（管理科学与工程专业论文）项目驱动下建筑产品并行设计关键技术研究.pdf

西北工业大学博士论文摘要 摘要 并行设计在制造领域已经成为一个热点和发展趋势，然而在建筑产品设计领 域内的研究才刚刚起步。将并行设计概念引入建筑产品设计领域，对支持建筑产 品开发过程的并行、过程间的协同以及建筑产品综合优化等方面有重要意义。本 文针对建筑产品设计的特点，初步建立了建筑产品并行设计集成框架：建立了建 筑产品概念设计并行模型，基于遗传算法实现了对建筑产品多目标优化；建立了 基于模糊设计结构矩阵的建筑产品设计过程的建模与仿真方法。 论文首先辨析了实现建筑产品并行设计的几个关键技术，对建筑产品并行设 计集成框架进行了探讨，初步建立了包括并行设计集成的内容、集成的功能及建 筑产品并行设计集成框架，并指出了实施建筑产品并行设计必须在各专业设计共 享的工程数据库的基础上对设计中的各专业设计过程进行合理规划，以实现设计 过程间最大限度地交叉、往复地进行。 第二，针对建筑产品概念设计阶段，本文在考虑了费用模型一年运行成本、 年收入等情况下，建立了系统化建筑产品概念设计的决策优化模型，并通过运用 随机加权多目标遗传算法，实现了对建筑概念设计进行初步集成化的并行设计优 化方法，该方法能确定在竞争性的客观目标之间的优化平衡关系，所提供的随机 加权算法可以使设计人员通过不同的权重组合获得优化决策方案。 第三，传统的建筑产品设计过程是基于转化的观念，忽视了诸如时间和客户 需求等因素，本文用流动的观点考虑建筑产品设计过程，给出了一个面向建筑产 品并行设计开发过程管理的四阶段模型，并详细介绍了该模型的实施方法。该模 型以信息流的合理规划来考虑建筑产品并行设计过程本身所固有的跨学科的、交 叉迭代的自然属性，揭示出可以集成的产品开发的不同子活动过程，使过程管 理透明化。 第四，传统的布尔d s m 方法不能够表达出任务间的依赖强度，本文用模糊 层次分析法将布尔d s m 数字化，清晰准确地反映特定复杂过程中各任务间的依 赖关系和次序。在此基础上，建立一种仿真算法来模拟建筑产品并行设计过程。 通过建立这种数字化动态模型以及对该模型的仿真，建立建筑产品并行设计的并 行策略和控制策略，从而得出个可控制的，更加有效的设计过程。 西北工业大学博一t 论文 摘要 【关键词】建筑产品开发，并行设计，多目标优化，模糊设计结构矩阵，过程 建模，过程仿真 西北工业大学博上论文 a b s t r a c t c o n c u r r e n t d e s i g nh a s b e e nah o tt o p i ca n dad e v e l o p i n gc u r r e n ti n m a n u f a c t u r i n gf i e l d ，b u tt h er e s e a r c ho ni ti sb o o m i n gn o wi nt h ef i e l do fb u i l d i n g d e s i g n i fc o n c e p f i o no fc o n c u r r e n td e s i g ni si n t r o d u c e di n t ot h ef i e l do fb u i l d i n g d e s i g n ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt os o m ea s p e c t s ：t os u p p o r tc o n c u r r e n td e v e l o p m e n to f b u i l d i n gp r o d u c t ，p r o c e s sc o l l a b o r a t i o n ，i n t e g r a t e do p t i m i z a t i o no ft h eb u i l d i n g p r o d u c ta n de t e a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fb u i l d i n gd e s i g n ，t h i s p a p e rf o u n d st h e p r e l i m i n a r yi n t e g r a t i o n f r a m e w o r kf o rc o n c u r r e n t d e s i g no fb u i l d i n gp r o d u c t s ， e s t a b l i s h e se o n c e p l t u a ld e s i g nm o d e lo f b u i l d i n gp r o d u c t sb a s e d0 ng e n e t i ca l g o r i t h m s ， t h e ni m p l e m e