集成化建筑设计系统.docx
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集成化建筑设计系统
集成化建筑设计系统
Integratedbuildingdesignsystem提要
集成化建筑设计系统（IntegratedBuildingDesignSystem,IBDS）是当今计算机辅助建筑设计领域的一个十分活跃的课题。
近年来，IBDS有较大发展，并逐渐引起学术界和工业界的重视。
本文分析IBDS的背景，介绍IBDS的概念，讨论IBDS的相关技术，最后综述IBDS的状况。
关键词：
建筑计算机辅助设计暖通空调集成化建筑系统产品数据交换标准
Abstract
Beinganactivetopicinthefieldofcomputeraidedbuildingdesign,IBDS（IntegratedBuildingDesignSystem）hasmadegreatprogressandattractedmoreandmoreattentionofacademicandindustrialcirclestheseyears.ThispaperintroducesthebackgroundandtheconceptofIBDS,discussesandreviewsitsrelatedtechnologyanddevelopment.
Keywords：
buildingCADHVACIBDSSTEP1前言
随着计算机辅助设计技术的发展普及，近年来，国内外在计算机建筑设计包括模拟计算、图纸绘制和资料管理等方面的研究和开发有了较大进展，同时也暴露出一系列问题。
由于社会发展对建筑设计的效率和质量要求的不断提高，近十年来逐渐提出（集成化建筑设计系统）（IBDS）的概念，世界各国相应投入大量人力和财力从事此方面的研究开发工作，并开始产生一些中应用于实践的成果。
本文综述IBDS的研究和发展状况。
2提出IBDS的背景
集成化建筑设计系统的由来出于如下四方面原因：
2．1模拟分析软件的可应用性
从70年代初起，采用模拟分析方法计算建筑物结构负荷、预测建筑物热环境特性、分析供热空调系统工作状态等方面的研究开发工作已广泛开展，到目前似乎已相当成熟。
但这些模拟分析方法在实际设计中应用的却很少。
据近年在北美、西欧[1～3]的调查，建筑设计中使用计算机做计算的在50%以上，但所用软件多数是根据设计手册上的比较粗略的算法编制而成的，其功能仅代替手算，在一定程序上提高了设计效率，但并不能提高设计质量。
在设计中真正使用模拟分析软件的不足20%。
对一些设计公司的调查表明，虽然他们购买了一些大型模拟分析软件，但往往不是为了在设计中使用，而是为了向客户显示实力，争取市场。
20多年来模拟分析方法的研究与相应软件的开发表明，模拟分析软件的应用对建筑设计是很重要的[4]，它们可以准确预测系统特性，从而提高系统性能，降低运行能耗。
但是为什么很难付诸实际应用？
调查结果表明，除商业性原因外，尚有如下技术原因：
①使用困难。
为做一次模拟分析，需准备和输入大量的数，这是一件枯燥而耗时的工作。
在设计过程中要分析不同的问题，往往需要使用不同软件，这些软件间尽管所需要的数据有许多是相同的，但所要求的格式不同，又要重复输入。
为了得到一点结果，人要围着机器转，设计人员不到万不得已时，不会这样做。
②结果不可信。
曾请三十余名自认为有模拟分析经验的工程师对同一建筑用同一程序做能耗分析，所得结果的最大与最小差别竟在一倍以上[5]，类似的实验曾做过多次，结果均是同样的现象发生[6]。
由此使人产生怀疑，甚至得出悲观的想法[7]。
究其原因，发现模拟分析是一完整过程，要获得正确的答案，不仅与所用软件有关，还与使用软件的全过程有重要关系[8]。
一座建筑物很复杂，只能选其一部分并在简化后做模拟分析，而不同的选择与不同的简化，结果就会相差很大。
