建筑設(shè)計(jì)集成化管理論文

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提要

集成化建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)(IntegratedBuildingDesignSystem,IBDS)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)十分活躍的課題。近年來，IBDS有較大發(fā)展，并逐漸引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。本文分析IBDS的背景，介紹IBDS的概念，討論IBDS的相關(guān)技術(shù)，最后綜述IBDS的狀況。

關(guān)鍵詞：建筑計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)暖通空調(diào)集成化建筑系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

Abstract

Beinganactivetopicinthefieldofcomputeraidedbuildingdesign,IBDS(IntegratedBuildingDesignSystem)hasmadegreatprogressandattractedmoreandmoreattentionofacademicandindustrialcirclestheseyears.ThispaperintroducesthebackgroundandtheconceptofIBDS,discussesandreviewsitsrelatedtechnologyanddevelopment.

Keywords：buildingCADHVACIBDSSTEP

1前言

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展普及，近年來，國(guó)內(nèi)外在計(jì)算機(jī)建筑設(shè)計(jì)包括模擬計(jì)算、圖紙繪制和資料管理等方面的研究和開發(fā)有了較大進(jìn)展，同時(shí)也暴露出一系列問題。由于社會(huì)發(fā)展對(duì)建筑設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量要求的不斷提高，近十年來逐漸提出（集成化建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)）（IBDS）的概念，世界各國(guó)相應(yīng)投入大量人力和財(cái)力從事此方面的研究開發(fā)工作，并開始產(chǎn)生一些中應(yīng)用于實(shí)踐的成果。本文綜述IBDS的研究和發(fā)展?fàn)顩r。

2提出IBDS的背景

集成化建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)的由來出于如下四方面原因：

2．1模擬分析軟件的可應(yīng)用性

從70年代初起，采用模擬分析方法計(jì)算建筑物結(jié)構(gòu)負(fù)荷、預(yù)測(cè)建筑物熱環(huán)境特性、分析供熱空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)等方面的研究開發(fā)工作已廣泛開展，到目前似乎已相當(dāng)成熟。但這些模擬分析方法在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)用的卻很少。據(jù)近年在北美、西歐[1～3]的調(diào)查，建筑設(shè)計(jì)中使用計(jì)算機(jī)做計(jì)算的在50%以上，但所用軟件多數(shù)是根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)上的比較粗略的算法編制而成的，其功能僅代替手算，在一定程序上提高了設(shè)計(jì)效率，但并不能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。在設(shè)計(jì)中真正使用模擬分析軟件的不足20%。對(duì)一些設(shè)計(jì)公司的調(diào)查表明，雖然他們購買了一些大型模擬分析軟件，但往往不是為了在設(shè)計(jì)中使用，而是為了向客戶顯示實(shí)力，爭(zhēng)取市場(chǎng)。

20多年來模擬分析方法的研究與相應(yīng)軟件的開發(fā)表明，模擬分析軟件的應(yīng)用對(duì)建筑設(shè)計(jì)是很重要的[4]，它們可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)特性，從而提高系統(tǒng)性能，降低運(yùn)行能耗。但是為什么很難付諸實(shí)際應(yīng)用？調(diào)查結(jié)果表明，除商業(yè)性原因外，尚有如下技術(shù)原因：

①使用困難。為做一次模擬分析，需準(zhǔn)備和輸入大量的數(shù)，這是一件枯燥而耗時(shí)的工作。在設(shè)計(jì)過程中要分析不同的問題，往往需要使用不同軟件，這些軟件間盡管所需要的數(shù)據(jù)有許多是相同的，但所要求的格式不同，又要重復(fù)輸入。為了得到一點(diǎn)結(jié)果，人要圍著機(jī)器轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)人員不到萬不得已時(shí)，不會(huì)這樣做。

②結(jié)果不可信。曾請(qǐng)三十余名自認(rèn)為有模擬分析經(jīng)驗(yàn)的工程師對(duì)同一建筑用同一程序做能耗分析，所得結(jié)果的最大與最小差別竟在一倍以上[5]，類似的實(shí)驗(yàn)曾做過多次，結(jié)果均是同樣的現(xiàn)象發(fā)生[6]。由此使人產(chǎn)生懷疑，甚至得出悲觀的想法[7]。究其原因，發(fā)現(xiàn)模擬分析是一完整過程，要獲得正確的答案，不僅與所用軟件有關(guān)，還與使用軟件的全過程有重要關(guān)系[8]。一座建筑物很復(fù)雜，只能選其一部分并在簡(jiǎn)化后做模擬分析，而不同的選擇與不同的簡(jiǎn)化，結(jié)果就會(huì)相差很大。模擬軟件一般都要求輸入許多設(shè)計(jì)人員很難確定的系數(shù)，如房間換氣次數(shù)、窗簾遮陽系數(shù)、室內(nèi)發(fā)熱量等，這些系數(shù)的取值很不同，導(dǎo)致結(jié)果偏差很大。再就是初始條件和邊界條件的選取也存在很大影響。面對(duì)一個(gè)軟件，設(shè)計(jì)人員很難對(duì)這些選擇做出正確的決策，而不同的決策又有結(jié)果大相徑庭。由此，當(dāng)模擬計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)估計(jì)出的結(jié)果或手冊(cè)法結(jié)果相差懸殊時(shí)，該信哪一個(gè)？設(shè)計(jì)人員最終又選擇了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或手冊(cè)法。當(dāng)計(jì)算模型越復(fù)雜時(shí)，要求輸入的數(shù)據(jù)就越多，輸入數(shù)據(jù)的不確定度也就越大，從而導(dǎo)致結(jié)果的不確定度越大。