n tt h em u i t i o b j e e t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o do fb u i l d i n gp r o d u c t s ，f o u n d s t h ew a yw h i c hc a l lm o d e la n ds i m u l a t ed e s i g np r o c e s so fb u i l d i n gp r o d u c t so nt h e b a s i so f f u z z y d e s i g ns t r u c t u r a lm a t r i x f i r s t ，s e v e r a lk e yt e c h n o l o g ya r ed i f f e r e n t i a t e da n da n a l y z e di ni m p l e m e n t i n gt h e c o n c u r r e n td e s i g no fb u i l d i n gp r o j e c t sa n dt h ei n t e g r a t i o nf r a m e w o r ko fc o n c u r r e n t d e s i g n f o rb u i l d i n gp r o d u c t si sd i s c u s s e d t h e nt h ei n t e g r a t i o nf r a m e w o r ki s c o n s t r u c t e dp r e l i m i n a r i l y , w h i c hi n c l u d e si n t e g r a t e dc o n t e n t s , f u n c t i o n sa n dg e n e r a l s t r u c t u r e p a r t i t i o n e db y t h r e ed o m a i n s i ti sa l s om e n t i o n e dt h a t d u r i n g i m p l e m e n t a t i o no fc o n c u r r e n td e s i g no fb u i l d i n gp r o j e c t s , e v e r yp r o f e s s i o n a ld e s i g n p r o c e s ss h o u l db ep l a n e dr e a s o n a b l yb a s e do nt h es h a r e de n g i n e e r i n gd a t a b a s e ss oa s t om a k et h ed e s i g np r o c e s sc y o s sa n di t e r a t i v em a x i m u m l y s e c o n d ， a i m i n g a t c o n c e p t u a ld e s i g ns t a g e ， 诚t h c o n s i d e r i n ge x p e n s e m o d e l - - c o s tp e ry e a ra n dr e v e n u ep e ry e a r , t h ep a p e rc o n s t r u c t st h ed e c i s i o n - m a k i n g o p t i m i z a t i o nm o d e lf o rc o n c e p t u a ld e s i g no fs y s t e m a t i cb u i l d i n gp r o d u c t s ，t h e nb y u s i n go fr a n d o mw e i g h e dm u l t i o b j e c t i v e sg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h ep a p e ro b t a i n s c o n c u r r e n td e s i g no p t i m a lm e t h o dw h i c hc a l l p r e l i m i n a r i l yi n t e g r a t ec o n c e p t u a l d e s i g no fb u i l d i n gp r o d u c t s t h eo b t a i n e dm e t h o dc a nd e t e r m i n et h eo p t i m a lb a l a n c e d