上海现代建筑设计(集团)建筑协同设计平台研究与应用

邓雪原 苏 昶 孙 朋 王国俭

(1.上海交通大学土木工程系,上海 200240;2.上海现代建筑设计(集团)有限公司,上海 200041)

1 引言

当前,建筑设计行业正在进行着一次由 CAD技术向协同技术转变的革命,由传统的单人应用 CAD技术向群体应用 CAD技术转变[1]。建筑协同设计概念的提出,是计算机支持下的协同工作在建筑设计领域的拓广,是建筑设计工作本身所决定的,是提高建筑设计行业领域生产效率的必然要求。

近年来,随着对协同设计认识的不断深入与重视程度的增加,针对建筑协同设计平台的理论研究与实践探索也在不断地进行。通过融合视频会议、电子白板、协商绘图、文档管理等多种 CAD软件功能系统,使围绕同一设计项目的不同专业、不同地点的设计人员进行设计会商和成果交流,有效地解决信息共享问题[2-3]。这样的实现模式虽然已经被广泛的提出,然而在国内外建筑设计企业却鲜有成功的应用。另一方面,着眼于 internet应用技术的发展及其快速广泛的信息传播功能,也有不少学者提到了可能用于架构协同设计平台的 web应用技术[4],甚至提出了基于 web的协同设计平台[5],并且给出了实现的理论模型与框架。

目前的建筑协同设计仍然以二维设计为基础,二维协同设计在一定程度上解决了信息壁垒的问题,但根本上还没有改变建筑设计的模式。协同设计必须从二维向三维过渡,并最终建立以协同平台为基础,以基于建筑信息模型(BIM)的建筑生命周期管理(BLM)为核心,以工作流管理系统为驱动力的集成化协同设计系统[6]。在基于 BIM的建筑协同设计平台中,通过建筑各专业建筑信息模型的拆分、组装、显示、信息提取,自动生成完整的建筑设计施工图档。从而使设计人员从重复繁琐的施工图档绘制阶段解放出来,将更多的时间与精力转移到建筑信息模型的设计阶段,创造出更合理更优化的设计方案。而针对三维的建筑协同设计,目前研究的相对较少,相关的讨论仍然停留在理论层面,从概念上对三维建筑协同设计的必要性以及功能等进行介绍[7-8]。要想实现三维建筑协同设计,还必须对其中涉及到的关键技术进行更深入与全面的研究。

国内一些大型的设计企业近几年在集团内部进行了二维协同设计的研究与尝试。由上海现代建筑设计集团有限公司(现代集团)与上海交通大学合作进行的“大型建筑设计企业协同设计”及“建筑协同设计关键技术研究”项目目前已经实现了在集团内部局域网下的协同工作平台的开发,并且在一些大型的实际工程项目进行了试点与推广,取得了良好的效果。本文结合现代集团建筑 CAD协同设计平台的研究与现代集团上海院承担的南浔农村合作银行工程项目协同设计应用的经验进行深入探讨。

2 建筑 CAD协同设计平台

协同设计的本质是所有设计人员通过信息技术的应用,在计算机网络平台与软件平台的辅助下,根据统一的设计数据标准,充分共享与交换设计资源,从而有序地完成设计任务。

建筑协同设计又有自身的专业特点。其一是多专业,建筑设计专业基本分为建筑、结构、给排水、暖通、动力、电气、弱电、室内、环境等专业。各专业在整个设计过程中都需要参考其它专业的设计资源,甚至直接引用其它专业的设计资源,尤其是建筑专业的设计模型或图纸。其二是多变更,建筑设计过程中常常由于业主方提出变更要求,从而影响建筑设计方案。由于建筑设计过程中各专业设计之间存在相互依赖性,建筑设计方案的变更通常会影响其它专业的设计方案。如何将设计变更导致的影响降到最低程度是建筑设计企业减少重复劳动,提高生产效率和设计质量的重要技术手段,也就是建筑协同设计平台要解决的问题。

图1 网络平台——支持协同设计模式的网络物理连接示意图

2.1 网络平台

计算机网络平台是建筑设计企业实现协同设计的基础平台,通过网络平台,能够实现所有设计人员通过客户端电脑共享服务器上的设计资源(如图1所示)。

网络平台的硬件系统由“服务器、交换机、综合布线系统、客户端电脑”四部分组成。协同设计操作模式是在服务器上完成日常的设计绘图工作,这和以往在单机上完成个人的设计绘图有着本质上的区别。这就需要网络服务器有足够的容量用于日常的存储以及有足够的联网速度以保障设计绘图的顺利进行。

