还导致企业要投入额外的资源创建模型,并且使得模型与图纸可能出现不一致的状况,反而增添了更多问题。

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    2) 设计与施工脱节的状况没有改观。

    从BIM理念刚诞生之时开始,“衔接设计与施工之间的信息断裂”就是作为BIM的重要价值之一而提出。然而,现在的BIM工具真的做到这一点了吗?在设计师创建BIM的绝大部分项目里,施工方并没有参与模型的创建过程,因此常常听到施工方反馈设计方给出的BIM模型并没有多大用处,有很多施工需要的信息在模型中并没有得到体现。而在实际工作中,设计方给出的图纸(即便是用了BIM之后)在很多情况下也不能真正达到“按图施工”的水准,施工方和预制方还是需要根据设计图纸进行大量的深化设计,并且研究用什么样的工艺才能真正建造出来。

    因此,可以说建筑行业原有的“信息孤岛”现象并未随着BIM的应用而消失,只是从2D的孤岛变成了BIM的孤岛,或者最多是在孤岛之间建起几座桥梁,但远远没有到达把孤岛连接成整片陆地的程度。

    3) 缺乏项目全流程的协同管理。

    当我们讨论项目全流程的时候,我们关注的不仅是设计阶段不同专业之间的协同,同时也关注设计与预制加工、现场安装、业主管理之间的协同。作为业主,如何了解项目的真实进度并控制风险?如何确保设计师想象的效果能够用当前的工艺工法完美实现?一个不起眼的设计变更会对施工成本造成多大的影响?如果应用BIM的设计人员只关心怎么快点出图,那么这些问题就永远找不到答案。

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    图1. 不同行业之间的3D技术应用差距

    原因和变革方向

    之所以形成这样的局面,一方面是建筑行业本身的机制落后,另一方面也有软件工具方面的原因。然而可喜的是,随着装配式技术在建筑行业被推广普及,我们看到两方面的情况都在发生变化。

    从行业层面来说,与制造业的高度机械化、自动化不同,传统的建筑业生产流程中大量工序是由工人在建筑现场手工完成的(例如绑钢筋、支模板),因此便于携带、查看的图纸就显得必不可少。但随着装配式技术的应用,实际上对图纸的需求是与以前不同的。对于装配式建筑(包括现在的幕墙、钢结构项目)而言,我们可以把用于预制生产的加工图(英文称为shop drawing)和用于现场组装的安装图区分开来。前者的用途是精确描述构件细节以便于制造产品,只要满足生产要求,随着数控技术的进步,完全可以像先进制造业一样实现不用图纸的全3D数控生产。后者仍然是提供给工地现场的,但应着重于描述结点连接方式、安装方法等信息,而无需过多描绘构件本身的细节(因为构件已经作为实物提供给工地了)。因此,前者可以逐步被3D技术所取代,而后者虽然不会消亡,但其关注的信息和表达形式应当与传统的施工图有所不同。

    从软件工具层面来说,传统的BIM软件基本上都是由建筑师开发的,虽然满足建筑师习惯的流程和做法,但面临建筑行业的流程变革时就显得力不从心。很多传统的BIM软件都不具备一些用于装配式建筑的重要功能:

    (1)以制造级别的高度精确和可靠性来描述构件的几何形体和空间位置。尤其是当涉及到复杂的空间曲面之时,加工数据的精确性就显得格外重要。并不是所有BIM软件都具备这样精确的图形引擎,有些软件会使用折线或者网格面来模拟连续的空间曲面,这就会在细节处产生误差。

    (2)以不同的颗粒度来描述构件的组成结构和装配关系。例如建筑师眼里可以把一层楼板看作一个整体,但对于预制、施工方来说,还要把它拆分成多个预制板单元,进而跟踪统计每个板单元的材料用量、位置和安装顺序,并且研究单元之间的连接方式。类似的,一个幕墙面板单元可以拆分成几十个不同的零件,每个零件都要分别制造、编码,最后精确装配起来。这样的层级分解结构在很多传统BIM软件里面是不存在的。

    (3)通过模型来记录施工工艺和操作方法。缺少这样的信息,无论是对于预制厂还是工地现场,操作工人都只能看到“是什么”,而不能看到“怎么做”,因此仍然可能在生产安装的操作过程中出现问题。

    (4)连接上下游、不同企业的网络协作平台。不仅要支持设计企业内部不同专业的协作,还需要通过网络平台在设计阶段就能连接业主、预制厂和施工方等各方,通过3D模型进行可视化交流,获取各方的专业建议,并且共享物料清单等关键信息。

    因此,要通过BIM来促进装配式建筑的普及应用,实现建筑工程行业的全面转型,一方面需要行业有识之士推动行业的流程和标准改变,另一方面也要研究从制造行业产生的全生命期软件系统,而不是抱残守缺地沿用现有软件。