r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o m p e t i t i v eo b j e c t i v e s ，f i l t t h e r m o r e ，t h ep r e s e n t e dr a n d o m w e i g h e da l g o r i t h mc a nt e l lt h ed e s i g n e r st h ed i v e r s eo p t i m a ld e c i s i o np l a nb ym e a n s 西北r t 业大学博上论文 摘妻 o f d i f f e r e n tw e i g hc o m b i n a t i o n t h i r d ，t h et r a d i t i o n a r yd e s i g np r o c e s si sb a s e do nt r a n s f o r m a t i o nc o n c e p t ，s oi t o v e r l o o k st h ef a c t o r ss u c ha st i m ea n dc l i e n tr e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , t h ef l o w c o n c e p ti su s e dt oc o n s i d e rt h ep r o c e s so fb u i l d i n gp r o d u c t sd e s i g n ，t h e naf o u r - s t a g e m o d e li sp r e s e n t e d ，w h i c hi so r i e n t e dc o n c u r r e n tp r o c e s sm a n a g e m e n to fb u i l d i n g p r o d u c t sd e v e l o p m e n t ，a tl a s tt h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e di nd e t a i l ，t o s u mu p ，b a s e do nr e a s o n a b l ep l a no fi n f o r m a t i o nf l o w , t h i sm o d e ld i s c u s s e st h e n a t u r a la t t r i b u t e so fi n h e r i t e dm u l t i s u b j e c ta n dc r o s si t e r a t i o ni nc o n c u r r e n td e s i g n p r o c e s so fb u i l d i n gp r o d u c t s ，a n dp r e s e n t s t h ed i f f e r e n ts u b a c t i v i t y p r o c e s si n i n t e g r a t e dp t ? o d u c t sd e v e l o p m e n ts oa st ob r i n gt h ep r o c e s sm a n a g e m e n tt op u b l i c c l e a r l y f o u r t h ，t r a d i t i o n a r yb o o l e a nd s mm e t h o dc a n te x p r e s st h ed e g r e eo fd e p e n d e n c y a m o n gt h et a s k s s oi nt h i sp a p e rf u z z ya n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( f a h p ) i su s e dt o d i g i t i z eb o o l e a nd s m a n dt h ed e p e n d i n gr e l a t i o n s h i pa n ds e q u e n c ea m o n g t h et a s k s o fp a r t i c u l a rc o m p l i c a t e dp r o c e s sa r es h o w nc l e a r l ya n de x a c t l y o nt h i sb a s i s ，a s t i m u l a t i o na l g o r i t h mi sf o u n d e dt os i m u l a