数据驱动行业数字化升级

数据驱动行业数字化升级

1数字化设计数据的驱动作用随着数字技术的快速发展，以数字为重要因素的“数字经济”也得到了迅速发展。数据收集和传输已成为数字社会发展的基础工作。对于建筑行业而言，数据已逐步成为提质增效和创造行业衍生价值的潜在动力。建筑产业涉及的产业链长，产生和汇集的数据量非常丰富，这些数据隐藏着项目立项、设计、制造、施工、交付、运营等过程中的价值信息。其中，设计数据作为建造过程中数据链条的最前端，在整个建筑产业链的数据传递中具有重要的驱动作用，为协同设计、造价算量、制造架构、施工建造和运营使用提供了必要的基础参考数据。采用合理的方式收集和利用设计过程中的数据，可以充分发挥以数据为载体的设计知识价值。在以往的建筑设计工作中，数据往往是呈非结构化或半结构化的分散式分布，不利于设计数据的传递和共享。数字化技术提供了设计数据结构化方法，能够将相关数据进行有效组织和储存，以集成数据流的形式在设计工作中进行横向和纵向传递。随着现代社会的发展和对建筑要求的提升，各类建筑造型愈加复杂，建筑功能愈加多元化。如何将设计数据进行有效组织和传递，已经成为建筑设计的新工作需求。在数字化背景下，需要对现有设计模式进行革新和重构，强调以数据为核心的协同工作方法和信息传递方式，并支持同城市大数据的双向互通（图1）。数字技术的集成开发与嵌套使用，是数字技术在建筑行业中被广泛传递和多样化表达的具体体现。以BIM为代表的数字集成技术，能够记录设计工作中所有的设计数据，并将数据在不同使用场景下，以专业化和信息化的形式进行表达。此外，还能将设计数据组织入库，作为知识沉淀和传递的主要方式。各专业可以围绕设计中心数据库进行数据共享，完成协同设计工作；各项目参与方也可以围绕交付数据库进行数据提取和利用，完成各方内部管理和生产工作；围绕设计归档数据库，可支持城市大数据库建设，支持企业知识沉淀，支持设计师知识积累。2设计背景及数据价值内核“独角兽岛”（以下简称“独角兽”）是全球首个以独角兽企业孵化和培育为主体的产业载体平台，是专门为“独角兽”而建的岛（图2）。“独角兽”位于四川省成都市天府新区，是兴隆湖东畔的鹿溪智谷核心区域（图3）。其规划用地面积约为1006亩（约0.67km“独角兽”项目是典型的复杂异形建筑，其空间形态、外部环境等多种因素构成了“独角兽”项目的特殊性，进而决定了数据的多样性和复杂性，更需要集成化的数据保证项目的高落地性及高完成度（图4）。围绕数据价值内核，本项目需要解决三个问题：第一，参与设计专业众多，需有效组织各专业设计数据，以进行协同设计工作；第二，该建筑构件复杂，建筑构件空间关系复杂，需设计完成施工图三维模型数据为造价工作提供算量参考，为制造商提供构件几何形体参考，为施工单位提供三维安装参考；第三，该项目具有较强的专业代表性，需进行设计数据沉淀，为以后类似项目的设计建造工作提供学习路径和参考。3行多样表达数据的传递和共享需要集成化软件进行多样化表达。本项目采用BIM软件进行集成化协同设计工作，利用BIM的数据处理和表达能力完成数据传递。3.1多专业三维合作设计3.1.1多专业协同设计：基于revit的体验异形建筑的空间关系、结构形式、节点构造较为复杂，而二维图纸中的信息数据属于分散的半结构化数据，设计人员难以完全理解异形建筑中的相关信息，也更容易导致专业内、专业间不协调的情况出现。BIM三维正向设计可以使中心文件数据库集成各专业设计数据，有效地组织专业设计协同，提高多专业协同配合效率，更快发现并解决问题。此外，BIM技术可将设计数据通过信息化、参数化、可视化等方式进行表达，也可以有效地支持设计阶段多专业协同设计工作。基于BIM的协同设计工作方式分为两种：中心文件模式和链接模式。中心文件模式是一种数据在服务器端，支持多个设计人员实时协同工作的模式。