③特殊問題不能解。當(dāng)被分析系統(tǒng)復(fù)雜或特殊時(shí)，由于計(jì)算軟件的通用性不夠，往往又不能分析計(jì)算。例如采用蓄冷水池的空調(diào)系統(tǒng)或蓄冰系統(tǒng)，一般常見的分析軟件就無能為力。即使簡(jiǎn)單地對(duì)系統(tǒng)做模擬分析，要根據(jù)軟件中所確定的設(shè)備模型形式去輸入設(shè)備性能參數(shù)，如果設(shè)備廠家提供的性能參數(shù)的形式與軟件中的設(shè)備模型不同，用戶就無所適從。

結(jié)果是："憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)芄烙?jì)出的結(jié)果，計(jì)算機(jī)大概也能算出，可是還要輸入大量數(shù)據(jù)，結(jié)果也不一定比估出的可靠。碰見新東西估算不了，計(jì)算機(jī)也算不了。這樣，要計(jì)算機(jī)何用？"這大概是模擬分析技術(shù)不能在建筑設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的主要原因。

2．2CAD技術(shù)的迫切要求

盡管模擬分析技術(shù)遲遲不能廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)卻后來居上，在近十年內(nèi)飛速發(fā)展起來。目前在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，建筑、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用計(jì)算機(jī)繪圖已在70%以上。據(jù)報(bào)導(dǎo)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院中計(jì)算機(jī)繪圖也占到50%以上。這是由于CAD技術(shù)順乎潮流，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

然而，隨之而來的問題就是：如何將計(jì)算機(jī)繪圖與計(jì)算機(jī)分析計(jì)算相結(jié)合？CAD應(yīng)用是利用計(jì)算機(jī)輔助完成包括資料檢索（查樣本、手冊(cè)、工程圖紙等）、設(shè)計(jì)計(jì)算、圖紙繪制等在內(nèi)的設(shè)計(jì)全過程，而不是僅作為一個(gè)繪圖工具。

計(jì)算機(jī)圖形輸入與處理技術(shù)很快就使人們認(rèn)識(shí)到，它不應(yīng)僅是為了繪圖而輸入圖形，而是用戶向計(jì)算機(jī)輸入所要研究的系統(tǒng)的最理想的手段。根據(jù)所輸入的圖形獲取系統(tǒng)信息，從而進(jìn)行分析計(jì)算，可以在很大程度上解決上述數(shù)據(jù)輸入困難，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)工作量大的問題。目前已有很成功的軟件用于建筑學(xué)設(shè)計(jì)中，代替以往的建筑模型，通過CAD技術(shù)可以從各個(gè)角度向人們顯示建筑物的外部及內(nèi)部的視覺形象。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亦已可以從圖形輸入開始，直接進(jìn)行各種力學(xué)計(jì)算。國(guó)內(nèi)近幾年已開發(fā)出供暖設(shè)計(jì)CAD軟件，可直接在建筑圖的基礎(chǔ)上索取建筑物信息，做簡(jiǎn)單的供暖負(fù)荷計(jì)算，然后自動(dòng)完成熱水供暖設(shè)計(jì)計(jì)算，并得到管網(wǎng)設(shè)計(jì)圖紙及材料表，這些都是極好的嘗試。CAD技術(shù)的推廣，使設(shè)計(jì)部門已在很大程度上具備了必要的硬件和軟件條件。隨之而來的最迫切的問題就是：如何充分利用這些硬件和軟件資源，如何充分利用已通過CAD輸入到計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)圖形信息，與現(xiàn)有的模擬分析技術(shù)相結(jié)合，真正解決建筑設(shè)計(jì)中的問題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量呢？

2．3信息處理技術(shù)發(fā)展的需要

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要之一就是信息處理技術(shù)。這主要表現(xiàn)在兩方面：一是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，二是數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