t et h ec o n c u r r e n td e s i g np r o c e s so fb u i l d i n g p r o d u c t s ，b yu s i n gt h i sd y n a m i cd i g i 试m o d e la n ds i m u l a t i o no fi t ，t h ec o n c u r r e n t s t r a t e g ya n dc o n t r o ls t r a t e g yi se s t a b l i s h e df o rc o n c u r r e n td e s i g no fb u i l d i n gp r o d u c t s ， s oac o n t r o l l a b l ea n dm o r ee f f e c t i v ed e s i g np r o c e s si so b t a i n e d k e y w o r d s ：d e v e l o p m e n to fb u i l d i n gp r o d u c t s ，c o n c u r r e n td e s i g n ，m u l t i o b j e c t i v e o p t i m a l ，f u z z yd e s i g ns t r u c t u r a lm a t r i x ，p r o c e s sm o d e l i n g , p r o c e s ss i m u l a t i o n 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学授有权保留并 向国冢有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单饶为西北工业大学。 像密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 碲 指导教师签名：豇翌留 神多月即日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果尽我所 知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作 匮北工业大学博上论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 目前我国工程建设领域有6 万多家施工企业，1 2 万家设计企业，每年完成 1 5 0 0 0 亿元的工程量，年工程量堪称世界之最，完成的建筑安装工程投资占社会 固定资产投资总额的6 5 左右，已成为我国国民经济的支柱产业之一。但我国工 程建设领域长期以来是一个劳动密集、粗放经营的行业，管理水平和科技贡献率 不高，据有关部门测算，在我国工程建设领域经济效益的增长只有不到3 0 是依 靠技术进步获得的，而这个数值在我国其他一些行业已经达到了5 0 。而工程设 计又是工程建设的龙头，有研究表明：只占整个项目费用3 1 0 的设计过程是 影响整个项目成败的关键因素【1 】。从这个意义上看，建筑设计业竞争是建筑产品 开发模式、方法和过程的竞争。英国的l a t h a m l 2 1 的研究表明，建筑产业内重复、 重叠的工作和各专业问的信息交流的不畅使得整个项目浪费了3 0 的资金。 当今，随着信息时代的到来，使得世界范围内市场竞争变得越来越激烈，建 筑工程设计中传统的顺序设计已经难以适应市场竞争的需求。因此，缩短设计周 期，提高设计质量成为设计单位赢得竞争、求得生存与发展的关键。在这种市场 环境下，迫切需要种缩短设计周期、保证高质量、低成本、有效的建筑工程产 品设计开发的新方法。在这种迫切需要下，针对建筑产品在概念和方案设计阶段 实现最大限度地交叉、产品整体性能优化，并以加速设计产品开发过程为目的， 综合考虑产品生命周期各环节的并行工程理论运用到建筑产品设计中受到了越 来越多的设计单位和学术界的广泛关注。 信息就好像是设计的源泉，一个项目的主要设计活动可以看作是各个设计参 与者“生产”信息、评估信息和交流信息的过程。如果对设计过程缺乏有效的规划 就会造成各个设计参与者之间信息流的不畅通，设计活动就会在冒着失败和浪费 的危险中进行。然而不幸的是，现有的建筑工程行业内传统的规划方法很难对设 计活动进行有效的规划与控制。加强各专业之间的信息交流以及对整个过程的重 构、管理是解决建筑业问题的关键【3 j 。而并行设计就能很好的解决这些问题，并 行设计在建筑产品设计中并行地考虑建筑，结构、设备、施工等过程的系统化方 西北工业大学博 论文 第一章绪论 法，着眼于整个设计过程的组织与管理。 