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数字化思维的设计管理探索与实践

摘要:数字化时代的当下,赋予了传统设计与工程建设领域一次重大机遇。在以建筑信息模型为代表的数字化理念与技术支撑下,设计创作、跨域协同、组织管控等方面都在朝着精细化、集成化、有序化的方向融合与重塑,全方位地呼应和回馈数字化浪潮下市场的需求、客户的诉求、项目的要求。本文以上海张江科学城未来公园(艺术馆)项目为例,探索基于构件要素的全过程设计与管理方法,力求在以品控为导向的设计及其管理中实现融合创新。

关键词:BIM;全过程设计管理;数字化思维;精细化

设计近年,建筑行业转型战略方针层出不穷,发展态势如火如荼。十四五规划对建筑行业转型升级要求迫切程度更是迫在眉睫,行业内纷纷呼吁“互联网+”形势下的新管理——基于大数据、人工智能、BIM、物联网等技术的建筑行业新方向。数字化时代的当下,赋予了传统设计与工程建设领域一次重大机遇。在以建筑信息模型为代表的数字化理念与技术支撑下,设计创作、跨域协同、组织管控等方面都在朝着精细化、集成化、有序化的方向融合与重塑,信息化和工业化深度融合可能是建筑产业新升级的必然途径。笔者所在的设计团队,多年深耕于建筑设计项目中数字化技术的实践与应用。本文以上海张江科学城未来公园(艺术馆)项目为实践案例,详细阐述基于全过程设计管理主导下数字化技术的集成应用,探索基于构件要素的全过程设计与管理方法,力求在以品控为导向的设计及其管理中实现融合创新。

1工程概况

基地位于上海市张江高新科技园区内,罗山路以东,川杨河以南,外环线(环东二大道)以西,华夏中路以北。项目总建筑面积约为4.29hm2,总建筑面积约为5300m2,建筑高度为10.81m。项目东侧紧邻的张江人工智能岛,是上海市唯一的“AI+”园区。其作为张江发展人工智能产业的重要空间载体,已集聚了IBM、英飞凌、微软、AdaHealth等跨国企业巨头。公园内五个独立的室内场景建筑作为主体展览空间,通过一个半室外的环廊串联起来,围绕出一个向心式的中心广场,作为室外科技展场。原创建筑师的设计主旨是营造出一种超出常人的浸入式体验效果。参观者仿佛置身于科幻电影之中,开启奇妙的未来之旅。[1]项目已于2019年10月顺利竣工,现已对外开放(图1)。

2挑战:有限周期下的品控导向

本项目虽然规模不大,但是一直受到政府主管部门与社会各界的广泛关注,主管部门、建设单位、设计团队从不同的角度都对项目的品质有着极高的要求。其中,从设计到竣工的整个建设周期仅有四个月。面对如此紧凑的建设周期,虽然考虑了装配式、标准化平行施工等因素,但如何确保项目原创方案的高品质完成,设计精细化表达、专业间集成有效、后续施工的可建造性成为设计团队需要全过程持续关注的重中之重。在项目组织策划伊始,本着顺应工程、聚焦重点、确保落地的本源出发,基于构件要素完成了全专业、全过程、全参与方精细化设计管理与进度控制方略的组织策划(图2)。