在这种工作模式下，多个设计人员的设计数据可以集成在同一个中心文件中，并实时进行数据交互，及时发现设计工作中存在的问题。链接模式是在一个BIM模型基础上链接其他一个或多个BIM模型的映射工作模式。这种工作模式下，可以将多个BIM模型文件集成到同一个中心文件数据库中，各专业的模型数据也可以实现实时同步更新。BIM三维正向设计采用两种协同设计模式，中心文件模式适用于专业内的协同设计工作，而链接模式适用于专业间的协同设计工作，两种工作模式共同促进设计数据流通（图5）。在“独角兽”项目中，为了增强各专业的数据交互，提升各专业设计协同性，设计团队采用了AutodeskRevit作为全专业BIM三维正向协同设计集成设计环境，充分利用Revit对数据的集成整合能力、处理能力、协调能力、多样化表达能力，对专业内的协同采用中心文件模式，对专业间协同采用链接模式。设计团队通过整合建筑、结构、设备、幕墙、钢结构、装饰等专业的BIM模型，实现设计数据的集成表达，减少各专业间信息不一致造成的错误，从而有效实现复杂空间三维协同设计，保证该项目的设计质量。3.1.2维协同设计模型数据的提出设计提资是本专业提供到其他专业可用于支持设计工作的数据，提资过程就是设计过程中的阶段性数据共享，包括构件的尺寸数据、材质数据、空间数据、位置数据和相关构件属性。对于BIM数据集成环境下的三维模型文件提资，结合工程设计成果的表达需求，需将数据以“提资视图”形式进行表达，作为其他专业的“底图”参考，其他专业再以链接的形式“引用”提资模型，生成本专业数据集。在BIM数据集成环境下，各专业可以根据不同规范和要求，将设计数据转换为不同详细程度的提资模型，相对于二维图纸提资，可以在很大程度上避免同一构件数据在不同图纸中出现表达不一致的情况。在“独角兽”项目中，Revit将专业间的提资数据进行组织化、可视化的表达，形成带数据的“提资视图”。接收提资的专业可以直接链接“提资视图”，并获取专业设计所需的各类信息。各专业也可自主提取所需模型信息。3.1.3维协同出图根据现阶段BIM应用的实际需求，BIM三维软件还可以将设计数据以二维图纸的形式进行表达，以解决三维模型信息表达不充分的问题。BIM生成二维图纸，可以保证不同视图表达下的数据表达一致性。在“独角兽”项目中，采用Revit软件直接生成建筑、结构、机电等专业的各类二维图纸，其中建筑专业的出图率达90%，结构专业和机电专业的出图率达80%，最大限度地保持了从不同角度表达建筑信息时的数据一致性。此外，通过对Revit进行二次开发来辅助出图工作。通过对模型数据进一步提取和处理，能够生成旋转楼梯结构施工图和弧形大台阶的剖面图，解决这两类异形建筑构件信息难以表达的问题。3.2数据传输设计数据除了在协同设计工作中能够发挥价值，还能在不同阶段和不同应用场景下进行传递，辅助下游阶段的工作开展。3.2.1各类属性数据的存储、管理和工作方式二维设计中，钢结构深化需要根据结构专业提供的结构平面图及构件编号图手动建立钢结构深化模型，难以直接获取钢结构构件的几何形体数据和相关属性数据。对于复杂建筑，存在大量空间钢梁等复杂构件，各类数据储存和表达方式分散，若采用传统工作方式更为烦琐，耗时久且易出错。在“独角兽”项目中，设计人员通过自主开发Revit插件，使用已有的设计数据自动生成多个三维视图，每个视图中只保留一种类型的钢构件，这样钢结构深化人员可以通过制订构件类型导入的方式自动生成深化模型，保障了数据传递的准确性。3.2.2算量类延续到工程造价算量工作，造价人员通过提取施工图三维BIM模型中部分构件的几何体积数据，可以直接用于造价计量。对于其他不能直接获取几何体积数据的土建和安装构件及装饰装修工程，则可以由算量软件的插件进行自动计算获取。这大大地减少了造价的工作量，并且提升了算量的精确度。