建筑设计知识库——以楼梯间详图知识库及给排水系统的自动性能优化知识库为例

赵正楠，李一帆，秦承祚，刘磊

（上海品览数据有限公司）

1 建筑行业转型对建筑设计知识数据库化的诉求

建筑行业因其自身复杂性高，包括十多个专业上百个工种，工程量大且工程周期长，全生命周期信息量巨大，难以按照统一格式流转协同，导致其信息化程度很低。且建筑行业已度过了高速发展的“土地红利”“金融红利”时期，急需摆脱粗放管理，回归制造业，向精益制造精益建造的方向转型[1]。建筑行业信息化升级，建立建筑设计数据化知识库的诉求迫在眉睫[2]。

2 建筑设计行业的痛点

与互联网及制造业产品为导向的生产模式不同，建筑设计企业采用项目导向型的生产模式，复用率低，很难实现持续增效[3]。

以项目导向型的生产方式带来以下5个痛点：

①经验积累慢，且难以延续。必须通过一系列落地项目的积累，才能将实际经验积累到每一位设计师身上，而建筑项目落地周期又较久，且一位设计师的经验很难向企业里面的其他人有效传递。

②企业的项目成果以及项目的品质非常依赖于个人能力，产出成果质量不均。

③项目导向型的生产模式，注定了设计企业依靠项目数量堆积产值，当项目数量多时，每个项目周期就会被压缩，设计人员在多个项目之间疲于奔命。

④因为项目周期受到压缩，设计人员难以追求更好的创造与创新，项目的品质难以保证。

⑤企业因难以形成持久的产品力与品牌力，在整个市场中的议价能力随着市场规模的减少和市场竞争的增加而降低。

3 建筑设计知识库——建筑设计数智化转型的解决方案

建筑设计知识库（简称“画法库”）是一个用于建筑设计经验沉淀的数字化、硅基化的知识库，画法库提供的建筑设计知识与经验沉淀的平台化解决方案，将改变过去建筑设计行业极其依赖于个人经验、且个人经验难以复用的状态，设计方法将以自然语言的形式结构化地记录下来，转译为代码后，作为AI绘图内在逻辑。可以持续高速高质地输出设计成果。这套设计方法可复用到多个项目，后续只需对该知识库进行维护和更新即可直接赋能生产[4]。

建筑设计知识库是实现AI建筑设计的内核驱动，它包含了建筑学的系统架构、规则规范与逻辑方法。在筑绘通平台上输入设计条件，平台会按照画法库中设定的规则，将其分类为相应的情况，触发该情况下的解决方案，AI绘图就会在此解决方案限定的范围内求解出最优建筑设计结果。

同时，画法库解决方案也将带来建筑设计行业生产模式的变化（见图1）。企业画法库将成为设计企业的核心产品，设计企业通过完善画法库，批量化地提升设计质量，而非在多重项目间疲于奔命，把创造力和创新力解放出来，花更多的时间去在设计的创新上，更有利于设计企业去打造自己的设计品牌[5]。

图1 建筑设计企业生产模式的转变

4 建筑设计知识库体系规划与建设

画法库定义了设计对象及其属性、数据存储结构、绘图与系统计算逻辑、绘图的图纸类型、绘图所依据的规范和标准，并通过制定标准化的语素与语序，规范画法库中文字表达，形成标准化的自然语言的表达，实现信息的结构化（见图2）。

图2 建筑设计知识库架构

5 建筑专业楼梯间详图知识库及应用实例

5.1 楼梯间详图知识库架构

1）输入与交互

需要上传建筑的各层平面图，经过程序识别，拿到绘制楼梯间所需的几何条件（识图结果），由用户修改并确认这些结果；同时用户也需要输入绘制楼梯间需要配置，包括建筑类型、踏步高宽、面层厚度等数据条件。

虽然说设置了很多配置项，但是真正意义上需要用户手填的就只有建筑类型，如果用户没有特别的要求，则会按照一般的绘图习惯默认出图。未来也许这个配置项还会增加，但一定是基于兼容用户的更多绘图和工程习惯这个目标，它一定是越来越像“人”画的，而不是给用户徒增使用门槛。

2）处理与输出

在接收到上述数据后，程序对上述条件进行计算，以单个楼梯间为单位计算楼梯间排列方案，并对该方案进行合规性复核；同时模拟人画图的过程，依次绘制平面、剖面的相应内容；最后对图纸进行编排和命名，输出用户使用的dwg文件（见图3）。

图3 绘制流程

也就是说，这样一个通过描述楼梯详图绘图习惯、工程做法和规范法规等限定条件而建立的思维模型与行为模型所产生的人工智能算法而设计的楼梯间详图生成模块，它的终极目标就是：为用户提供基于平面布置和高度信息生成的楼梯详图图纸；对原始图纸、方案的相关内容进行核对，提供合规性检查和方案合理性建议；通过各类的反馈数据，不断的提升模块绘图的成功率和准确率，提升我们的核心模型对于楼梯间详图绘制的场景覆盖率。