模拟软件一般都要求输入许多设计人员很难确定的系数，如房间换气次数、窗帘遮阳系数、室内发热量等，这些系数的取值很不同，导致结果偏差很大。
再就是初始条件和边界条件的选取也存在很大影响。
面对一个软件，设计人员很难对这些选择做出正确的决策，而不同的决策又有结果大相径庭。
由此，当模拟计算结果与经验估计出的结果或手册法结果相差悬殊时，该信哪一个？
设计人员最终又选择了经验数据或手册法。
当计算模型越复杂时，要求输入的数据就越多，输入数据的不确定度也就越大，从而导致结果的不确定度越大。
③特殊问题不能解。
当被分析系统复杂或特殊时，由于计算软件的通用性不够，往往又不能分析计算。
例如采用蓄冷水池的空调系统或蓄冰系统，一般常见的分析软件就无能为力。
即使简单地对系统做模拟分析，要根据软件中所确定的设备模型形式去输入设备性能参数，如果设备厂家提供的性能参数的形式与软件中的设备模型不同，用户就无所适从。
结果是：
"凭经验能估计出的结果，计算机大概也能算出，可是还要输入大量数据，结果也不一定比估出的可靠。
碰见新东西估算不了，计算机也算不了。
这样，要计算机何用？
"这大概是模拟分析技术不能在建筑设计中广泛应用的主要原因。
2．2CAD技术的迫切要求
尽管模拟分析技术迟迟不能广泛应用，计算机辅助设计（CAD）技术却后来居上，在近十年内飞速发展起来。
目前在欧美发达国家，建筑、空调系统设计使用计算机绘图已在70%以上。
据报导国内设计院中计算机绘图也占到50%以上。
这是由于CAD技术顺乎潮流，提高劳动生产率，直接产生经济效益。
然而，随之而来的问题就是：
如何将计算机绘图与计算机分析计算相结合？
CAD应用是利用计算机辅助完成包括资料检索（查样本、手册、工程图纸等）、设计计算、图纸绘制等在内的设计全过程，而不是仅作为一个绘图工具。
计算机图形输入与处理技术很快就使人们认识到，它不应仅是为了绘图而输入图形，而是用户向计算机输入所要研究的系统的最理想的手段。
根据所输入的图形获取系统信息，从而进行分析计算，可以在很大程度上解决上述数据输入困难，准备数据工作量大的问题。
目前已有很成功的软件用于建筑学设计中，代替以往的建筑模型，通过CAD技术可以从各个角度向人们显示建筑物的外部及内部的视觉形象。
结构设计亦已可以从图形输入开始，直接进行各种力学计算。
国内近几年已开发出供暖设计CAD软件，可直接在建筑图的基础上索取建筑物信息，做简单的供暖负荷计算，然后自动完成热水供暖设计计算，并得到管网设计图纸及材料表，这些都是极好的尝试。
CAD技术的推广，使设计部门已在很大程度上具备了必要的硬件和软件条件。
随之而来的最迫切的问题就是：
如何充分利用这些硬件和软件资源，如何充分利用已通过CAD输入到计算机中的设计图形信息，与现有的模拟分析技术相结合，真正解决建筑设计中的问题，提高设计质量呢？
2．3信息处理技术发展的需要
计算机技术发展的重要之一就是信息处理技术。
这主要表现在两方面：
一是数据存储技术，二是数据传输技术
近十年来，数据存储媒介从几百kB的软盘，发展到目前已初露头角的存储量为上千MB，而大小相当于一张普通软盘的光盘。
目前已有操作读光盘，每张成本（不包括信息价值）仅一两美元，便可储存泰晤士报全年几万个版面的全部内容。
预计在本世纪内可读写光盘也将以很低价格出现。
这样，大量的产品样本、设计手册、设计规范等资料，就应该以光盘或其他电子方式储存，并以各种极方便的方式检索、查询。
但是，这些以电子形式储存的资料和信息不应仅像书本手册那样供查询用。
我们在设计、绘图、计算中使用这些样本、手册中的数字和规则的真正的意义在于，这些存储的信息能够被计算机"理解"和直接使用。
例如，做一台表冷器的选择计算时，如果计算机能从光盘上检索到有关表冷器的资料，直接取出有关数据，而不是由使用者读出再重新输入，计算机就有可能对储存于光盘内所有有关的表冷器做一遍分析计算，找到最适宜的型号。
这样，将使设计与模拟分析过程产生质的飞跃。