2.2 软件平台

建筑设计企业的计算机网络平台提供了快速共享设计资源的硬件环境,而软件平台是创建设计资源的专业软件。设计资源能被共享的前提是所有设计人员必须使用统一的软件平台,当前可供选择的建筑设计软件平台主要包括 Autodesk公司的AutoCAD系列软件,Bentley公司的Microstation系列软件,Graphisoft公司的 ArchiCAD系列软件。

通过建筑设计企业的网络平台,所有设计人员通过公司内部单点登录,就可以安装公司统一的专业软件平台。现代集团网络平台上的软件平台 Autodesk公司的 AutoCAD系列软件,包括 AutoCAD,AutoCAD Architecture,AutoCAD MEP等 ,与 Auto-CAD配套的专业软件包括天正建筑、探索者结构、鸿业给排水、鸿业暖通、博超电气等。

为了充分利用各种软件的许可证,建筑协同设计软件平台可采用网络浮动许可证管理模式,设计人员在不进行绘图工作时,要求退出相应的 CAD软件、专业软件,这样可以释放对应软件的网络许可证,供其他设计人员使用,从而最大程度发挥软件许可证的经济效益。图2显示了现代集团使用软件许可证进行统一管理的效果图,从图中的数据可以看出在上午、下午上班时间同时使用软件许可证的数目。

2.3 CAD标准管理

图2 软件许可证统一管理

建筑协同设计制图标准是建筑设计项目各专业设计人员进行专业内、外协同设计所必须遵守的基本准则。没有协同设计制图标准,各专业设计人员采用外部引用进行相互共享、交换设计模型图形文件时,就不能获得所需要的的设计资源,打印出图时也不能获得所需的出图效果。所以建筑 CAD标准是建筑设计企业在网络平台、软件平台的基础上开展建筑协同设计所必须制定的设计资源的数据标准。建筑 CAD标准主要包含:专业图层标准、文字样式、标注样式、线型等。现代集团统一了建筑、结构、水暖电各专业的图层标准、文字样式、标注样式、线型等,并通过协同设计平台的模板文件在创建新文件的同时使得各专业的 CAD标准自动加载。

2.4 文件管理

项目文件的管理采用项目模板创建的方式完成,在项目模板中定制了项目组各专业图纸文件的管理方式,也就是各专业图纸文档的文件夹及文档命名标准。任何一个项目在项目文件服务器创建后都具有同样的项目文档目录结构,包含 Constructs、Views、Sheets等文件夹 ,分别表示各专业模型文件的构件、视图、图纸集。所有的项目组各专业文件要求在相应的文件夹下创建、编辑、修改、备份。现代集团的建筑 CAD协同设计平台通过研究,采用了 AutoCAD Architecture(ACA)的项目导航器(Project Navigator)进行项目文件的管理(见图3)。

图3 ACA项目导航器下的构件、视图、图纸集管理

3 工程项目应用

3.1 工程简介

图4 南浔工程项目

浙江南浔农村合作银行营业大楼项目是浙江南浔农村合作银行总部,地上 23层 24000 m2、地下1层 8000 m2。建筑囊括银行总部营业大厅、总部金库、会议、办公、餐饮及银行家会所等多种功能于一体。该项目为框架核心筒结构,全幕墙维护体系(全电子自动窗设计),建筑标准要求较高,建成将成为浙江湖州南浔地区地标性建筑(见图4)。

该项目参与设计人员数量适中,大部分设计人员接受过协同设计课程培训,年龄结构层次较轻,协同设计工作方式认同度较高。项目计划时间为两个月,一个月为项目扩初设计;一个月为项目施工图设计,设计周期较为充裕。同时该项目为中等大小规模的原创项目,具备开展协同设计的功能多样性和典型性条件,便于首次协同设计的开展。

值得指出的是该项目是现代集团采用基于ACA的建筑 CAD协同设计平台以来,第一个真正实施并全过程严格执行相关要求和步骤环节的协同设计项目。项目于开始之初就面临着无法预测的困难和挑战。

3.2 协同培训

项目组从设总到各专业负责人,年龄结构相对年轻,便于在全新的建筑 CAD协同设计工作平台上开展协同工作。项目组开展工作前已进行了基础培训,从理论上掌握了协同设计原理和基本的协同设计流程和方法。