5.2 具体画法举例

研发的过程遵循“从理论到模型到结构化”的进程。在这个研发项目诞生之前，通过大量的训练数据，机器已经认识了各种各样的楼梯间，即完成了对于这个单一功能模块的感知模型搭建；进一步的，通过抽象“人”的思维和行为所建立的模型，机器会逐步的完善对于这种现实的、复杂的、小尺度又锱铢必较的楼梯空间的分析和重构能力。

画法会分为两部分：计算和绘制。

1）计算

根据进出楼梯间的位置，判断梯段的走势；同时根据读取到的楼梯间轮廓，对能够进行排布的区域进行计算；依据用户输入的层高和踏步数据，以剖面“碰头”的高度作为筛选条件，对梯段排布方案进行计算和选择。

2）绘制

经过计算后，根据计算的最优方案，绘制每层的梯段，并根据剖断线位置，将上下层梯段拼接如对应的平面内；绘制完成基本构件后，再根据标注规则，绘制详图需要的标注和属性信息。

5.3 成果展示

目前程序能够支持住宅和公建的大部分建筑类型的楼梯间出图，就具体的楼梯间场景而言，能够支持较为规则的封闭（防烟）楼梯间，近期迭代后则会支持敞开楼梯间、剪刀楼梯间等更多场景。

以下为图纸上传到输出的过程（见图4）：

图4 图纸上传到出图的界面展示

6 给排水系统的自动化性能优化知识库及应用实例

6.1 给排水系统自动性能优化知识库价值

从黄金时代一步步退化到黑铁时代，房地产行业在过去的一年里风雨飘摇，多个头部地产纷纷“爆雷”。受限于国家出台的政策法规、各地推行的新地标以及建筑主材疯涨等因素，地产企业更加勒紧腰带过日子，纷纷用压缩规模、裁员等方式控制成本。而在房地产开发进程中，最简单最直接的办法就是在满足规范的前提下，通过优化设计方案来减少建安成本。然而现在的设计周期又没有给设计师太多思考和方案比对的时间，这就诞生了对自动性能优化的需求，下面就给排水专业为例来进行探讨。

6.2 给排水系统自动性能优化知识库架构（输入项、输出项、流程）

给排水系统自动性能优化，通过设计师输入建筑图及结构图，按照设定及设计师给定逻辑，自动完成施工图设计，流程如图5所示。

图5 系统优化流程

其中，项目的不同场景以及用户的个性配置输入，就能产生各种各样的输出结果，再加上自动化出图内嵌的材料统计功能，方案的优劣就一目了然了。

6.3 具体画法举例

以给排水专业里的消火栓系统为例，为保证最底部的消火栓栓口静压不超1.0MPa，当建筑过高时，则需要对消火栓系统进行分区，即分成高低两个区，采用不同的压力供给，管道系统也各自独立。但由于规范只给了最底部的消火栓栓口静压不超1.0MPa的基本约束，因而导致不同的设计师在具体分区时做法各不相同。消火栓系统优化的品质就是用更少的材料、采用造价更低的材料，如何在满足规范的前提下达到这两个目标，不仅是对设计师专业技能的考验，还对整体的统筹和布局有更高的要求。

以实际的某项目为例（见图6），项目共10个单体，均为33层住宅，故消火栓需分为两个分区。其中低区设置到了18层。若将消火栓分区调至10层，每层4根消火栓立管，每层层高按3m，即分区每减少一层，可减少管长4×3=12m，每个楼可减少总管长12×8=96m，按DN 100镀锌钢管的综合单价104元计，单个楼节约成本96×104=9984元。整个小区的总差价约为10万元。

图6 消火栓系统对比

6.4 应用实例技术路线

上面这个例子，在单体类型相似的场景下，是很容易分辨出来的，但如果一个项目中存在多种复杂的楼栋组合形态，判断起来就会比较困难。传统的设计大多采用粗放式设计，为满足规范，往往放大设计要求，同时对不同情况下的设计对象，套用单一的设计方式，并不会根据每个建筑的特性，因地制宜。以下就是列举了两种复杂场景下（见图7-8），不同的设计思路，以及由此而带来的不同效果。

图7 消火栓系统场景1

图8 消火栓系统场景2

这里要特别指出的是，类似这样的对比方案，往往需要有一系列完整的设计成果，才能拿到准确的对比数据。通过自动化性能设计，生成一个小区的建筑模型，与建筑图纸的各对象一一对应，再根据设计逻辑在建筑模型中快速生成各机电系统，对各单体及地库的消火栓高低区不同规格的管道长度进行统计分析，计算沿程和局部的水力损失，可自动优化成最合理的布置方式，也可以生成不同分区要求下的对比结果，供设计师挑选。

7 结语

目前通过建筑设计知识库，已实现了楼梯间详图、地暖平面图、地上照明平面图、地库喷淋平面图、结构布置图五类专业图纸的智能化设计。通过完善画法库体系，能够覆盖更多的建筑设计版块。远期通过拓展画法库的设计对象，细化颗粒度至零件级，设计完成时，可同步产出零构件清单、材料清单、设备清单，可直接向供应商下订单，助力建筑行业接入工业互联网大环境。另外，通过拓展画法库维度，由2D到3D、由3D到6D，可以向施工侧、运维侧拓展，从设计端更好地指导施工与运维。