但是，怎样才能使所存储的信息被计算机"理解"和真正使用？
如果仅是以书本上的形式储存，计算机就不可能理解。
必须采用一种数据结构去存储这些信息，信息的产生来源于各处，例如各设备厂家或标准制定单位。
产生出的数据库也要被各种计算机分析软件查找和使用。
信息被利用的次数越多，花费同样成本输入此信息所产生的效益就越高，因此制定标准的通用数据结构就成为非常重要的事。
数据传输技术的飞速发展所提出的也是数据标准化问题。
目前世界各国都积极开展信息高速通讯基础的开发与建设。
美国近年要在全国实现"信息高速公路"，这类系统的建成将使全球范围内任两点间的信息查询与传输如同打电话一样方便。
这样，将来的设计图纸、技术要求、设备性能等技术文件将以EDI（电子数据交换）的方式传输，则这些信息被计算机接收后，能否被"理解"和直接使用也成为重要问题。
可见，问题的关键仍在于数据结构标准化。
2．4CIM哲理
CIM的概念最初是由美国的JosephHarrington在1974年提出，1981年开始被广泛接受，并被认为是信息时代的工厂自动化模式。
但从当今的应用情况看，CIM远远超出机器制造业的范围，它是一种组织、管理生产的哲理、思想和方法。
CIM是一种综合自动化系统，它在新的管理模式与制造工艺的指导下，综合应用系统技术、信息技术、自动化技术，通过计算机及其支撑软件，把孤立的、局部的自动化技术，子系统及企业员工，灵活而有机地综合起来，构成一个完整的系统，对生产过程的物质流、管理过程的信息流、决策过程的决策流进行有效的管理与控制，以适应新的竞争模式下的市场对生产过程提出的高质量、高速度和高灵活性的要求。
设计院可以看成生产思想产品（各种设计文件和图纸）的部件，一个设计项目相当于一项订货，设计过程（加工过程）是由许多不同专业的人经过若干设计阶段通力合作完成的，需要各专业按计划有条不紊地互提资料，互相会签，最后由成品档案室验收、归档，并向甲方提交全套设计文件和图纸。
其间各专业内部尚需分工和遵循严格的质量保证程序。
建筑的招标、设计、施工、高度和运行管理的整个生命周期，完全可以借鉴CIM的思想方法，采用CIM的核心技术--集成技术，把建筑、结构、设备（暖通空调和给排水）、电气、室内设计和概预算等专业，集成于统一的计算机平台，充分共享有关数据和资源，解决建设各专业之间存在的"错、漏、碰、缺"等问题，真正实现建筑设计整个过程的全计算机化（无纸设计）。
3IBDS的概念
如上所述，设计院目前面临着拥有先进的计算机硬件和软件技术与实际上不能充分利用这些技术来产生效益的矛盾。
问题主要在于各种应用软件的分散性，数据不通用，难以互换，以及对各种计算分析过程没有或无法自动给出正确的指导。
为了解决这一问题，与飞速发展的计算机技术适应，集成化建筑设计系统IBDS的概念应运而生，并且在近十年内迅速发展。
IBDS的核心就是将以往分散的各功能软件如绘图用CAD、计算模拟程序、数据库管理等结合在一起。
通过通用的数据结构和数据转换工具，使这些功能软件能互用各自的各种资源，全面地完成设计、分析、计算任务。
IBDS应该提供建筑设计各专业工程师从方案选择、初步设计、分析计算到施工图绘制的全过程。
人们希望有了设计人员的知识、经验及设想后，通过IBDS用计算机进行分析、计算、比较、判断等，不仅将方案形象地表现出来，而且将量化的结果输出，工程师再依据它去修改方案，重新设计。
因此，IBDS必须采用开放性的体系结构，把设计院的"人和资料"集成在一起，具体表现在：
●不同专业的数据模型的集成
建立各专业通用的标准化的中央建筑数据库。
该数据库把建筑设计涉及的建筑、结构、设备、电气、室内设计和概预算等专业所用的数据模型统一起来，集成在一起，保证各专业所用建筑信息的一致性。
建筑师画的建筑各层平面图、剖面图、立面图等，可以作为建筑底图，传给其它专业。
其它专业的工程师可以在该建筑底图的基础上，对有关信息进行修改、重新定义以及添加专业的特定数据，然后进行各专业的有关设计计算。