近十年來，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒介從幾百kB的軟盤，發(fā)展到目前已初露頭角的存儲(chǔ)量為上千MB，而大小相當(dāng)于一張普通軟盤的光盤。目前已有操作讀光盤，每張成本（不包括信息價(jià)值）僅一兩美元，便可儲(chǔ)存泰晤士報(bào)全年幾萬個(gè)版面的全部?jī)?nèi)容。預(yù)計(jì)在本世紀(jì)內(nèi)可讀寫光盤也將以很低價(jià)格出現(xiàn)。這樣，大量的產(chǎn)品樣本、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范等資料，就應(yīng)該以光盤或其他電子方式儲(chǔ)存，并以各種極方便的方式檢索、查詢。

但是，這些以電子形式儲(chǔ)存的資料和信息不應(yīng)僅像書本手冊(cè)那樣供查詢用。我們?cè)谠O(shè)計(jì)、繪圖、計(jì)算中使用這些樣本、手冊(cè)中的數(shù)字和規(guī)則的真正的意義在于，這些存儲(chǔ)的信息能夠被計(jì)算機(jī)"理解"和直接使用。例如，做一臺(tái)表冷器的選擇計(jì)算時(shí)，如果計(jì)算機(jī)能從光盤上檢索到有關(guān)表冷器的資料，直接取出有關(guān)數(shù)據(jù)，而不是由使用者讀出再重新輸入，計(jì)算機(jī)就有可能對(duì)儲(chǔ)存于光盤內(nèi)所有有關(guān)的表冷器做一遍分析計(jì)算，找到最適宜的型號(hào)。這樣，將使設(shè)計(jì)與模擬分析過程產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。但是，怎樣才能使所存儲(chǔ)的信息被計(jì)算機(jī)"理解"和真正使用？如果僅是以書本上的形式儲(chǔ)存，計(jì)算機(jī)就不可能理解。必須采用一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去存儲(chǔ)這些信息，信息的產(chǎn)生來源于各處，例如各設(shè)備廠家或標(biāo)準(zhǔn)制定單位。產(chǎn)生出的數(shù)據(jù)庫也要被各種計(jì)算機(jī)分析軟件查找和使用。信息被利用的次數(shù)越多，花費(fèi)同樣成本輸入此信息所產(chǎn)生的效益就越高，因此制定標(biāo)準(zhǔn)的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就成為非常重要的事。

數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展所提出的也是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化問題。目前世界各國(guó)都積極開展信息高速通訊基礎(chǔ)的開發(fā)與建設(shè)。美國(guó)近年要在全國(guó)實(shí)現(xiàn)"信息高速公路"，這類系統(tǒng)的建成將使全球范圍內(nèi)任兩點(diǎn)間的信息查詢與傳輸如同打電話一樣方便。這樣，將來的設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)要求、設(shè)備性能等技術(shù)文件將以EDI（電子數(shù)據(jù)交換）的方式傳輸，則這些信息被計(jì)算機(jī)接收后，能否被"理解"和直接使用也成為重要問題。可見，問題的關(guān)鍵仍在于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化。

2．4CIM哲理

CIM的概念最初是由美國(guó)的JosephHarrington在1974年提出，1981年開始被廣泛接受，并被認(rèn)為是信息時(shí)代的工廠自動(dòng)化模式。但從當(dāng)今的應(yīng)用情況看，CIM遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出機(jī)器制造業(yè)的范圍，它是一種組織、管理生產(chǎn)的哲理、思想和方法。CIM是一種綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，它在新的管理模式與制造工藝的指導(dǎo)下，綜合應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)及其支撐軟件，把孤立的、局部的自動(dòng)化技術(shù)，子系統(tǒng)及企業(yè)員工，靈活而有機(jī)地綜合起來，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、管理過程的信息流、決策過程的決策流進(jìn)行有效的管理與控制，以適應(yīng)新的競(jìng)爭(zhēng)模式下的市場(chǎng)對(duì)生產(chǎn)過程提出的高質(zhì)量、高速度和高靈活性的要求。

設(shè)計(jì)院可以看成生產(chǎn)思想產(chǎn)品（各種設(shè)計(jì)文件和圖紙）的部件，一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目相當(dāng)于一項(xiàng)訂貨，設(shè)計(jì)過程（加工過程）是由許多不同專業(yè)的人經(jīng)過若干設(shè)計(jì)階段通力合作完成的，需要各專業(yè)按計(jì)劃有條不紊地互提資料，互相會(huì)簽，最后由成品檔案室驗(yàn)收、歸檔，并向甲方提交全套設(shè)計(jì)文件和圖紙。其間各專業(yè)內(nèi)部尚需分工和遵循嚴(yán)格的質(zhì)量保證程序。建筑的招標(biāo)、設(shè)計(jì)、施工、高度和運(yùn)行管理的整個(gè)生命周期，完全可以借鑒CIM的思想方法，采用CIM的核心技術(shù)--集成技術(shù)，把建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備（暖通空調(diào)和給排水）、電氣、室內(nèi)設(shè)計(jì)和概預(yù)算等專業(yè)，集成于統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，充分共享有關(guān)數(shù)據(jù)和資源，解決建設(shè)各專業(yè)之間存在的"錯(cuò)、漏、碰、缺"等問題，真正實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)整個(gè)過程的全計(jì)算機(jī)化(無紙?jiān)O(shè)計(jì))。