本文针对建筑产品在概念和方案设计阶段实现最大限度地交叉、产品整体性 能优化的基本问题，基于并行工程的思想，研究基于产品全生命周期内经济性和 安全性相结合的概念设计方法；为实现各个设计环节交叉、重叠，研究基于设计 迭代的建筑产品并行设计开发的过程建模方法和规划方法；以并行设计子循环为 基础，研究实现设计过程协同并行的设计信息组织方法及集成平台。这些都是实 施建筑产品并行设计的关键技术，以满足建筑业产品结构和生产过程发生和正在 发生的急剧变革的要求。 本文的研究意义在于改变传统的工程设计领域本质上基于转化( 完成任务) 的观点，建立工程设计过程中转化、流动和创造价值三者融为一体的工程设计哲 理和方法。这些方法可以为在建筑产品设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系 进行构思、比较与选择，对促进建筑产品及其相关过程进行并行、一体化设计具 有重要的理论意义和应用价值。 1 2 建筑产品及建筑工程设计问题 1 2 1 建筑产品的属性 建筑产品首先是社会产品，然后才是业主的产业。业主的投资能否收回取决 于其建筑产品能否走向社会，而其建筑产品的成功与否取决于多种因素，但对项 目的功能、效益、总体水平和投资控制影响最大的是设计阶段。设计阶段对节约 工程造价，提高工程项目经济效益。有决定性的作用，这种潜力可达7 5 1 3 1 。同 时，设计阶段本身是工程进度的一个组成部分。虽然该阶段在整个建设工期中所 占的时间不长，但一份高质量的设计文件，可以为施工的顺利进行打下基础。否 则，频繁的设计变更，会引起承包商对业主的索赔，并严重地影响实施阶段工程 建设进度。 “建筑”一词，在西方语言中分为b u i l d i n g 与a r c h i t e c t u r e 二词。a r c h i t e c t u r e 一词，究其原义，是“最高”( a r c h ) 的“技术”( t e c ) 。而a r c h i t e c t u r e 一词又可有 双重的意义：狭义地说，它指的是满足人们精神( 包括美学) 功能需要的一种艺 术作品，可译为“建筑艺术”；广义地说，它指的是综合满足人们物质与精神功能 需要的人工物，可译为“建筑”。我们在此定义的建筑产品，指的是满足人们物质 2 西北工业大学博上论文第一章绪论 功能需要的一种技术产品，也即人们通常所说的“建筑物”( b m l d i n g ) ，它主要来 自于逻辑思维为主的工程设计。 建筑设计通常被列为工程设计的一个分类，这样做未始不可，因为建筑物作 为一个实体，确实也是一种工程物。但是，这种分类，容易抹杀或冲谈建筑设计 与一般工程物设计的区别。建筑设计是科学( 自然与人文科学) 与艺术、逻辑思 维与形象思维相结合的多学科的创造性劳动。从产品实体来说，它可以作为工程 物的一种，但是从设计方法来说，它与工程设计有很大的差异，后者则主要是与 自然科学相关，以逻辑思维为主。所以产生这种差异，主要原因是建筑与一般工 程物的建造目的不全相同。毕业于美国麻省理工学院土木工程系的我国著名建筑 师张钦楠【4 l 提出建筑设计的三个层次：保证安全、寻求效益和揭示意义。 我们如果只满足安全的目的，建筑就只是一个“掩蔽体”( s h e l t e r ) 。原始人穴 居野处，能有一掩蔽体就十分满足。如果在安全之外，通过建筑创造效益，建筑 就不仅仅是一种掩体，还成为一种“产品”( p r o d u c t ) 。像所有其他社会产品一样， 它给人们带来超出于投入的产出，也就是说，产生了效益，包括经济、社会与环 境效益。在这两个层次上，建筑与其他工程物是类似的。所有的工程物( 房屋、 桥梁、隧道、水坝和公路等) 都是一要安全，二要效益。然而，建筑的目的不仅 在此，除了安全与效益之外，他还要创造一种文化价值。从这个意义上说，建筑 除了是“掩蔽体”及“产品”之外，还是一种“文物”( r e l i c ) 。人们生活在建筑之巾j 建筑对人的各项活动起着约束、规范、熏陶、鼓舞、激励等多种作用。建筑是社 会整体文化的一个组成部分，它在这个方面所起的作用，是一般工程物所不及的 【4 1 。建筑设计的方法学就产生于上述的设计目的及内容。这种方法学与一般工程 设计的方法学有类似之处，但又有其鲜明的独特性。实现纹物”的第三层次的设 计目的很大程度地依赖于形象思维，与人文科学、美学及形象思维发生更密切的 关系。本文讨论的重点在前两个层次上。 在资本主义制度出现以前，建筑大量地是作为一种必不可少的消耗品而存 在，除了使人们得以掩蔽及繁殖之外，并不改变、增加额外的财富。资本一登上 历史舞台，就改变了这一切。房屋不仅由于其新创造的使用价值和交换价值而为 社会直接增添了财富，同时，作为投资的一部分还能间接地带来数倍于本身投资 的国民收入的增加。这样，建筑就不仅是一种消耗的“掩蔽物”，而且成为一种增 值的“产品”。建筑业在现代国家中成为经济支柱，也源出于此。 两北t 业大学博t 。论文 第一章绪论 建筑产品开发是科学( 包括自然与人文科学) 与艺术，逻辑思维与形象思维 相结合的多学科创造性劳动。