例如，设备专业工程师可以计算建筑物的空调供暖负荷，在建筑底图上布置空调供暖管道，进行水力、热力计算分析等；结构专业工程师可以进行各种受力构件的设计计算分析。
一旦建筑师改变建筑物的平面、空间布置，会直接反映在各专业的建筑底图上，从而避免其它专业的"冤枉"劳动。
●不同设计阶段所使用的模拟软件的集成
建筑设计在不同阶段需要用到性质不同，细致程度不同的模拟软件，IBDS应充分考虑建筑设计在方案选择、初步设计和施工图设计等不同阶段使用不同模拟软件对输入数据模型要求的一致性和相关性，尽量保证前一阶段的计算结果和数据可应用于后续阶段的设计计算，减少数据的重复输入和不一致性。
●设计资源的集成
把建筑设计有关的设计手册、标准法规、工程图纸、设备产品手册等数据和资料以数据库、知识库等方式集成存储在计算机网络上，以便设计人员查询和使用。
可见，集成化的中央建筑数据库IDM是IBDS的核心。
IBDS的体系结构如下图所示。
各专业CAD系统通过IDM进行数据集成和通讯。
HBDS的体系结构示意图
IBDS的特点除了集成化、标准化和网络化之外，还有一个很重要的特点：
智能化，即采用KBS（基于知识的系统）来组织和指导建筑设计过程中模拟软件的使用全过程，这样才能正确发挥计算工具的功能。
1989年国外一些学者开始提出PAM（PerformanceAssessmentMethod）的概念[9]。
PAM是解决模拟软件"结果不可信"问题的一个重要途径。
PAM指出，要保证用程序做模拟分析能给出正确结果，必须正确指导和严格管理模拟分析这一全过程。
这包括：
●对所分析的对象进行正确的简化。
例如，从多层多房间的建筑中取出有代表性的一部分做分析计算，复杂水网的简化；
●对每个物理过程选取正确的物理模型来近似。
例如一空调设备，采用动态模型还是静态模型？
集总参数还是分布参数？
是否考虑墙内表面长波辐射？
对流换热系数取常数还是作为温度及风速的函数？
透过窗的太阳辐射在各内表面的分析：
●一些不确定的输入参数的选取，如房间换气次数，人员设备必热量，气象参数的确定，窗的开闭，遮阳等；
●系统控制的确定。
例如应按照房间为定温去计算热量还是计算定热量下的温度或其它某处控制下的温度和热量变化？
如何考虑空调系统的控制和人的操作调整？
●模拟计算过程的控制。
例如初始影响的消除，计算时间步长，边界输入参数的离散方法，总的模拟计算段的长度与时间的确定等；
●输出结果的处理。
如何根据模拟计算结果对所研究的问题作出结论。
以上诸条的正确条件并非固定，而是与所研究的对象的性质及所要解决的问题有关。
例如为计算冬季供暖负荷，可以用稳定的KFΔt模型，而要计算夏季空调负荷，就要使用动态模型。
再例如验证建筑物表面结露的可能性时，需考虑全部外墙的传热；而论证是否要装社会空调，夏季房间是否过热则需取可能是最热的一间或几间朝西或朝南的房间进行计算。
目前可以列举出十几种不同的对建筑和空调系统进行模拟分析的目的，对于每一目的，上述各问题的恰当选择都可能不同。
所有这些问题，落实为具体的模拟计算过程，就成为如下四个问题：
①模拟计算程序的选取
②实际建筑和空调系统的再加工（简化）
③输入数据的确定和输入文件的生成
④模拟计算结果的后处理
国际能源组织（IEA）组织十余个国家合作，就各种不同的目的和使用不同程序如何进行上述第②③④步工作进行了研究，形成了一大批PAM手册。
实验结果表明，让程序使用者按照这些手册去一步步做，可显著提高模拟计算工作的正确性和结果的可信赖性[10]。
将这类手册转换为计算机可以理解的形式作为知识库存储于集成化环境中，再开发出可按照这些知识自动进行数据分析加工的专家系统，就可以使这一使用过程自动完成，只要使用者提出要解决的问题，专家系统即可能选取适宜的程序，生成相应的数据文件，运行模拟分析程序，最终向使用者显示由结果分析得出的结论。
