e-works数字化企业网  »  文章频道  »  工业自动化控制  »  自动化软件

自动化技术驱动工程建设行业数字化转型

—— 衍生式设计从理论到生产的实践之路

2022/4/24    来源:《中国勘察设计》杂志    作者:宋姗  罗海涛  谌冰      
关键字:自动化  衍生式设计  
衍生式设计作为欧特克软件公司推出的自动化设计解决方案,旨在通过人与计算机之间的协作设计方法,充分利用项目BIM数据,借助机器学习技术,探索最优设计结果。

   核心看点:下一轮数字化转型,将以“洞察”“自动化”“人工智能”和“机器学习”为驱动力。衍生式设计作为欧特克软件公司推出的自动化设计解决方案,旨在通过人与计算机之间的协作设计方法,充分利用项目BIM数据,借助机器学习技术,探索最优设计结果。工程建设行业从业者探索了在规划、设计、施工等场景中利用衍生式设计方法,为传统生产模式赋能,评估项目性能、优化项目表现、降低项目风险,逐步实现了衍生式设计从方法论到生产的实践。

数字化转型的驱动力

       互联网时代,在新技术推动下,数字化转型方兴未艾。工程建设行业在过去的40年里已经发生了几轮数字化转型。AutoCAD的问世,开启了计算机辅助制图时代,引领了整个行业由手工绘图转向CAD;第二波转型发生在20年前,BIM技术被推向市场,此后项目全生命周期的协同与互联带动了行业的高质量发展;第三波云技术驱动的转型始于四五年前,来自项目各参与方的从业者可以随时随地通过任意设备访问单一模型、开展协同工作。截至今日,这些技术已经成熟,并逐渐主流化。

       那么,下一轮数字化转型会是什么?下一轮转型何时会发生?我国《“十四五”规划纲要》提出,要“加快数字化发展,建设数字中国”,以数字化转型整体驱动生产方式变革、赋能传统产业转型升级。通过何种技术为工程建设行业的传统生产模式赋能、如何实现工程建设企业数字化转型这一目标,是目前行业创新者最为关注的话题。

      欧特克软件公司AEC战略副总裁Nicolas Mango在第七届工程建设行业互联网大会演讲中提到,下一轮数字化转型将以“洞察”“自动化”“人工智能”和“机器学习”为驱动力。根据欧特克对全球业主的调研显示,在未来,工程项目业主期望通过以下三个方面的数字化来改善项目成果。

      第一,业主需要数字孪生,作为项目的数字资产在项目竣工时交付给业主;第二,业主要求清晰的资产洞察,以了解使用者的满意程度、预测续租率、验证能耗性能和经济效益、规划检修和翻新等,从而降低管理风险;第三,业主希望通过自动化技术优化资产,在提升现有项目性能的同时,还能把积累的知识应用到未来的新项目中。

设计自动化技术

      自动化技术可以用于设计、施工、运营和监测。欧特克研发的设计自动化技术,是一种人与计算机之间的协作设计过程。在这个过程中,设计师定义项目约束和评价目标,计算机自动化生成设计成果,借助机器学习和人工智能模拟多重设计选项,不断优化设计成果,寻求最优解。设计自动化技术已经历了多年的实验室研究和落地产品开发,目前,欧特克在工程建设行业的设计自动化是基于衍生式设计(Generative Design)产品实现并提供给从业者使用的,未来会融合更多机器学习和人工智能的技术和理念(图1)。

欧特克AEC设计自动化产品发展历程
图1 欧特克AEC设计自动化产品发展历程

衍生式设计的项目实践

       1.空客工厂的衍生式设计实践

       近期,空客公司在其A–350新机型生产工厂项目设计中应用了衍生式设计。工厂所在地块为不规则的三角形(图2),设计师可充分利用9000m2的土地面积将工厂设计为三角形建筑,也可压缩工厂面积设计为传统的矩形建筑,同时设计还需考虑空客公司列出的运营类、社会类、环境类和财务类目标(图3)。

图2

图3

       在传统设计方式下,设计师可以选择1~2类目标进行优化,但要对业主提出的所有目标进行优化非常困难。因此,设计师使用衍生式设计功能,同时对三角形建筑和矩形建筑方案进行迭代,自动化生成众多设计方案可能性,并同步得到每个设计方案对应于业主设计目标的分析结果。衍生式设计在空客公司机翼车间的设计中也得到了应用。机翼车间要求同时放置两个机翼,占地广阔;车间内工作人员数量众多,每天花费大量时间步行取放工具。设计师对车间人员步行轨迹建模,通过机器学习模拟多重选项,生成步行距离最短的优化方案,通过这种方法,比较了数百万套方案,做出最优选择(图4)。