3回归:精细化设计主导下的数字化应用

从技术层面看,无论是非线性设计的造型优化与把控,还是原创方案还原度对设计细节的追求,以建筑信息模型为载体的设计过程深入演进本身就是凝聚各专业、各参与方的创作思维、设计智慧、技术经验的精细化呈现。3.1非线性造型方案优化。基于具备可视化优势的建筑信息模型,建筑师对幕墙外百叶设计方案从美观性、可建造性、通风效果等方面进行多轮综合比选,同时利用参数化、可视化编程技术,在对幕墙外百叶的优化设计中,智能分析造型的曲率与设备通风的效率关系,实现了基于BIM数字化信息为导向的幕墙方案最终决策(图3)。占据场地视觉中心的“V”柱,在整个项目周期中一直是困扰各参与方的难点及重点。其正对公园入口的地理位置特殊性决定了它的重要性。除了主视觉的景观效果,“V”柱是支撑通廊结构受力的双曲钢构件,加工的难度、造价和实现后的质量控制难度都很大,尤其是双曲造型导致超长的加工周期。在紧张的设计施工周期里,建筑师、结构工程师及钢结构深化设计团队、施工单位始终围绕信息化模型开展“V”柱优化工作,包括将双曲钢构优化至单曲形式,同时进一步将非线性设计信息转译为二维图纸的表达形式,以尽量少的相切弧线将“V”柱的定位通过二维图纸进行描述,极大提升了可实现性(图4)。整个过程确保和实现了对原创方案中造型、空间、细部的准确还原,同时也是对时间周期、各方需求、效益平衡等各隐性关切因素的深入思考与决策的过程。3.2功能实现——严格把控的设计品质。为了满足展厅和功能用房严格的净高控制要求,设计团队对建筑层高控制、结构布置形式、机电管线综合进行了反复设计优化和方案比选。其中,水专业受工期时间因素的影响,采用预作用喷淋系统,但是该系统下水管不可二次翻绕,对机电管线综合也是一个很大的挑战。图5和图6综合展厅椭圆馆的三维模型剖切展示,清晰地展示了为满足使用需求的功能实现,设计过程中的难点以及BIM控制的重点要素,如地下的管沟、半室外的机房夹层、大空间展厅的净高控制等等。

4融合:集成化设计管理思维

在众多因素的驱动力下,本项目基于传统的“四要素”设计管理模式,提出了精细化、集成化的设计管理思维。为了在较短的时间周期内创造高品质的空间,完成大量非线性造型优化,同时控制成本及保证设计的落地还原度,全过程设计管理与数字化构件要素相融合的复合管理思维,主要重点聚焦在“一致性管控”“多维度决策”“投入度前置”三大策略。三大策略间相互交融,复杂且影响深远,是该工程建设实现精准落地的关键。4.1一致性管控。实际上,一致性管控的提出是从根本上解决、协调多专业、多要素之间的冲突矛盾问题。工程项目通常会被割裂出很多专项设计,但是专业之间有很多界面或要素是相互重合的,如竖井,主要是为机电管线服务的,但又同时出现在多个专项设计的图纸中。确保这些要素在所有专业里的一致性,将会在源头上消除很多设计冲突问题,为顺利施工扫平障碍。在本项目中,“基于模型构件要素”的设计管理模式始终坚持并贯彻“一个模型+先模型后图纸”的方式来控制设计质量,保证建筑立面、剖面与自身平面、结构、幕墙等多专业之间的协调性、一致性和可建造性。4.2多维度决策。在项目管理协调过程中,管理者会面对很多不同专业者、不同利益方,他们的需求和角度各不相同。在这种多维度的因素下,数字化、可视化方式的介入利于平衡及协调管理各方,以减少内部管控的被动,并及时发现、暴露隐藏的问题,帮助设计团队、项目管理者,乃至业主去主动决策。净高管理是一个典型的多维度因素决策。一般,传统净高管理的做法是靠各个专业之间的图纸叠加,比如建筑为空间提供边界,结构为空间提供梁高,水、暖、电等专业为空间提供管线路由和尺寸,它们往往通过相互的叠加和交叉,最后由室内专业提出对净高的要求。基于叠加后的图纸,设计师和管理者可能需要花费很多时间和精力去判断净高品质等问题,这种状态下是无法全面覆盖的,往往会有很多隐藏的问题在施工后期被暴露出来,最终或者牺牲净高,或者代价很大地做设计变更或施工调整。由于本项目在未来馆室内功能上的特殊展陈要求,展厅和功能用房有着严格的净高控制要求,故在方案设计初期就开始着手于与净高品控相关构件要素的控制(图9),通过数字化、可视化的手段,从多个维度——多个专业、多种协调方式、多方向解决方法,去协助设计项目管理者进行净高品控。4.3投入度前置。笔者所在项目团队基于多年的设计经验,在本项目初期预判筛选出需要在本项目中可能前置或并行的专项设计,如机电管线深化、钢结构深化及幕墙深化。而在实际的项目应用中,各项深化前置也确实缩短了设计周期,避免因施工现场返工所造成的不必要的资源浪费和造价调整(图10)。在本项目中,将机电深化前置到方案设计阶段,反向指导和干预了建筑层高和结构布置。施工图后期,室内的机电管线综合深度几乎已经达到了施工深化的要求,对后期机电安装有着重要的指导意义。除了将机电深化、钢结构深化前置到施工图初期阶段,本项目中采用模型与模型对接审核的方式,将钢结构深化与建筑、幕墙和机电多专业协调工作并行,进一步压缩了时间进度。幕墙的方案优化一直全过程地配合原创团队的精细化推敲完善,优化调整贯彻整个方案确立过程。也正因幕墙专业深化的前置,模型也实时地为精细化造价的管控提供支撑。

