张慎：从数字化迈向智能化——中南建筑设计院PLM领域应用及拓展
2023-08-11
现阶段，住房和城乡建设部联合多部门发文，大力推动智能建造与建筑工业化协同发展，并提到“新型建筑工业化是通过新一代信息技术驱动，以工程全寿命期系统化集成设计、精益化生产施工为主要手段，整合工程全产业链、价值链和创新链，实现工程建设高效益、高质量、低消耗、低排放的建筑工业化。”由此可见，设计无疑是新型建筑工业化关键环节之一。因此，中南建筑设计院股份有限公司（以下简称“中南建院”）从建筑全生命周期管理的视角对政策趋势进行解读。
建筑工业化要求一模到底，需要大规模协同、大规模定制以及数据高效无缝流转，即各专业、各企业共用同一个动态的三维数字模型，实现一模横向到边、一模纵向到底；
智能建造必然要求无图建造。在智能建造体系中，工业软件提供了全新的思维方式。三维数字模型包含结构化的完整数据，可以用于直接驱动智能终端。而二维图纸需要经过解读、转换才能驱动智能设备，需要大量人工干预。
设计蓝图起源于1842年。试想一下，当我们步入数字化时代，三维数字模型是否可以真正取代已经存在近两百年的图纸交付形式？
设计的本质是解决问题。图纸不是工程建设的必需品，而使用三维模型设计和交付一样可以解决设计问题。因此，中南建院认为“无图设计、无图建造是从数字化迈向智能化的必经之路”，并不断探索通过实际工程项目使用数字模型直接指导下游加工、施工、运维，使模型数据的价值最大化。基于上述思考，中南建院希望打造建筑全生命周期数字化管理PLM平台，打通设计、施工和运维全过程，并以达索系统3DEXPERIENCE平台作为数字底座汇聚基础数据，同时开展一系列本土化、行业化应用开发。
为了实现该目标，中南建院在不断通过不同类型的领航项目验证无图设计、无图建造的技术可能性，并持续迭代对建筑全生命周期数字化管理的理解。湖北省疾病预防控制中心是继武汉市新一代气象雷达塔项目之后中南建院基于3DEXPERIENCE平台完成的又一标志性项目。该项目位于湖北省武汉市洪山区卓刀泉北路，由中南建院与中国建筑第四工程局有限公司联合承担，同时双方希望将其打造成国家数字建造技术创新重点项目成果应用示范工程。
为了将3DEXPERIENCE平台更好适配建筑业的使用需求，并提高设计效率，中南建院相继建立了项目模板库和项目材质库。
项目模板库：建筑、结构、暖通、给排水、电气和施工等各类行业工程模板250余项，用于快速建立三维模型。
项目材质库：建立行业各类建材、内装材质80余项，高品质呈现最终设计效果。
为了责任到人、高效协同，在项目策划阶段，项目组建立IPD模式工作团队。深化设计、施工单位、项目管理团队提前介入，基于统一平台协作。自顶向下综合考虑项目阶段、专业、工作包创建项目结构树，分工协作。制定基于同一平台设计、校审、数据管理等各项流程，使工作有据可依。
以“一模到底，无图建造”为目标，中南建院采用3DEXPERIENCE平台在单一数据源的协同环境中建立三维数字模型，打通设计、仿真、加工、安装、运维等全生命周期。过程中，项目组采用基于部件的设计（CBD）方法，实现不同设计阶段LOD100至LOD400演进式设计，随着项目进行不断深化模型，实现一个模型用到底。随后，张博士详细介绍了该项目在每一个阶段的技术举措：
在方案阶段，规划布局遵循“一廊串联、一核引领、生态共享、空间互动”的理念，利用CATIA建立模型体块，完成方案推敲设计。
在勘察阶段，构建三维地质模型，可以更客观、更形象地描述地质体，克服用二维图件描述三维地质体的局限性，实现根据地质层分布情况进行开挖、回填以及桩基础长度设计。
在设计阶段，建筑专业利用CATIA对幕墙曲面进行优化与板块分割，减少47%板块种类，极大降低施工难度与造价；结构专业自主研发3DEXPERIENCE-SAP2000软件接口程序，提取骨架线，转换为梁、柱、墙单元，调用SAP2000生成分析模型，进行结构分析计算，并返回设计截面；机电专业使用原理图驱动三维设计，基于同一平台和三维数字模型完成机电全专业协同设计，及时发现并解决专业碰撞及排布问题，减少管道占用高度。使用Dymola建立楼宇暖通系统、给排水系统、空调通风系统仿真模型，利用仿真结果为机电专项设计和设备选型提供定量的优化建议，同时模拟大楼动态运行状况，分析室内温度控制效果，计算系统能耗和碳排放量，建设低碳建筑。
在加工阶段，中南建院一方面基于CATIA开展钢结构加工设计，另一方面自主开发了加工设计工具，基于DELMIA实现自动生成加工图、材料表，自动完成产品拆分、相同产品归并、BOM表生成、IFC属性写入等工作。同时，项目组完成了数字模型直接驱动智能终端的技术验证，利用同一数字模型，按板厚分类，优化排版和切割路径，驱动切割机进行板料切割。模拟机器人焊接节点操作，生成操作数据，实现虚拟联调。
在施工阶段，中南建院通过施工仿真、施工措施设计、虚拟设计与建造（VDC）等技术，预演施工方案，预判建造难点，以优化资源使用、提升施工安全、控制过程成本、节约项目工期、提高建设质量。在施工现场，使用三维数字模型代替图纸完成技术交底，以更加直观的方式沟通，现场劳务班组普遍反馈理解设计成果更简单，实施更方便。同时，中南建院搭建了基于3DEXPERIENCE的精益建造管理平台，以“一清二楚按部就班精益求精”为建设目标，围绕“交模型管进度算造价看现场验质量”的项目关键要素，搭建进度管理、6D管理、计量计价、三维标注、三维作业指导书、仿真管理、现场管理等应用场景。
利用三维数字模型定义建筑，构建数字样房；
利用数字样房验证设计方案，模拟施工工艺；
利用三维标注实现三维交付，形成数字产品；
利用数字产品驱动智能终端，实现智能建造。
中南建院正在推动从无图设计、无图建造到无图审批、无图招标、无图结算、无图运维的建筑全生命周期数字化管理的场景定义和技术验证，并且与有关部门积极探讨模型数据的确权、审批、监管等事项，打通基于三维数字模型的报建、设计、审查、招投标、施工、交付等全链条、全方位价值场景。相信未来，可期！
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