在“独角兽”项目中，造价人员采用斯维尔计量软件计算后自动获取BIM模型中工程量，辅助造价人员进行计价计量工作。3.2.3空间位置的精确定位对于构件制造厂商的构件生产工作，需要大量构件数据来辅助生产工作。“独角兽”项目中采用了大量双曲面幻彩铝板，其对制造的精度有较高的要求。为了达到预期的效果，必须对面板的空间位置进行精确定位。空间定位的基础则是根据方案需求控制单块铝板的曲率，同时优化铝板的划分。通过使用Grasshopper，设计人员针对铝板曲率进行可视化数据生成及提取，并为后期厂家深化提供基础数据资料。设计人员根据铝板曲率分析的结果，使用Grasshopper对铝板幕墙进行深化设计，并对厂家直接进行数据传递，其中包括铝板展开模型、铝板编号、尺寸数据提取、曲率数据。数字化对接的生产方式，协助厂家提高了每块板的精准度。3.2.4可视化三维建模数据不仅在设计阶段发挥效能，更需延伸到施工建造阶段，保证项目的高完成度和高落地性。施工图设计完成的三维BIM模型，还可以用于施工阶段的辅助，尤其是在复杂区域或构件的建造、安装工作，可视化的三维大样模型可以使工作人员更直观地理解构件空间的关系。对于现场安装的复杂构件节点，施工人员可以借助BIM模型几何定位数据，辅助现场构件更快速地加工和装配，减少返工率，提升工作效率和质量。4知识的沉淀4.1数据积累和知识沉淀工作常态化建筑设计数据大多以分散的非结构化形式或半结构化形式存在，难以进行有效的数据储存和知识回溯。数据中蕴含的设计知识和内容只能依靠工程师进行人工识别和读取，无法由计算机及产业链下游参与方使用的软件直接识别、进行分析和管理，且文档采取简单的档案管理系统，通过人工进行数据分类和保存，无法将数据积累和知识沉淀工作常态化。因此，需要创建可用于设计数据存储的数据库。在“独角兽”项目完成项目归档后，采用SQL关系型数据库对设计施工图BIM模型中的数据进行结构化储存。为了保证数据库在使用中的一致性和连贯性，每个BIM三维正向设计项目以单个数据库的形式存在，且以唯一编码名称对项目数据库命名。此外，还需对需要提取的数据信息进行规划，在项目中提取建筑、结构、设备等专业的BIM模型基本数据，并将形成数据的表单储存在数据库中。以后出现类似设计项目，可以直接从本项目设计施工图BIM模型中获取相关参考数据。4.2知识数据库的设计设计数据完成入库后，可进一步整合成城市大数据库、企业知识库和个人知识库，三者在不同的应用阶段可相互支持，完成数据循环。4.2.1城市大数据库建筑是构成城市的重要单元，建筑设计数据是城市大数据库的重要部分。建筑设计数据入库完成后，应当进一步汇入城市大数据库，作为城市管理数据支持，为城市规划、城市设计、交通分析、市政分析提供数据依据。同时，海量的城市级大数据可为建筑项目的开展提供数据支持，完成多样性数据闭环。4.2.2智能设计结果统计将设计数据转换为企业知识库，可以进一步加强建筑企业设计管理，把控设计质量，提升设计效率，如基于数据的智能审图、设计成果检查、项目进度控制、工时工效统计，等等。设计数据的积累增强了设计企业的智慧设计能力，加快了设计企业的数字化转型。4.2.3．流程化，是设计知识的数字化设计知识数据库能够将设计施工图BIM模型中的设计数据进行结构化储存，也将设计中的知识数据进行了集成化，为后续应用提供了数据基础，如生成各类分析报表、构件正确性检查、结构荷载统计、空间关系统计等。这些应用点都是使用数据来表达设计知识的具体体现。采用流程化的软件程序表达设计知识，是设计知识转向数字化的标识。在以后的设计工作中，设计师可以利用软件快速获取相关项目知识，辅助自身设计工作的快速展开。5设计知识数据库的应用数据是建筑行业数字化背景下信息流通的载体，在不同阶段和应用场景有不同的价值，也有不同的表现形式。对于设计阶段而言，将数据以三维可视化和构件属性形式进行表达，是完成专业协同设计工作的主要形