该项目设计开始之初,设计团队首先进行了项目的设计基础协调,统一图层设置,图纸拆分原则、出图比例、出图内容以及图幅大小等相关问题,为后续协同设计的全面开展奠定了基础。

3.3 设计过程

项目组在明确了前期工作流程及目标以后,各个专业设计人员在协同设计平台上分阶段展开了设计工作,分别介绍如下。

(1)项目专业图纸的分工

首先设计总负责人明确各专业具体设计人员及权限,并上报集团技术中心,行进人员权限的分配和开启。每个专业原则上设置一个专业负责人,除了拥有图纸修改权限以外,还具备图纸阶段提资以及打包备份权限;设置一人或多人为设计人权限,仅具备图纸修改权限,不具备提资权限。这是因为设计人员为多个人,分别负责不同设计内容,防止个别设计人员的误操作导致全项目的提资出现问题。

(2)各专业分工图纸的创建、引用

各专业负责人负责协同平台上各个专业的图纸创建工作,负责人应对项目整体了解,于设计开展之初筹划图纸的具体张数内容;同时,根据具体的设计人员工作方面和图纸情况,对图纸进行合理的拆分。以南浔项目的建筑专业为例,专业负责人在 Constructs下建立了图纸的平面图、剖面图、立面图等多个具体出图图纸文件夹,并于各文件夹中设置了具体文件,同时根据具体设计人的分工,将一张平面图拆分为:轴线、柱子、墙体门窗(主体文件)、卫生间及核心筒、楼梯文件;由不同人员分别负责墙体门窗、卫生间核心筒、楼梯的绘制工作。

(3)各专业图纸的拼装,图签的添加、打印样式的设置等

在该阶段,设计人员在 Views下建立多张由前一阶段 Constructs的图元拼装而成的完整图纸,并关闭不需要显示的图层,并将各个参照图元以 Attach的参照形式修改完善,并在每个拼装好的图纸下建立不同比例要求一个或多个视口,为下一阶段Sheets做好准备。

在 Sheets阶段,按照给定的图纸目录,在相应的目录下建立新的图纸文件,实现文件名称同图纸名称的映射,将各张图纸需要的视口拖拽到图纸空间。

然后,各张图纸按照图幅等要求调整打印样式,将由建筑专业设计人员建立包含设计人员名称、项目名称等信息的图签栏文件以 Attach的参照形式附着至图纸中,完成整张图纸的工作。

(4)各专业提资、修改、再提资

建筑专业将各个阶段的图纸文件拷贝到资料交换相应的文件夹中。这样,其他专业设计人员就可以在 Views面板的资料交换文件夹找到建筑专业拼装好的各层平面图等文件,从而首先完成建筑专业对其他专业的提资;其他专业将资料交换文件夹中建筑专业的完整图纸采用 Overlay的参照形式放入各专业文件中,对建筑图纸进行图层颜色修改等操作,作为底图开展设计。然后,其他专业利用同样的流程进行设计工作,一阶段以后,结构和设备专业负责人也将自己专业的图纸拷贝到资料交换对应文件夹中,完成反提资工作(例如结构专业的柱网、梁图;水专业的消火栓平面图提资给建筑专业,由建筑专业设计人员反映到建筑专业图纸上来,或相互沟通,调整图纸设计),需要注意的是,各专业在各阶段提资之前,应由专业负责人将上一次的提资文件打包备份在相应目录下,以便于后期查找使用。

另外,完成初次的全面提资以后,后各阶段的提资上传只需要将图元文件覆盖到资料交换对应文件夹中就可以实现图纸的更新。

(5)应用图纸集管理并出图

全部的图纸在 Sheets下以单个文件的形式出现,并且文件名称图号直接对应文件中图纸名称和图号,直观明确、归类清晰。只需要修改文件名称,就可以直接实现图纸名称和图号的修改。只要严格按照图纸标准绘制图纸,设计人员不随意修改图层颜色、线型等标准,图纸的打印线性型和宽度等效果是明确唯一的。

利用协同软件的 Publish功能,设计人员很便捷地将图纸批量打印成 PDF或 DWF矢量图格式。通过设置,可以单张文件的形式,也可以多页面风格输出。同时矢量电子图纸可以直接预览,方便快捷,大大节省了图纸输出阶段的时间。