首先，它涉及的领域几乎是全方位的，包括自然科 学( 力学、电学、光学、声学、化学、数学及各种应用科学) 、人文科学( 心理 学、社会学、历史学、人类学、经济学等) 以及美学。很少有其它类型的劳动能 与它相比。其次，它涉及的思维方法又是全面的，包括了逻辑思维( 运用分析、 综合、推理、演绎等各种逻辑方法) 与形象思维( 运用体验、经验及灵感等直接 对感觉信息的处理) 。我国的建筑产业已经改变了过去计划经济体制下只有投入 没有回报的模式，已经成为经济发展的先导性行业、支柱性行业，甚至可以说是 商品经济的寒暑表，并且与人民的生活密切相关。建筑企业如何在建筑工程项目 的开发中，创出自己的品牌，建造出人们满意并认同的建筑产品，同时获取最大 化的社会效益及经济效益，则是建筑工程项目开发企业的关键所在。这固然由多 方面的原因所决定，但随着市场的规范化发展，以及人们生活水平的提高和审美 意识的深化，建筑产品本身的开发将起到最直接最根本的决定作用，而建筑产品 的设计必然是其核心，它会直接影响开发的效果及其在市场上的竞争力，这就决 定了建筑工程项目开发企业必须要把对建筑产品设计开发的管理放在首要位置。 1 2 2 影响建筑工程设计的问题 无论过去还是现代，都无一例外地表明建筑工程的设计管理存在很大的问 题，甚至源自革瓤观念的基本工程管理规定都没有得到很好的遵守【5 1 。同时，决 策的不稳定和落后的价值观念也给管理带来很多问题。通常来自各个观点的拼凑 就是结论。另外，这些问题是互相关联、互相影响的。不完整、不清晰的任务定 义和迟缓的顾客决策加剧了管理的不稳定，而不完善的责任落实、长期缺乏信息 更新阻碍了价值形成。总之，所有这些对工程的各个环节都会造成损失。 现代建筑产品的开发需要大量不同专业的设计师参与做出大量的决策，这些 决策之间不是相互独立的，每个专业对设计做出的改变都会对其它专业的设计 产生影响。决策问题越复杂，反复的可能性就越大，重复的次数也越多。由此可 知，决策过程中的迭代是产品开发的本质特征。另外，各专业之间设计信息交流 通常也是非f 式、非文档性的，因而造成了设计管理越来越困难。n e w t o n f 6 1 研究 指出影响建筑工程设计的问题可以划分为五大类。 1 设计的短周期的压力带来的问题。 4 西北工业大学博士论文第一章绪论 2 业主与雇主之间组织的复杂性带来的问题。 3 结构和构件的复杂性带来的闯题。 4 设计过程规划的难度带来的问题。 5 设计过程中信息管理的难度带来的问题。 由于设计者很难直接控制住前三类问题。本文将基于并行工程的思想集中讨 论如何用增强设计管理的方法来对后两类问题做出有效的控制。 多年来，建筑产品的设计开发一直采用传统的串行的工作过程，即所谓的“抛 过墙”的设计方式。一个阶段的工作完成以后，下一个阶段的工作才开始。设计 的不足往往到产品开发的后期才被发现，造成较晚进行设计修改，甚至大规模的 设计返工。这种在设计过程中“串行式”的设计模式使得设计各工种缺乏必要的交 流，其后果就是设计方案频繁变更，增加了不必要的设计成本。与传统设计顺序 式和分散式的方法不同，并行设计采用集成化和并行化的思想设计产品，在产品 开发的早期就充分考虑产品生命周期中的所有因素，达到提高质量、缩短产品开 发周期的目的，力争一次成功。它是在信息集成的基础上，更强调功能上和过程 上的集成，并在优化和重组产品开发过程的同时，实现多学科领域专家群协同工 作的工作方式。 1 3 建筑产品并行设计研究现状 i 3 1 建筑产品并行设计内涵 近年来，围绕建筑产品并行设计开发的最新研究成果可以归纳如下： k o s k e l a ，h u o v i l a 和l e i n 舢e 、v 【7 i 认为建筑产品设计过程可以从三种不同的方式来 定义：1 ) 从输入到输出的转化：2 ) 横贯时间和空间的信息流动过程；3 ) 为客 户创造价值的过程。它们不是关于设计的可选择的、相互矛盾的原理，而是整个 设计过程的一部分，互为补充。m e n i r u ，r i v a r d 和b e d a r d 8 1 认为工程设计是一 个获得和组织设计信息的过程，它是以一种稍后时间里这些信息能够重新获得和 使用的方式进行的。基于计算机辅助支持的建筑概念设计阶段应该解决两个方面 的问题：一是帮助设计者处理一些数据，这些数据来源于初步设计而且没有干扰 他们偏爱的设计方法，二是使建筑师得到的初步建筑设计数据能毫无遗漏的被结 西北t 业大学博士论文 第一章绪论 构师所理解。c a l d 髂，s o i b e l i i t a i l 和g 雒r 【9 j 开发了一种基于模型的信息系统， 研究了将工程项目的建筑、工程、施工和设备( a e c f m ) 各阶段的文档进行集 成管理的方法，其目标是在项目管理的信息系统中增强大型工程文档的收集、组 织和获取的过程，并将项目文档有效地集成于信息模型之中。t u z m e n i 伸l 系统地 研究了协同建筑设计的分布过程管理环境，并认为有效的协同建筑设计环境不但 取决于设计对象的信息交流，而且取决于有效团队工作的存续期自j 。