3IBDS的概念

如上所述，設(shè)計(jì)院目前面臨著擁有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)與實(shí)際上不能充分利用這些技術(shù)來產(chǎn)生效益的矛盾。問題主要在于各種應(yīng)用軟件的分散性，數(shù)據(jù)不通用，難以互換，以及對(duì)各種計(jì)算分析過程沒有或無法自動(dòng)給出正確的指導(dǎo)。為了解決這一問題，與飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)適應(yīng)，集成化建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)IBDS的概念應(yīng)運(yùn)而生，并且在近十年內(nèi)迅速發(fā)展。IBDS的核心就是將以往分散的各功能軟件如繪圖用CAD、計(jì)算模擬程序、數(shù)據(jù)庫管理等結(jié)合在一起。通過通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，使這些功能軟件能互用各自的各種資源，全面地完成設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算任務(wù)。

IBDS應(yīng)該提供建筑設(shè)計(jì)各專業(yè)工程師從方案選擇、初步設(shè)計(jì)、分析計(jì)算到施工圖繪制的全過程。人們希望有了設(shè)計(jì)人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及設(shè)想后，通過IBDS用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、計(jì)算、比較、判斷等，不僅將方案形象地表現(xiàn)出來，而且將量化的結(jié)果輸出，工程師再依據(jù)它去修改方案，重新設(shè)計(jì)。因此，IBDS必須采用開放性的體系結(jié)構(gòu)，把設(shè)計(jì)院的"人和資料"集成在一起，具體表現(xiàn)在：

●不同專業(yè)的數(shù)據(jù)模型的集成

建立各專業(yè)通用的標(biāo)準(zhǔn)化的中央建筑數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫把建筑設(shè)計(jì)涉及的建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、電氣、室內(nèi)設(shè)計(jì)和概預(yù)算等專業(yè)所用的數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一起來，集成在一起，保證各專業(yè)所用建筑信息的一致性。建筑師畫的建筑各層平面圖、剖面圖、立面圖等，可以作為建筑底圖，傳給其它專業(yè)。其它專業(yè)的工程師可以在該建筑底圖的基礎(chǔ)上，對(duì)有關(guān)信息進(jìn)行修改、重新定義以及添加專業(yè)的特定數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行各專業(yè)的有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。例如，設(shè)備專業(yè)工程師可以計(jì)算建筑物的空調(diào)供暖負(fù)荷，在建筑底圖上布置空調(diào)供暖管道，進(jìn)行水力、熱力計(jì)算分析等；結(jié)構(gòu)專業(yè)工程師可以進(jìn)行各種受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算分析。一旦建筑師改變建筑物的平面、空間布置，會(huì)直接反映在各專業(yè)的建筑底圖上，從而避免其它專業(yè)的"冤枉"勞動(dòng)。

●不同設(shè)計(jì)階段所使用的模擬軟件的集成

建筑設(shè)計(jì)在不同階段需要用到性質(zhì)不同，細(xì)致程度不同的模擬軟件，IBDS應(yīng)充分考慮建筑設(shè)計(jì)在方案選擇、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)等不同階段使用不同模擬軟件對(duì)輸入數(shù)據(jù)模型要求的一致性和相關(guān)性，盡量保證前一階段的計(jì)算結(jié)果和數(shù)據(jù)可應(yīng)用于后續(xù)階段的設(shè)計(jì)計(jì)算，減少數(shù)據(jù)的重復(fù)輸入和不一致性。

●設(shè)計(jì)資源的集成

把建筑設(shè)計(jì)有關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、工程圖紙、設(shè)備產(chǎn)品手冊(cè)等數(shù)據(jù)和資料以數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫等方式集成存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，以便設(shè)計(jì)人員查詢和使用。

可見，集成化的中央建筑數(shù)據(jù)庫IDM是IBDS的核心。IBDS的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示。各專業(yè)CAD系統(tǒng)通過IDM進(jìn)行數(shù)據(jù)集成和通訊。

HBDS的體系結(jié)構(gòu)示意圖

IBDS的特點(diǎn)除了集成化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化之外，還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)：智能化，即采用KBS（基于知識(shí)的系統(tǒng)）來組織和指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)過程中模擬軟件的使用全過程，這樣才能正確發(fā)揮計(jì)算工具的功能。1989年國(guó)外一些學(xué)者開始提出PAM（PerformanceAssessmentMethod）的概念[9]。PAM是解決模擬軟件"結(jié)果不可信"問題的一個(gè)重要途徑。PAM指出，要保證用程序做模擬分析能給出正確結(jié)果，必須正確指導(dǎo)和嚴(yán)格管理模擬分析這一全過程。這包括：