3.4 设计进展

由于南浔项目初次使用协同设计,加之个别设计人员的绘图习惯等因素,项目组在设计中经历了以上各阶段设计中层出不穷的各种问题。总结下来应注意如下问题:各个阶段都应该严格按照标准进行,这样才能保证后期图纸的顺利输出。例如,尽量控制各个图元文件的大小,经常阶段性地利用CAD的 PURGE命令对图纸进行清理,去除多余垃圾,修复图纸问题。

该项目现阶段正处于施工阶段,将于 2010年末封顶。各设计阶段进行平稳,从前期到施工图出图,协同设计平台使用和现今的工作环境亦能较好融合,形成快捷准确的设计平台。

4 协同设计特点分析

4.1 标准统一

虽然现代集团建筑 CAD协同设计平台所采用的ACA是在 AutoCAD平台上开发的建筑专业软件平台,在具体制图原理上与 AutoCAD大致相同,但协同设计和纯电脑单机使用的 AutoCAD系统还是有些不同。以往由于绘图工作是由设计人员在单机上进行,尽管有相关的制图标准、规范的限制,但仍然不可避免的存在设计人员的图纸“一个人一个样”的问题,很难实现图纸的统一化、标准化。

相反,协同设计平台的引入大大加强了图纸标准统一的程度。由于协同设计平台直接使用统一的服务器上的配置文件,图纸的图层设置、打印机、打印样式、图框样式等多方面内容统一标准,有配置文件直接调用,大大降低了图纸标准不统一的可能,将使工程部分的制图方式达到空前的一致。在长远的工作效率提高来看具有巨大的好处,分别表现在如下几个方面。

(1)工作组灵活组建

制图标准规范一旦确定,工作组的灵活组建成为可能。由于采用了统一的设计流程和制图标准,大部分接受过协同设计培训和实际协同工作模式的设计人员,都能够比较顺畅的开展协同项目的设计工作。能够使得设计人员在较短的时间内加入到新的项目中去,为项目组的迅速组建和开始工作扫清了障碍,极大地缩短了以往项目组的磨合时间。大项目或者专业项目的临时工作组几乎没有沟通的障碍,而以前往往会有 1-2周的磨合过程。

(2)出图效率提高

也许资深的建筑师在初期使用会由于长久形成的习惯有一些不便,但是从长远来看,建筑 CAD协同设计平台的使用具有莫大的优势。出图由于统一技术标准的设置,不再存在诸如线宽文件等不同设置障碍。实际协同设计过程中采用的出图方式(PDF或 DWF)远远高效于原有的 PLT或 A3直接出图方式。

当图纸完成的同时,已经可以出图,所需的只是简单的操作。拷贝到打印,成批量的上百张图纸从接到指令到拿到底图也仅需 20-30分钟。并且重复和不同图幅多次出图的效率更是成数十倍提高。比起原来 PLT出图将近一天的打图、修改工作以及不断重复的各种图幅的工作量是不可同日而语的。而且,由于标准化的使用,出图过程的出错量要远低于原有的出图方式。

(3)出图质量提高

由于统一了制图标准,使得出图的准确性大大提高,原有的设置错误不再存在。原来大量的出图期间的修改不复存在。由于协同设计的应用,各专业和建筑部分的图纸一致性大大提高,不再纯在细小的差别。由于在同一平台上工作,大型项目的分块界面也得到了统一。可见协同设计平台的使用大幅提高了出图质量并统一了图纸深度。

4.2 工种协同

原有的多工种同时工作所面临的图纸版本问题在大型工程,特别是工期紧张的工程中是大量存在的。出现图纸的不统一是很难避免的问题之一。同一工种设计人员之间也会在互相提资时花费大量时间在整理图纸上。而协同设计的出现有效地避免了这一问题的产生。由于所有的图纸皆存储在服务器中,通过及时的分阶段的图纸提资,各专业图纸几乎不会存在版本不同的问题,结构和机电对于建筑图纸的及时引用将完全避免出图的不一致性。

同一工种由于制图方式和基准的同步性,完全可以由不同设计人员同时进行平面和立面的设计工作而不会产生偏差。事实上,不但是对于出图质量的大幅提高,在实际的实践中将会节省大量的沟通时间。

4.3 节省大量沟通时间

原有的沟通模式存在多次配图,各工种消化相关图纸,提出问题并在重点部分重点配合。该模式容易产生多种问题。首先,提图后各工种消化时间较长,且由于没有和原来的提图对照的平台,相对来说,无法形成问题的综合性,并将会忽略很多建筑或结构的微小改动所带来的问题。其次,由于没有统一的平台,大量的时间将花费在相互解释、对图纸、且再小的问题也需要建筑、结构、和相关工种都在场的情况下才能解决。