与传统的CAD软件相比，IBDS不再是以计算程序为中心，使用者围绕着计算程序准备数据，运行程序，检查结果。
集成化环境使使用者成为中心，将各种绘图、计算、数据资料准备好，随时供使用者在设计分析中使用。
使用者可以充分发挥自己的分析和创造能力，利用CAD系统去设计、分析各种系统，而将一切重复和琐碎的工作交给计算机去完成。
集成化设计环境的指导思想就是，使用者应是计算机的主人，而不是奴隶；计算机的应用应最大范围地开发人的创造力，为人提供进行创造性思维的场所，而不是把人变为机械式工具。
4实施IBDS技术
4．1革新CIM（集成）技术
正象计算机集成制造系统CIMS一样，集成也是IBDS的信心技术。
IBDS系统采用STEP标准化的建筑数据库，把建筑设计各专业的数据模型集成起来，把设计的不同阶段集成起来，把各种设计用的模拟软件集成起来，把各种信息资源集成起来。
总之，IBDS依赖集成技术把建筑设计院的两大法宝"人和资料"有机地统一起来，保证设计过程中信息共享和传输的计算机化。
4．2STEP（产品数据交换标准）技术
STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）是国际标准化组织ISOTC184正在制订的标准ISOCD10303。
STEP采用一种中性文件机制，是CAD/CAM数据交换的标准[11]。
它规定了产品设计、开发、制造以至于产品全部生命周期中，包括产品形状，解析模型、材料加工方法、组装分解顺序、管理数据等方面的必要信息定义和数据交换的外部描述。
现在普遍认为STEP将成为全世界公认的唯一CAD数据交换标准。
STEP包括两部分内容，一是数据模型的定义，它采用EXPRESS数据定义语言来写成。
这种语言可以准确定义所描述对象的数据模型，小到单个简单的汽车零件，大到一档复杂的建筑物。
STEP的另一部分就是具体的数据文件的表述方式，它是由任意词条构成，每一条的形成都遵守数据模型中的定义。
这样，只要理解了数据模型，就能读懂根据此数据模型按照STEP方式写出的任何数据文件。
如果制定出统一的数据模型，使大家都按照这一模型去描绘所研究的对象，所生成的数据文件就很容易交换，通过一些转换工具可以很容易地将其转换为各种软件内部特定的数据文件。
由于STEP在描述数据模型和易于交换数据方面的突出优点，它很快被工业界和标准化组织采用，作为定义数据标准的工具和交换数据的方法。
集成化的建筑工程数据库应该采用STEP技术，把各专业的图纸、数据库、产品设备等标准化，以便不同CAD系统之间、不同专业之间、不同模拟软件之间、设计院与甲方和厂家之间，能够自由而方便地相互传递和交换信息。
STEP标准化是IBDS集成化的前提和保证，它可以避免CAD计算分析软件开发方面的大量重复性劳动，与此数据标准兼容的软件均可以交换使用，从而使各部门有可能分工协作，共同开发我国的集成化环境。
IBDS的每一块功能软件均可以独立在市场上出售，被其它符合此标准的软件所使用，这将使软件研制开发者直接受益。
4．3AI（人工智能）技术
目前的CAD系统已能较成功地应用于绘图和设计计算，但用于方案设计的却很少。
其实方案设计在很大程度上决定了投标的快速反应能力。
IBDS系统采用AI技术，把工程师的设计经验、规则、思维活动等模糊、随机、不完备的知识，通过一定的结构来组织和表达，让计算机能够理解、推理和判断，辅助工程师进行方案选择。
AI技术中比较成熟的是专家系统，特别是DSS（决策支持系统）。
可见IBDS的智能性体现在各专业设计型专家系统应用的好坏。
4．4计算机网络技术
IBDS的实施应以计算机网络为物质基础，特别是基于光纤和卫星的全球范围的快速ISDN网络。
通过计算机网络可以共享建筑设计的有关数据库、知识库等软件资源和打印机、绘图仪等硬件资源，传输有关设计资料和文档，允许位于不同地点的设计工程师同时参与一个建筑的设计。
同时还可使设备生产厂家能将产品信息直接提供给CAD系统。