图4

       2.后疫情时期的办公室布局衍生式设计实践

       衍生式设计在后疫情时代也发挥了重要作用。很多企业在复工前纷纷提出将办公室的座位排布重新设计的需求,保证员工与员工之间至少间隔1m的“安全社交距离”,以降低传染的风险。图5是某企业的办公室Revit模型,原来的工位比较密集,难以保证员工间隔1m以上。通过Revit衍生式设计功能,设计师找到了最优解决方案。

图5

       根据衍生式设计的原理,设计师设置了“可坐工位比例”这一参数,随机从所有工位中选出一部分工位,设为“可坐”,其余为“空置”。同时,设计师设置了三个设计方案评价目标。

        目标一:“员工临近程度”。如果“可坐工位”靠得很近,两个工位间就会产生“热点”,从而造成传染风险。

       目标二:“通道拥挤程度”。考量“可坐工位”去到办公室出入口的路线,部分区域可能出现通道拥堵,从而造成传染风险。

       目标三:“员工曝光度”。由前两项目标推导而来,主要体现由于靠近拥挤的通道,哪些“可坐工位”面临更大的被传染风险。

       在设计方案迭代过程中,随着可变参数“可坐工位比例”的递增,三个目标值呈非正比增长关系。设计师希望最终获得一个“可坐工位比例”较大、三个目标表现较好的设计方案。使用Revit中的衍生式设计功能,通过优化算法多次迭代,得到工位布局设计的最优排布(图6)。

图6

       3.照明优化的衍生式设计实践

       除建筑设计外,机电设计也可应用衍生式设计。例如,房间的照明设计,通常是通过沿房间均匀地布置光源,再进行照明计算。在规则形状的房间中,这种是比较直接的方法,但如果房间形状是不规则的,设计会变得复杂,并容易有照明盲点。

       通过衍生式设计,设计师可以最小化房间内的光源数量和过度照明区域面积,同时又可以最大化达到照度要求的区域面积。设计师创建了房间的Revit模型,将光源强度、光源间距等参数设为变量,衍生式设计系统通过多次迭代计算,创建出大量可能的设计方案,并评估最优选择供设计师决策(图7)。

图7

       4.施工塔吊布置的衍生式设计实践

       衍生式设计还能在施工组织设计中发挥创新作用。对于施工单位关注的塔吊布置问题,工程师通常是依靠经验和专业知识先确定几种方案,再通过分析计算或工程实践验证方案的优劣。现在,衍生式系统可以将所有的布置可能性进行迭代推演,最终得到的是兼顾了塔吊数量、塔吊规格、塔吊位置、塔吊覆盖面(施工作业面、生活区和办公区)、可吊构件率、运输卡车效率等参数的综合施工方案(图8),使施工可行性、效率、成本、安全性都能达到最优表现。

图8

       塔吊布置的衍生式设计是从创建Revit施工模型开始的,继而使用Dynamo编写的可视化程序读取和导入相关数据,设置变量参数,计算在采用不同规格塔吊和不同塔吊位置的情况下的可吊构建率、塔吊覆盖面等结果。最后,通过Revit的衍生式系统生成和比选最优方案(图9)。

图9

结语


       衍生式设计作为欧特克软件公司在自动化技术应用于工程建设行业的重要研发方向之一,已逐渐从理论走向实践。除此之外,欧特克的研发团队还专注于未来建筑业、未来制造业、AI、人机交互与可视化、机器人仿真优化、运营维护、行业融合创新等领域。这些研发将会持续不断地孵化出创新的数字化技术,落地为广泛适用的软件功能,转化为推动中国工程建设行业实现数字化转型的技术驱动力。

       本文刊登于《中国勘察设计》杂志2022年1月刊《年度创新增刊》,作者为欧特克软件(中国)有限公司资深技术专家宋姗、罗海涛、谌冰。e-works获《中国勘察设计》杂志授权转载。
责任编辑:杨培
本文为授权转载文章,任何人未经原授权方同意,不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用,e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之,以便进行及时处理。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