通过辨别现 存方法、工具的功能和局限性，阐述了一个有效的建筑协同设计环境应该具备： 1 ) 共享的空间模型；2 ) 反馈和过程的通讯及再现方法；3 ) 对设计过程及决策 的控制；4 ) 对设计交流和呈现方法的规范化；和5 ) 设计小组集成学习步骤。 a n u m b a 和e v b u o m w 粕 1 l 】在并行工程和质量功能部署( q u a l i t yf u n c t i o n d 印l o y m e n t ，q f d ) 的框架下，提出了一种将q f d 原则合理地应用于建筑工业 的综合系统方法，被称之为设计功能配置( d e s i 印f 吼c t i o nd e p l o y m e n t ，d f d ) 。 这种综合的系统设计方法吸收了传统的设计模型及相应的设计手法，把建造、使 用等下游阶段集成到设计阶段，使d f d 设计模型有选择地把客户明示和潜在的 需求和设计者的意图转化为可识别的设计功能。 早在1 9 9 4 年我国工程院院士王光远【1 2 】教授就指出建筑工程设计问题存在注 意局部而忽视整体的倾向，人们以过大的注意力集中于结构的力学分析、结构的 设计和结构的施工，而忽略了诸如工程项目的前期论证、工程系统的全局优化及 工程系统的实施规划等很多更为重要的问题，不能实现建筑工程设计的全局优 化。来可伟 1 3 l 等人针对应用于制造行业的并行设计理论进行了系统的研究，提 出了一种“宏观并行、微观串行”的可计算并行设计微循环模型。 建筑产品开发的项目化特征更加明显，建筑产品的开发过程更需要纵观全局 的系统优化。不但需要建筑师、工程师、设备工程师等全方位的渗透和协作，而 其开发的结果的整体性能优化更具有重大意义。但是，国内关于建筑工程的并行 设计研究得不多，最有代表性是龚景海u 4 l 等人的探索研究，并指出建筑工程并 行设计是计算机辅助设计的发展趋势。他们认为：随着通讯网络的发展，以工程 项目为核心，将分散各地的生产实体组成一个“虚拟群体”，超越各种障碍( 如应 用领域、地理距离、不同的计算机应用系统等) ，协同进行工程项目建设。另外， 这种并行活动要求各方面专家可以看到集体努力的结果，并不断朝着共同目标工 6 西北工业大学博士论文 第一章绪论 作，即所谓的“虚拟群体并行协同工作环境”，这就是工程设计c a d 技术发展的 第七阶段。由此认为，建筑工程并雩亍设计是建筑工程c a d 技术发展的必然趋势。 不难看出，这些研究主要关注的是建筑工程设计的并行协同工作环境，还没有深 入研究如何基于并行工程的思想，使建筑产品的设计开发实现全局优化。图1 1 为建筑产品并行设计内涵示意图。 睁l 一卧 图1 1 建筑产品并行设计内涵示意图 1 3 2 建筑产品设计过程管理 产品设计都是以项目管理组织的，产品设计的项目管理通过项目分解，实现 对资源的分配、成本的核算以及进度的控制。s t e w a r d 和e p p i n g e r 5 1 认为产品设 计过程有设计理论和工程管理两部分组成，产品设计的技术和工程管理两方面应 该是同等重要的。但是，产品并行设计过程管理又不同于一般的项且管理，它要 求对产品设计过程中涉及到的产品信息进行预发布，对过程、组织以及资源进行 柔性配置，以达到缩短开发时间、降低成本。产品设计过程的优化与改进主要体 现在时问、质量和成本上。由于建筑产品的设计过程与一般的企业经营过程有比 较大的区别，建筑设计是创造性的活动，迭代频繁，是集成多学科领域的系统工 程，涉及到不断积累和创新，对建筑设计过程重组必须区别对待，谨慎研究。 国内外学者对产品设计过程管理的研究可归纳为以下几个方面： 1 、产品设计过程建模方法研究，包括模型的描述和分解。 2 、产品设计过程的分析研究，包括过程的分解、规划、并行迭代分析等。 3 、产品设计过程的仿真、改进、优化和重组，及相关支持软件的开发。 4 、产品设计过程的知识管理、冲突和约束管理，以及人工智能技术的应用。 西北工业大学博l 论文 第一章绪论 5 、以过程为中心的产品设计过程支持环境研究和应用。 产品设计过程管理的目的是通过计划、控制和协调等手段，实现产品设计的 目标，包括成本目标、质量目标和开发周期的目标等。传统的产品设计过程管理 基于泰勒的科学管理恩想。而科学管理是一种以“生产”为中，0 的管理，强调通过 职能的划分和控制来提高生产和工作效率。开发过程的组织设计，大都实行硬性 的内部分工，在管理中强调以控制为中心，严格地按照串行的结构执行各项标准 和规章制度。这种传统的组织和管理方式可以促进生产规模的扩大并提高加工技 术水平和生产效率，但也暴露出了很多问题。产品设计过程本质上具有创造性、 系统性的特征。在这种刚性的、串行的管理方式下，人的创造性和主观能动性难 于发挥，而且不同部门的人员也难于沟通，影响了产品的t q c s e 目标的实现【哺l 。 