1、四维设计的目标

所谓四维设计,是在建筑三维空间模型的基础上引进时间轴度量的第四维度来协助完成建筑的设计与建造,通常借助计算机技术用四维数字模型即4D模型来表达。在建筑业,4D模型作为设计和建筑施工计划工具有崭新的含义,并不简单等同于我们经常看到施工企业用计算机虚拟现实技术做的施工过程模拟效果图。相比之下,4D模型需要达到更深入的技术水平,它要求空间和时间的元素在四维的环境下被更加有机整合,其中空间的建筑元素为三维模型,而时间序列指的是工程建设项目的施工进度,四维模型将空间元素在时间维度上展开以拟定合理的施工方案并确定工程各个施工过程的施工顺序、施工持续时间以及相互衔接穿插配合关系。

不应单纯认为4D模型仅仅起到取代设计行业的二维设计图纸、模型或取代施工行业的横条图、网络图的作用。从更宽的视角看,未来的建筑设计应当是全生命周期的建设活动;在建造阶段可能遇到的各种问题如何尽早在设计阶段就加以考虑周全,这牵涉到建筑业中设计与建造两大环节的更有效整合,以提高建造效率,降低建筑业成本;不当的设计会导致不合适的施工顺序,最终也会导致建造周期延长,甚至重新返工设计,因此在概念设计阶段就应对建筑的施工建造问题进行评估,而不必等到扩初阶段或者更晚的施工图设计阶段。如果在建筑设计的初始阶段就可以虚拟试验施工方案的合理性,这样就能尽量减少设计环节中的缺陷所导致的施工问题。因此,四维设计模型追求的最终目标应当是能够被充分整合在建筑全生命周期的设计任务中发挥作用。

四维设计的研究目标完全是针对提高建筑行业设计和建造效率而言,同时四维设计有着鲜明的建筑行业特征,与制造行业的三维设计模式差别较大。在制造业,3D模型已成为当前“数字制造”的基础,而建筑业的“数字建造”还是相当遥远的理想。部分文献提出了制造业三维模型在建筑业的应用[2],但迄今为止,只有CATIA软件在国外个别建筑事务所有过成功的建筑实践,主要也是应用它复杂曲面建模的能力,它所具有的制造业各流程的项目管理能力无法复制到建筑行业,相关施工管理和项目进度安排实际上还是借助于专业的建筑软件进行。

2、四维设计的技术要求

2.1四维设计的技术模块

四维设计的核心是确定工程项目的各项工作的开展顺序、持续时间及相互之间的关系,从而使施工进度计划管理更加科学先进,即能够运用计算机快速准确地对计划进行调整,优化出最佳方案,并能使计划在执行过程中得到更有效的控制和监督,以最小的资源消耗,取得最大的经济效果。按通常所谓“形象进度”的称呼描述4D模型,虽然更容易理解,但不够准确。理想的四维设计应该是整合空间时间数据并融入人工智能推理的设计管理系统,它包含多方面的知识解决模块,也就是说,施工进度安排的空间模型的直观显示仅是一个方面而并非全部,而所有与项目管理包括工地施工进度中时间和空间事件冲突的发现和解决策略,都应包括在这个四维设计系统中,系统自动生成4D模型,而系统的知识推理引擎能够解释模型中的3D几何数据并生成进度计划,以显示建筑如何被建成的。

具体的技术模块应该有:

(1)知识库:储存4D模型中的3D几何数据以建立空间的关系并插入进度管理数据。进度数据可以根据专家的经验取得或者进度计划人员的专业知识获得。

(2)程序引擎:计算机调用专业的项目管理分析工具或管理模型,试验进度和空间模型结合的合理程度并评估整合后的4D模型能否被看做建筑计划的一个有效模拟。

(3)用户接口:使用者可以利用接口获得控制4D模型的必要功能。

此外可能还需要一些扩展的功能,如:

(1)虚拟环境:要求模型能提供在计算机网络上的传输和浏览的格式,这主要是满足多环节包括设计和施工人员的协作需要。

(2)约束管理:定义建筑每一个组件如何被连接的关系,彼此的约束以及允许的运动自由度,具有这个功能,可以有效提高模型的智能程度。

2.2四维设计的步骤

从技术特点上,实际用于四维设计的空间模型不同于常规的建筑3D模型,要求模型的几何信息存储分层的方式能相对灵活,以便于与项目施工的具体事件结合,随时实现模型构件的重组。但目前在实际操作中采用了简化模式,通常是基于通用建筑建模软件生成实体模型,这时四维设计的具体步骤如下。

