集成化建筑设计系统

   
    Integrated building design system

    1 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。（参考《建筑中文网》）
   
    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。
   
    2.2 CAD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。