5重塑:基于构件要素的设计品控管理

在本项目中,建筑师通过一系列巧妙的设计手法,如采用参数化生成的渐变荧光石点阵、无装饰、无台阶、消失的参照物、隐藏的接缝、模糊的尺度、变换的光影,营造出室内外模糊的氛围,以及失真的、科幻的、未来的场景。[1]而基于“数字化构件要素”的设计管理,其实也在探究未来的设计模式、设计流程。从构成建造实体与虚拟模型的最小单位、即建筑构件这一要素出发,探索重构生产组织模式与设计流程、研发新的设计品控平台,最终形成可量化的设计管理指标,进而重塑企业与行业的精细化未来。5.1数字基础——有效构件要素。针对BIM构件要素的概念,目前已经出台的国家标准《建筑信息模型分类和编码标准》中,将建筑构件按元素划分为480多种。从技术层面上看,这是目前较为成熟的、最精细化的分类标准。[2]在国家标准基础上,基于笔者所在团队多年的设计管理经验,尤其是通过BIM开展的设计管理项目总结,从项目管理的角度,对400多个元素构件行二次梳理,初步提炼出几十类有效的、具有普适工程意义的要素类别。从工程维度(时间、深度、应用方向等方面)给它们赋予了一些具有设计管理者理解的意义,让这些构件要素成为项目管理者的着力点,从而协调团队工作,提升设计品质,顺应工程时序,加快项目进度,严格控制成本,推动业主决策实施。5.2横纵联合——重构管理组织计划。基于上文中提及的一致性把控、投入度前置、多维度的因素决策角度,对构件要素之间的关联性和原创设计项目管理的内在逻辑进行匹配研究。在不影响设计流程的情况下,纵向聚焦设计阶段BIM的各个应用要点,横向联合所有专业的参与方,将核心关注问题与设计节点紧密结合,随着初步设计,施工图完成度为30%,60%,90%,100%,每个节点严控专题协调设计问题,BIM构件要素逐步跟随图纸迭代,严控构件要素专题问题协调,确保现场得到的图纸正确而少返工,甚至无返工。5.3追溯机制——品控管理平台。对可能出现反复性、衍生性的协调问题提出多条记录的管理追溯办法,明确了设计边界和责任主体,问题记录中可以清晰地看到该由哪个专业方落实、消化问题。通过状态辨识问题是否依然存在,并逐条开展管理分类,将三类问题——未解决的问题,有解决方案还未落实图纸的问题,闭环的问题,明确地呈现给设计项目管理者。[2]管理者通过该追溯机制,可以直接落实到责任主体,使项目往更明晰的方向推进。5.4设计品质管理质量指标化。管理成果质量的指标化是项目管理科学数字化实现的难题。通过对要素之间的关联性进行研究,这些指标具备普适性、可复制性,完全可以覆盖大多数的项目需求。在不同的设计阶段,可通过基础的质量核查,以及多个维度、各个专题核查纵向聚焦在时间维度上。在本项目中,不同的阶段对应不同的专题核查(图2);横向联合各个专题参与方,也可分为幕墙专题、人防专题、总体—建筑—景观专题等。一方面,严格把控设计成果,全面提高图纸质量,保证设计品质;另一方面,也能避免繁复设计的修改工作,引导设计师更加专注于设计本身。

6结语

数字化时代赋予了传统设计与工程建设领域一次重大机遇,使设计师得以用新的思维与价值认知对设计方法与流程组织等进行回眸与再思考。同时,在数字化技术的支撑下,设计及其管理的内在界面与思维界限都在朝着精细化、集成化、有序化的方向内生、重塑,全方位地呼应和回馈数字化浪潮下市场的需求、客户的诉求、项目的要求。

参考文献

[1]谭春晖.点亮城市空间的未来设计[J].华建技术,2020(5):40-41.

[2]刘雯.基于BIM的精细化管理研究[J].绿色建筑,2020(5):80-84.

作者:刘雯 苏骏 单位:华建集团上海建筑设计研究院有限公司数字中心

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