得益于协同设计平台,各工种的图纸唯一存在于协同平台中。很多问题只需要设计人员自己调用相关图纸就能清晰地了解当前的设计进程。大大缩短了配图时间并提高了其准确性,在实际的运用中得到了很好的效果。

通过标准化的协同设计的实施,设计人员在各个环节节省大量的重复工作,为现在设计周期短的普遍问题节约了大量的时间。首先,由于专业内部的协同设计,使得各个设计人员深入具体的负责自身的任务,实现工作的深入分工,提高设计人员对自己工作的熟练度,节省设计时间。其次,由于各个工种之间采用资料交换的提资方式,实现的可控的实时提资过程,免去了以往通过邮件提资,修改更新不及时等带来的多方面问题。在节省了大量工作的同时,也降低了公众之间协调配和中极易发生的问题,如各工种图纸对不齐,个别专业修改,其他专业未更及时更新的问题。最后,强大的图纸发布功能也为图纸的出图阶段节省了大量时间和工作,促进了生产能力的提高。

4.4 超大项目更有优势

协同设计平台的应用在超大项目的设计中更能充分体现协同的绝对优势。超大项目往往规模庞大,由多个单体建筑组合而成,在平面布局上有分有合,每个单体或部分往往由独立的人员负责。各设计人员在交接部位上及整体总平面设计上往往存在对接不上、重复作业等诸多的矛盾问题。

举例来讲,一个高层建筑的核心筒设计存在很多和地下室以及上部建筑的关联问题。高层建筑的核心筒等关联部分一旦修改,如果采用传统的工作模式,则需要大量时间对各层图纸进行对应的调整,耗时费力,并极容易出现偏差遗漏。

协同设计平台的应用很好地的解决了这一矛盾,基于同一平台的设计从原理上就不存在协调矛盾。只要界面分清以后,其他设计人的图纸都能够参照在自己图纸上,并及时更新、确保设计的同步和吻合,避免了传统工作模式的问题。以往拍图的内容和时间大量缩短,同时,出错的机率将大大降低。

对于超大项目,通过合理的工作分工和图纸拆分等工作,不同的设计人员能够迅速开展设计。通过协同平台同时工作,每人负责一块,各显其能,大大地提高了工作效率;各工种之间也通过协同平台展开设计,实现顺畅的沟通,专业内外无缝对接,避免繁冗的工作内容导致的疏忽遗漏。

5 结论与展望

现代集团采用的基于 ACA的建筑 CAD协同设计平台应用了 AutoCAD所没有的项目导航器,通过一系列的研究定制为建筑各专业设计人员提供了一个简洁高效的协同设计平台。协同设计的一大特点是大量使用图纸的相互参照和对象引用,采用 CAD的外部引用可节省大量重复工作和保持图纸版本的统一性。虽然几年前已有一些走在前列的项目工作组已将外部引用融合到工作中,但相比之下,本协同设计平台的易用性远远大于 CAD原有外部引用,对设计师而言其友好性是显而易见的。

通过研究对 ACA的项目导航器进行大量定制后形成的协同设计平台在初步使用下已见其框架构成,随着进一步完善其各种功能和界面,应该会成为更加成熟和更加高效的建筑CAD协同设计平台 。现代集团的建筑CAD协同设计平台在南浔项目的应用中发挥了巨大优势,在经过短时间的适应期后,大大提高了设计效率,将各专业设计人员解放出来,成为高效的协同设计平台。

当然,本项目应用的协同设计平台仍需要进一步完善,当前的系统偶尔存在不稳定现象。虽然服务器的不稳定情况在网络应用上也时有发生,但是作为重要的工作平台,应该进一步研究以提供应急方案,避免较大损失。现有协同设计平台在多种专业软件交互方面还有优化空间,设计中和 EXCEL,WORD的链接较为紧密,但是和常用的天正等平台转换较为复杂,会对部分常用功能产生一定影响。

经过近两年的不断能力,现代集团的建筑 CAD协同设计平台已较最初有了长足进步,从试点阶段转入推广阶段,目前已有近百个实际工程项目在该平台上正常运行,其中包括不少十万平米以上的大型项目。今后,协同设计的发展将向基于 BIM技术的三维协同设计系统迈进,并将向支持 internet的广域网协同设计平台推进。协同设计平台不断完善既会遇到新的问题,也会有新的挑战,但最终,全面协同设计的时代会到来。

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