●對(duì)所分析的對(duì)象進(jìn)行正確的簡(jiǎn)化。例如，從多層多房間的建筑中取出有代表性的一部分做分析計(jì)算，復(fù)雜水網(wǎng)的簡(jiǎn)化；

●對(duì)每個(gè)物理過程選取正確的物理模型來近似。例如一空調(diào)設(shè)備，采用動(dòng)態(tài)模型還是靜態(tài)模型？集總參數(shù)還是分布參數(shù)？是否考慮墻內(nèi)表面長(zhǎng)波輻射？對(duì)流換熱系數(shù)取常數(shù)還是作為溫度及風(fēng)速的函數(shù)？透過窗的太陽輻射在各內(nèi)表面的分析：

●一些不確定的輸入?yún)?shù)的選取，如房間換氣次數(shù)，人員設(shè)備必?zé)崃浚瑲庀髤?shù)的確定，窗的開閉，遮陽等；

●系統(tǒng)控制的確定。例如應(yīng)按照房間為定溫去計(jì)算熱量還是計(jì)算定熱量下的溫度或其它某處控制下的溫度和熱量變化？如何考慮空調(diào)系統(tǒng)的控制和人的操作調(diào)整？

●模擬計(jì)算過程的控制。例如初始影響的消除，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，邊界輸入?yún)?shù)的離散方法，總的模擬計(jì)算段的長(zhǎng)度與時(shí)間的確定等；

●輸出結(jié)果的處理。如何根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)所研究的問題作出結(jié)論。

以上諸條的正確條件并非固定，而是與所研究的對(duì)象的性質(zhì)及所要解決的問題有關(guān)。例如為計(jì)算冬季供暖負(fù)荷，可以用穩(wěn)定的KFΔt模型，而要計(jì)算夏季空調(diào)負(fù)荷，就要使用動(dòng)態(tài)模型。再例如驗(yàn)證建筑物表面結(jié)露的可能性時(shí)，需考慮全部外墻的傳熱；而論證是否要裝社會(huì)空調(diào)，夏季房間是否過熱則需取可能是最熱的一間或幾間朝西或朝南的房間進(jìn)行計(jì)算。目前可以列舉出十幾種不同的對(duì)建筑和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析的目的，對(duì)于每一目的，上述各問題的恰當(dāng)選擇都可能不同。

所有這些問題，落實(shí)為具體的模擬計(jì)算過程，就成為如下四個(gè)問題：

①模擬計(jì)算程序的選取

②實(shí)際建筑和空調(diào)系統(tǒng)的再加工（簡(jiǎn)化）

③輸入數(shù)據(jù)的確定和輸入文件的生成

④模擬計(jì)算結(jié)果的后處理

國(guó)際能源組織（IEA）組織十余個(gè)國(guó)家合作，就各種不同的目的和使用不同程序如何進(jìn)行上述第②③④步工作進(jìn)行了研究，形成了一大批PAM手冊(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，讓程序使用者按照這些手冊(cè)去一步步做，可顯著提高模擬計(jì)算工作的正確性和結(jié)果的可信賴性[10]。

將這類手冊(cè)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解的形式作為知識(shí)庫存儲(chǔ)于集成化環(huán)境中，再開發(fā)出可按照這些知識(shí)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析加工的專家系統(tǒng)，就可以使這一使用過程自動(dòng)完成，只要使用者提出要解決的問題，專家系統(tǒng)即可能選取適宜的程序，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，運(yùn)行模擬分析程序，最終向使用者顯示由結(jié)果分析得出的結(jié)論。

與傳統(tǒng)的CAD軟件相比，IBDS不再是以計(jì)算程序?yàn)橹行模褂谜邍@著計(jì)算程序準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，運(yùn)行程序，檢查結(jié)果。集成化環(huán)境使使用者成為中心，將各種繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備好，隨時(shí)供使用者在設(shè)計(jì)分析中使用。使用者可以充分發(fā)揮自己的分析和創(chuàng)造能力，利用CAD系統(tǒng)去設(shè)計(jì)、分析各種系統(tǒng)，而將一切重復(fù)和瑣碎的工作交給計(jì)算機(jī)去完成。集成化設(shè)計(jì)環(huán)境的指導(dǎo)思想就是，使用者應(yīng)是計(jì)算機(jī)的主人，而不是奴隸；計(jì)算機(jī)的應(yīng)用應(yīng)最大范圍地開發(fā)人的創(chuàng)造力，為人提供進(jìn)行創(chuàng)造性思維的場(chǎng)所，而不是把人變?yōu)闄C(jī)械式工具。

4實(shí)施IBDS技術(shù)

4．1革新CIM（集成）技術(shù)