    达索系统的思路

    作为制造业最高端的产品全生命期管理(PLM)解决方案供应商,达索系统在进入建筑工程行业时选择了一条和传统BIM软件厂商不同的道路:把装配式建筑作为我们的发展重点。达索系统不是着眼于今天市面上常见的普通建筑,而是面向未来,思考二十年后的建筑行业与今天将会如何不同,我们的3D体验解决方案如何解决未来客户将要面临的问题。达索系统的建筑工程行业解决方案具有以下几个方面的优势:

    (1)基于物料清单(BOM,Bill of Materials)的数据管理;

    (2)制造级精度的3D正向设计;

    (3)设计与施工的集成仿真;

    (4)流程与数据结合的协作平台。

    为了实现不同的业务流程,达索系统在3D体验平台上集成整合了不同的软件品牌,包括用于3D建模设计的CATIA品牌、用于施工仿真的DELMIA品牌、用于协作管理的ENOVIA品牌,并且根据建筑工程行业的独特之处进行了专门增强,形成了“设计制造一体化”、“优化施工”等行业解决方案。下面我们分别针对不同的方面进行介绍。

    (1) 基于物料清单(BOM)的数据管理

    传统的建筑行业习惯于“基于图纸”的工作模式,当需要信息时,根据图纸目录(或编码)找到相应的图纸,再通过读图来了解信息。然而,对象之间的层级结构、逻辑关系等信息是很难在图纸上表达出来的。在制造业,使用的是“基于BOM”的工作模式。对于一个大型产品,首先用逻辑结构树将其分解为子部件,每一个子部件还可以继续分解,如此一级一级展开,直到最基本的零件为止。当需要部件信息时,就在结构树上找到相应的对象结点,从其中可以获取部件的3D模型、设计参数、采购信息等所有数据。而部件之间的层级结构、逻辑关系等信息则通过结构树的组织体现出来。——建筑物同样可以采取类似的方式,例如将一栋大厦分解成主楼、裙房和地下,每个部分进一步按楼层分解,每个楼层中再包含梁柱门窗等构件。针对每一个构件对象,我们都可以把它作为一个实体来单独管理它的设计参数、访问权限、历史版本等所有数据。同时,设计师还可以根据工艺需求决定每个部件是否需要进一步拆分、如何拆分(例如一个门可以拆分成门框、门扇和合页),并生成构件清单、加工图、材料统计表等。

    对于大型协作性项目,对象结构树的另一个重要用途是专业之间的参数共享。每个专业都可以把需要对外共享的设计参数发布在结构树上,当下游专业需要引用上游专业的对象或者参数的时候,就可以直接从结构树上实时引用。一旦上游专业的信息发生了变更,系统就会自动通知下游专业并且自动更新,从而保证设计信息的一致性。而传统的基于“外部参照”模式的设计协同是无法实现这一点的。

    正是因为CATIA模型中包含所有的准确信息和逻辑关系,使得设计师能够洞察全局,对所有信息都了如指掌。正因如此,在飞机、船舶等大型制造业都使用CATIA作为通用的3D制造建模平台。

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    图2. 基于BOM的数据管理

    (2) 制造级精度的3D正向设计

    与传统的BIM软件相比,强大的3D参数化图形引擎也是CATIA的重要优势。无论是复杂的装配结构,还是连续、精确的空间曲面,在CATIA里面处理起来都相当轻松。此外,依靠强大的参数化技术,CATIA还可以通过编程创建“计算出的建筑”,从而实现用人工方式很难完成的任务。

    今天的方案设计人员常常使用Rhino在前期进行造型设计,并与一些渲染工具连接生成绚丽的效果图,但它只是纯粹的造型工具,不包括任何BIM信息,也很难和生产制造系统连接起来。而CATIA和Rhino同样支持强大的NURBS曲面,因此既可以用CATIA创建曲面,也可以把Rhino创建的曲面无缝导入到CATIA里面。在方案造型创建完成后,可以使用达索系统的CATIA建筑方案工具,快速从体量创建建筑、结构专业的方案模型。设计师可以使用预定义的概念级深度(LOD 200)的构件模型(例如门窗、梁、柱等)快速创建方案,等到方案大致确定后,CATIA可以把LOD 200级别的构件模型替换成LOD 300~400级别的精细化模型。设计师可以在此基础上进行深化设计,添加更多的细节,直到包含预制加工所需的所有信息。在这一过程中,CATIA特有的“知识工程”功能可以发挥重要的作用。大量繁琐的细节建模,只要能总结出逻辑规律,就可以通过空间骨架线快速定位,然后使用CATIA的脚本语言进行自动化建模工作,从而极大地提高效率,减轻人工负担。

责任编辑:张纯子
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