2.2.1应用常规的建模软件如Archicad软件生成建筑3D模型

列举Archicad而不是其他建筑设计软件是因为其提出并实现的建筑信息模型(bim)技术比较成熟,其平台提供建筑业通用数据交换模式IFC的最新标准,使得生成模型可以在建筑业所有遵循该标准的信息平台内复用。

2.2.2利用编制项目进度计划的计算机软件如MicrosoftProject软件产生进度若采用横条图的方式建立项目进度计划,MicrosoftProject首先列出实现项目目标的所有步骤,将每块工作分配到各项任务中,收集并输入工期的估计值,创建任务列表并按大纲的形式将其组织起来,给各个任务配置资源,决定这些任务之间的相互关系并指定日期,然后检查甘特图是否符合要求。

编制项目进度计划软件除MicrosoftProject软件外,可挑选的施工项目管理类软件很多,只要具有用横条图、单代号网络图、日历视图、资源工作表等多种方式显示项目进度计划的能力即可。

2.2.3将3D模型的构件与进度表联系,以直观展示施工进程

对计算机而言,这是一个将对象与事件相联系的连接软件的编程实现。通常用VC或VB等基于Windows图形界面的编程软件完成该4D连接工具的开发,最终实现将3D物体和相应任务相联的图形界面。

以上技术实现的4D模型,适用于中小规模的工程,目前4D模型用于大型建筑工程的实践不多,比较典型的例子是着名的美国盖里事务所最近完成的迪斯尼音乐厅建筑群,其工程数据量巨大,3D模型采用CATIA软件,项目进度管理采用P3(PrimaverasProjectPlanner)软件,不过这两个软件都是相关领域相当昂贵的高端软件,普通建筑企业采用的可能性很小。

3、应用和限制

相比设计行业的二维设计图纸或三维建筑模型以及施工行业的横条图、网络图,4D模型的优点不言而喻。传统的设计和施工作业图纸的编制和应用专业性太强,仅适用于水平较高的技术和管理层人员,不能被参与工程的各级人员广泛理解和接受,不同环节的工程人员相互沟通不够深入,而四维设计模型能将施工的每一个活动都可以用形象的建筑构件虚拟建造过程来直观显示,使得建筑信息的交流和理解水平提高了很大一个层次。在工程施工中,利用4D模型可以使全体人员很快理解进度计划意图和工作要点,甚至场地调度安排(如材料存储在现场工地何处、吊机设备是否有足够的操纵空间等);同时实际施工进度与计划可以通过实体模型对应表示,有利于发现差距,及时采取措施,对施工安排进行调整。对于国内施工企业,可能更为看重4D模型对工程项目投标的帮助以获得竞标优势;它可以使评标专家从模型中很快地了解投标单位对工程施工的认识程度、主要施工的控制方法、施工安排是否均衡、总体计划是否基本合理等,从而对投标单位的施工经验和实力作出初步评估[3]。

总体来看,4D模型在建筑施工领域发挥的作用比较明显。根据统计,在施工技术需要革新或场地紧张等情况下,4D模型可以有效减少40%~90%的计划外施工调整,因此4D模型在提高施工生产效率方面的作用远大于作为形象进度的作用;但另一方面,4D模型向施工领域外的建筑设计环节拓展的力度尚显不足。除了建筑业对新技术适应较慢、使用者对其深层次价值认识不足而缺乏热情等因素外,最主要的原因是4D模型本身发展的技术瓶颈还没有完全克服,存在一些明显的缺点。例如:还没有找到处理复杂4D模型相关数据的最有效方法,这方面不可能像地理信息系统的GIS模型数据库解决二维几何图形那么简单,因此在涉及到海量数据时系统常常出现当机的问题,而即使对普通规模的项目,工程模型常常也不足够详细到具备各种层次的工作细节以满足施工分包企业的作业要求。同时,多数4D模型不支持动态修改,这也妨碍了4D模型的广泛应用。另一个方面,目前四维设计系统的智能水平其实并不高,所谓计算机承担的分析推理工作其实离不开使用者的介入,这就要求使用者具有一定程度的操作经验和足够的专业知识,因此对于建筑设计人员而言,在没有施工专业人员介入而单纯依靠4D模型的情况下来评估施工因素对设计的影响和约束并能相应调整修改设计方案在目前看来还不太现实。

总之,四维模型软件还需要在技术上大幅度提升以提高应用水平并获得更高的经济效益,从而最终在建筑业发挥更关键的作用。