正象計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS一樣，集成也是IBDS的信心技術(shù)。IBDS系統(tǒng)采用STEP標(biāo)準(zhǔn)化的建筑數(shù)據(jù)庫，把建筑設(shè)計(jì)各專業(yè)的數(shù)據(jù)模型集成起來，把設(shè)計(jì)的不同階段集成起來，把各種設(shè)計(jì)用的模擬軟件集成起來，把各種信息資源集成起來。總之，IBDS依賴集成技術(shù)把建筑設(shè)計(jì)院的兩大法寶"人和資料"有機(jī)地統(tǒng)一起來，保證設(shè)計(jì)過程中信息共享和傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)化。

4．2STEP（產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)）技術(shù)

STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOTC184正在制訂的標(biāo)準(zhǔn)ISOCD10303。STEP采用一種中性文件機(jī)制，是CAD/CAM數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)[11]。它規(guī)定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造以至于產(chǎn)品全部生命周期中，包括產(chǎn)品形狀，解析模型、材料加工方法、組裝分解順序、管理數(shù)據(jù)等方面的必要信息定義和數(shù)據(jù)交換的外部描述。現(xiàn)在普遍認(rèn)為STEP將成為全世界公認(rèn)的唯一CAD數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。

STEP包括兩部分內(nèi)容，一是數(shù)據(jù)模型的定義，它采用EXPRESS數(shù)據(jù)定義語言來寫成。這種語言可以準(zhǔn)確定義所描述對(duì)象的數(shù)據(jù)模型，小到單個(gè)簡(jiǎn)單的汽車零件，大到一檔復(fù)雜的建筑物。STEP的另一部分就是具體的數(shù)據(jù)文件的表述方式，它是由任意詞條構(gòu)成，每一條的形成都遵守?cái)?shù)據(jù)模型中的定義。這樣，只要理解了數(shù)據(jù)模型，就能讀懂根據(jù)此數(shù)據(jù)模型按照STEP方式寫出的任何數(shù)據(jù)文件。如果制定出統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，使大家都按照這一模型去描繪所研究的對(duì)象，所生成的數(shù)據(jù)文件就很容易交換，通過一些轉(zhuǎn)換工具可以很容易地將其轉(zhuǎn)換為各種軟件內(nèi)部特定的數(shù)據(jù)文件。

由于STEP在描述數(shù)據(jù)模型和易于交換數(shù)據(jù)方面的突出優(yōu)點(diǎn)，它很快被工業(yè)界和標(biāo)準(zhǔn)化組織采用，作為定義數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的工具和交換數(shù)據(jù)的方法。集成化的建筑工程數(shù)據(jù)庫應(yīng)該采用STEP技術(shù)，把各專業(yè)的圖紙、數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品設(shè)備等標(biāo)準(zhǔn)化，以便不同CAD系統(tǒng)之間、不同專業(yè)之間、不同模擬軟件之間、設(shè)計(jì)院與甲方和廠家之間，能夠自由而方便地相互傳遞和交換信息。

STEP標(biāo)準(zhǔn)化是IBDS集成化的前提和保證，它可以避免CAD計(jì)算分析軟件開發(fā)方面的大量重復(fù)性勞動(dòng)，與此數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)兼容的軟件均可以交換使用，從而使各部門有可能分工協(xié)作，共同開發(fā)我國(guó)的集成化環(huán)境。IBDS的每一塊功能軟件均可以獨(dú)立在市場(chǎng)上出售，被其它符合此標(biāo)準(zhǔn)的軟件所使用，這將使軟件研制開發(fā)者直接受益。

4．3AI（人工智能）技術(shù)

目前的CAD系統(tǒng)已能較成功地應(yīng)用于繪圖和設(shè)計(jì)計(jì)算，但用于方案設(shè)計(jì)的卻很少。其實(shí)方案設(shè)計(jì)在很大程度上決定了投標(biāo)的快速反應(yīng)能力。IBDS系統(tǒng)采用AI技術(shù)，把工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則、思維活動(dòng)等模糊、隨機(jī)、不完備的知識(shí)，通過一定的結(jié)構(gòu)來組織和表達(dá)，讓計(jì)算機(jī)能夠理解、推理和判斷，輔助工程師進(jìn)行方案選擇。AI技術(shù)中比較成熟的是專家系統(tǒng)，特別是DSS（決策支持系統(tǒng)）。可見IBDS的智能性體現(xiàn)在各專業(yè)設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)應(yīng)用的好壞。

4．4計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

IBDS的實(shí)施應(yīng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為物質(zhì)基礎(chǔ)，特別是基于光纖和衛(wèi)星的全球范圍的快速ISDN網(wǎng)絡(luò)。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以共享建筑設(shè)計(jì)的有關(guān)數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫等軟件資源和打印機(jī)、繪圖儀等硬件資源，傳輸有關(guān)設(shè)計(jì)資料和文檔，允許位于不同地點(diǎn)的設(shè)計(jì)工程師同時(shí)參與一個(gè)建筑的設(shè)計(jì)。同時(shí)還可使設(shè)備生產(chǎn)廠家能將產(chǎn)品信息直接提供給CAD系統(tǒng)。