4．5HCI（人机交互）技术
HCI技术在计算机的应用发展中越来越受到人们的重视。
人擅长于用形象思维、回忆联想、发明和创造等对客观世界中的不确定、不完备甚至矛盾的事物和知识进行推理、分析、判断和理解。
计算机则擅长于确定性、重复性、机械性的数据处理。
在IBDS中，应充分发挥人和计算机的各自优点，把繁琐和费时的数值性的设计计算交给计算机完成，让工程师有充分的时间做方案选择等关键的决策工作。
友好的用户界面和人机交互方式才能让建筑设计工程师喜欢IBDS，在实际设计中自觉使用它。
4．6计算可视化技术
可视化技术从80年代发展起来，已被广泛应用于CFD等科学计算领域。
科学计算的核心问题是计算模型，包括其理论框架、基本概念、几何描述、计算方法和过程等。
在建筑设计过程中需要做许多计算，如何采用图形、图象、动画等方式，在计算开始时准备数据，计算过程中以某种直观形象的方式表现，计算完成后以容易理解和使用的形式表达结果，等等，都是视算一体化要解决的问题。
眼睛是人类接受信息的最佳器官，只有把各种模拟软件的使用过程可视化，让用户用眼睛去看、理解和判断，而不是"两眼一摸黑"地撞运气，才能反模拟软件用对、用好，真正发挥它们的用处。
4．7分布式数据库（知识库）技术
分布式的数据库采用计算机网络上的不同计算机存储建筑设计有关的设计手册、标准法规、工程图纸、设备产品手册等数据和资料、使设计院、管理单位、厂家、甲方等建筑业有关单位的人员可以共享信息，提高信息利用的效率。
4．8OO（面向对象）技术
OO技术是现代软件工程技术的关键所在，它可以使对现实世界的描述更接近客观自然，是IBDS系统的保证之一。
OO中的抽象、封装、继承等机制可对复杂系统进行简化、分解和解耦，有助于复杂系统的描述。
OO已被广泛地应用于上述的MIS、HCI、CIM、可视化、数据库、AI等领域。
以OO为基础的C++语言是开发IBDS的良好工具。
4．9多媒体技术
多媒体技术就是用图形、图象、动画、声音、文字等人类容易理解和接受的方式存储各种信息。
多媒体技术在IBDS中的应用将是必不可少的。
4．10协同工程技术
协同工程是一种系统化的方法，用来支持建筑设计的集成化的协同作业，也就是不同专业或同专业的不同工程师同时进行设计。
如建筑底图由不同的建筑师分工画不同的部分，在计算机里实际是在同一图形上加工，完成后的图纸传送设备、结构、电气等专业这样不仅可以避免工程师重画图纸，而且当某一工程师改变图纸时，能自动及时反映到其它专业的系统图上，从而解决不同专业之间的"打架"问题，方便互提资料、会签等。
除以上讨论的几种技术外，还有许多现代科学技术可应用IBDS中，如MIS（管理信息系统）技术、TQC（全面质量控制）技术[12]等。
合理运用所有这些技术才能充分发挥IBDS的功能保证IBDS成功。
5IBDS的现状和展望
IBDS的概念是在约10年前提出的[13]，而真正开始组织开发则是最近6～8年间的事。
但IBDS的发展却异常引人注目，1991年6月在美国召开了第一届集成化建筑环境会议，即有近300篇论文，几百人参加（包括韩国、台湾的学者）。
迄今已召开了四届会议，有关的研究讨论越来越深入[14～17]。
1988年美国能源部投资3000万美元开始AEDOT系统的开发，目前已研制出示范系统，并开始进一步向实用性发展。
欧洲十来个国家的有关研究单位联合开发COMBINE系统。
该项目历时五年，投资已超过1000万欧洲货币单位，在1995年6月已完成概念研究和原型示范系统。
1990年EIAAnnex21SubtaskD"DesignSupportEnvironment"开始，加拿大、德国、英国、瑞士等国专家就集成化建筑设计环境的开发状况做调查和分析。
开始于1995年9月的IEAAnnex30"Bringin
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