4．5HCI（人機(jī)交互）技術(shù)

HCI技術(shù)在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用發(fā)展中越來越受到人們的重視。人擅長(zhǎng)于用形象思維、回憶聯(lián)想、發(fā)明和創(chuàng)造等對(duì)客觀世界中的不確定、不完備甚至矛盾的事物和知識(shí)進(jìn)行推理、分析、判斷和理解。計(jì)算機(jī)則擅長(zhǎng)于確定性、重復(fù)性、機(jī)械性的數(shù)據(jù)處理。在IBDS中，應(yīng)充分發(fā)揮人和計(jì)算機(jī)的各自優(yōu)點(diǎn)，把繁瑣和費(fèi)時(shí)的數(shù)值性的設(shè)計(jì)計(jì)算交給計(jì)算機(jī)完成，讓工程師有充分的時(shí)間做方案選擇等關(guān)鍵的決策工作。友好的用戶界面和人機(jī)交互方式才能讓建筑設(shè)計(jì)工程師喜歡IBDS，在實(shí)際設(shè)計(jì)中自覺使用它。

4．6計(jì)算可視化技術(shù)

可視化技術(shù)從80年展起來，已被廣泛應(yīng)用于CFD等科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域。科學(xué)計(jì)算的核心問題是計(jì)算模型，包括其理論框架、基本概念、幾何描述、計(jì)算方法和過程等。在建筑設(shè)計(jì)過程中需要做許多計(jì)算，如何采用圖形、圖象、動(dòng)畫等方式，在計(jì)算開始時(shí)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，計(jì)算過程中以某種直觀形象的方式表現(xiàn)，計(jì)算完成后以容易理解和使用的形式表達(dá)結(jié)果，等等，都是視算一體化要解決的問題。眼睛是人類接受信息的最佳器官，只有把各種模擬軟件的使用過程可視化，讓用戶用眼睛去看、理解和判斷，而不是"兩眼一摸黑"地撞運(yùn)氣，才能反模擬軟件用對(duì)、用好，真正發(fā)揮它們的用處。

4．7分布式數(shù)據(jù)庫（知識(shí)庫）技術(shù)

分布式的數(shù)據(jù)庫采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的不同計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)建筑設(shè)計(jì)有關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、工程圖紙、設(shè)備產(chǎn)品手冊(cè)等數(shù)據(jù)和資料、使設(shè)計(jì)院、管理單位、廠家、甲方等建筑業(yè)有關(guān)單位的人員可以共享信息，提高信息利用的效率。

4．8OO（面向?qū)ο螅┘夹g(shù)

OO技術(shù)是現(xiàn)代軟件工程技術(shù)的關(guān)鍵所在，它可以使對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的描述更接近客觀自然，是IBDS系統(tǒng)的保證之一。OO中的抽象、封裝、繼承等機(jī)制可對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化、分解和解耦，有助于復(fù)雜系統(tǒng)的描述。OO已被廣泛地應(yīng)用于上述的MIS、HCI、CIM、可視化、數(shù)據(jù)庫、AI等領(lǐng)域。以O(shè)O為基礎(chǔ)的C++語言是開發(fā)IBDS的良好工具。

4．9多媒體技術(shù)

多媒體技術(shù)就是用圖形、圖象、動(dòng)畫、聲音、文字等人類容易理解和接受的方式存儲(chǔ)各種信息。多媒體技術(shù)在IBDS中的應(yīng)用將是必不可少的。

4．10協(xié)同工程技術(shù)

協(xié)同工程是一種系統(tǒng)化的方法，用來支持建筑設(shè)計(jì)的集成化的協(xié)同作業(yè)，也就是不同專業(yè)或同專業(yè)的不同工程師同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如建筑底圖由不同的建筑師分工畫不同的部分，在計(jì)算機(jī)里實(shí)際是在同一圖形上加工，完成后的圖紙傳送設(shè)備、結(jié)構(gòu)、電氣等專業(yè)這樣不僅可以避免工程師重畫圖紙，而且當(dāng)某一工程師改變圖紙時(shí)，能自動(dòng)及時(shí)反映到其它專業(yè)的系統(tǒng)圖上，從而解決不同專業(yè)之間的"打架"問題，方便互提資料、會(huì)簽等。

除以上討論的幾種技術(shù)外，還有許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)可應(yīng)用IBDS中，如MIS（管理信息系統(tǒng)）技術(shù)、TQC（全面質(zhì)量控制）技術(shù)[12]等。合理運(yùn)用所有這些技術(shù)才能充分發(fā)揮IBDS的功能保證IBDS成功。

5IBDS的現(xiàn)狀和展望

IBDS的概念是在約10年前提出的[13]，而真正開始組織開發(fā)則是最近6～8年間的事。但I(xiàn)BDS的發(fā)展卻異常引人注目，1991年6月在美國(guó)召開了第一屆集成化建筑環(huán)境會(huì)議，即有近300篇論文，幾百人參加（包括韓國(guó)、臺(tái)灣的學(xué)者）。迄今已召開了四屆會(huì)議，有關(guān)的研究討論越來越深入[14～17]。1988年美國(guó)能源部投資3000萬美元開始AEDOT系統(tǒng)的開發(fā)，目前已研制出示范系統(tǒng)，并開始進(jìn)一步向?qū)嵱眯园l(fā)展。歐洲十來個(gè)國(guó)家的有關(guān)研究單位聯(lián)合開發(fā)COMBINE系統(tǒng)。該項(xiàng)目歷時(shí)五年，投資已超過1000萬歐洲貨幣單位，在1995年6月已完成概念研究和原型示范系統(tǒng)。1990年EIAAnnex21SubtaskD"DesignSupportEnvironment"開始，加拿大、德國(guó)、英國(guó)、瑞士等國(guó)專家就集成化建筑設(shè)計(jì)環(huán)境的開發(fā)狀況做調(diào)查和分析。開始于1995年9月的IEAAnnex30"BringingsimulationtoApplication"又是一個(gè)新的國(guó)際合作項(xiàng)目，它的目的也是研究如何把模擬軟件通過IBDS應(yīng)用于實(shí)際建筑設(shè)計(jì)工程中。到目前為止，IBDS還處在研究和開發(fā)階段，世界上還沒有一個(gè)供實(shí)用的IBDS。

我國(guó)建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用CAD從80年代中期開始，真正進(jìn)入實(shí)用階段是1991年年底之后。在全國(guó)大約9000家從事建筑設(shè)計(jì)的單位中，甲級(jí)院都裝備比較好的CAD系統(tǒng)，并且近年來微機(jī)數(shù)量增加很快（1992年增加8000臺(tái)，1993年增加31000臺(tái)）。在具備計(jì)算機(jī)硬件的同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些公司和研究單位推出實(shí)用性的建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、暖通空調(diào)、電氣和工程概預(yù)算的CAD軟件。但是，目前設(shè)計(jì)單位中不同的專業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)水平差別較大[18]，而且大部分CAD軟件只是用計(jì)算機(jī)代替圖板和丁字尺繪圖，沒有把繪圖和計(jì)算集成到一起。在數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用較多的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。可喜的是，最近國(guó)內(nèi)一些研究單位開始IBDS的研究探討[18]。與國(guó)外的開發(fā)研究狀況相比，我們認(rèn)為國(guó)內(nèi)此領(lǐng)域的工作尚需在長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和相互協(xié)作等方面得到重視和加強(qiáng)。

計(jì)算機(jī)集成化制造系統(tǒng)CIMS是國(guó)家863重大項(xiàng)目，十幾個(gè)單位聯(lián)合攻關(guān)。IBDS在國(guó)外與CIMS的重要性相當(dāng)，它可以解決建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試及運(yùn)行中的一系列問題，從而提高設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量、降低成本、提高效率。因此，是否應(yīng)該將IBDS作為重點(diǎn)目標(biāo)，做好長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，一步步為之努力，而不僅是在目前的CAD系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添添改改，滿足當(dāng)前的市場(chǎng)需求。80年代初各部門即研究開發(fā)暖通空調(diào)模擬軟件，十多年后，除個(gè)別軟件廣泛使用外，大多數(shù)使用者卻轉(zhuǎn)向國(guó)外一些著名的模擬計(jì)算軟件。如果我們按照目前的狀況發(fā)展，會(huì)不會(huì)十年后發(fā)生類似的現(xiàn)象，即國(guó)外成套的成熟的集成化環(huán)境進(jìn)入我國(guó)而將我們的取而代之？現(xiàn)在可能是需要整體考慮、長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的時(shí)候了。

IBDS涉及范圍廣，工程浩大，很難由一個(gè)單位獨(dú)立完成，必須聯(lián)合協(xié)作。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，又無國(guó)家財(cái)政支持，如何進(jìn)行聯(lián)合協(xié)作？又如何能與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)？聯(lián)合與協(xié)作不是分工編軟件，而是通過不斷交流，進(jìn)行概念研究和標(biāo)準(zhǔn)制定，這方面的工作量遠(yuǎn)比具體編程大，必須通過合作交流來完成，而合作的結(jié)果會(huì)使參加各方均受益。能否在國(guó)家的支持下，由學(xué)會(huì)組織，有關(guān)設(shè)計(jì)和研究單位合作，在聯(lián)合開發(fā)我國(guó)的IBDS呢？

IBDS是一個(gè)完美的計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)，雖然它的實(shí)施尚有一段不短的路要走，但是它的哲理、思想和方法無疑是正確而深刻的。IBDS的實(shí)施將大大提高建筑設(shè)計(jì)的水平，推動(dòng)建筑業(yè)的發(fā)展，并且創(chuàng)造一種嶄新的設(shè)計(jì)文化。

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