建筑产品开发过程中，应符合以下设计原则： 1 适用性原则：建筑产品的设计是具有一定的针对性，是为了满足相对使用 功能的要求而进行的，这就要求其设计必须功能特点鲜明化，改善和提高人们的 生活和环境质量，使生活更加方便、舒适、安全、愉快。 2 经济性原则：建筑工程项目开发中，建筑产品要想成本低且又合理，很大 程度上取决于建筑设计。过大地提高设计安全系数，只能是毫无益处的浪费，只 能是建筑产品造价的额外提高，这对控制建筑成本是极其不利的。 3 美观性原则：建筑产品的设计应是在保证适用性及经济性的条件下，尽可 能地追求其美观。建筑立面造型及风格，色彩的处理应结合自身特点及市场发展 需要创造个性化的建筑形象，同时也是城市环境的客观需要，是建筑与环境的统 一。 建筑工程项目开发的关键在于建筑产品的设计，设计管理不好，就不会有好 的产品，企业就不会得到投资的回报，更谈不上在社会上树立自己的品牌和形象， 如若恶性循环，后果将不堪设想。这一点在当前市场经济环境下尤为重要和迫 切。因此，要将建筑产品开发的管理贯穿于建筑工程项目开发过程的始终。 1 3 3 建筑产品设计过程建模研究 产品开发过程研究的首要问题就是过程建模，无论是过程分析、优化、重组 和过程自动化都要求在一定的模型指导下进行。a u s t i n i 1 等人研究发现，针对 8 西北工业大学博上论文第一章绪论 建筑工程领域，常用的产品和工程设计过程的模型有两个特征：一是绝大多数模 型是设计过程较高的宏观层次的描述，很少涉及详细过程；二是，不知是碰巧还 是故意设计所为，所描述的过程是从头到尾的总过程，中间分解成各个阶段。 早期在建筑设计领域广泛运用的是r i b a 1 8 】设计团队的工作规划方法( t h e r i b a p l a n o f w o r k f o r d e s i g n t e a m o p e r a t i o n ) ，这个模型详细列出了设计过程中 的各个专业要完成的工作，但是没有阐明各个活动之间的联系信息以及相关工作 的依赖关系。p u g h t l 9 l 进一步开发出一个总体设计模型( t o t a ld e s i g nm o d e l ) ，在 这个模型中阐述了如何进行商业或工业项目设计的确切的细节特征的独特描述， 并以一个房屋建筑设计为例进行了说明。这个总体设计模型仍然是对开发过程总 体描述为特征的。s h e a n l 【2 0 l 等人给出了建筑设计和建造过程建模的相关过程协议 的建模基础。虽然模型测试分析的是总体的过程，但针对各个阶段分解成八个管 理功能，包括设计管理。b a l d w i n t 2 1 1 等人在更深入的层次研究了建筑设计过程中 不同阶段的信息联系，使用数据流程图更详细地揭示了分解的设计过程，继而建 立了一个概念和方案设计阶段的模型。s a n v i d o 和k a r h u l 2 2 2 3 j 等人利用现有的建 模技术i d e f 0 ( i n t e g r a t e dc o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n gd e f i n i t i o n ) 对建筑设计 过程进行了上层建模。由于系统建模规则的约束，所建模型与其他模型不同。通 过比较各种建模技术，包括：数据流程图；i d e f 技术( 含i d e f 0 ) ；实体关系图； 具有输入输出的层次结构图；j a c k s o n 图；面向对象建模技术和p e t r i 网等，发 现每一种建模技术在描述特定类型的活动或数据时有各自的优越性，但是数据流 程图和i d e f o 建模技术已被识别是最适合于建筑设计过程的建模技术。这两种 技术提供了同样的特征，但是数据流程图只能显示数据的物理来源，而i d e f 技 术更适合于描述过程的迭代和重叠，而这正是产品并行设计开发过程建模必须重 视的方面。 众所周知，根据不同的需求和应用背景，研究者提出了各种各样的方法来描 述产品开发过程。各种常用的规划方法大致可以分为两类：图形方法和数学方法。 图形方法包括：有向图、i d e f 方法、p e t r i 网、p e r t 和c p m 等。数学方法包括 公理化设计模型和设计结构矩阵模型等。现分述如下： 有向图是通过网络图来表达任务间的先后顺序关系的。它由表达设计任 务的节点集以及连接这些任务的有向弧组成。有向弧反映了任务之删的先后 9 西北工业大学l 痒士论文第一章绪论 关系和信息依赖关系。如果在设计任务比较多的情况下，有向图的表达就比 较复杂，同时有向图难以表达任务的并行和迭代。因此任务节点不多而且任 务流是串行的条件下用有向图比较合适。 关键路径法c p m 和计划评审技术p e r t 。两者从本质上都采用活动网络 图来描述。p e r t 在c p m 的基础上增加了时间概率的信息。其基本方法是 两张表定义网络图，一张是任务结构分解表，一张是任务顺序表。通过定量 地度量每一任务完成所需的时间来确定对整个工程完成影响最大的任务集， 进而进行时问成本分析，对每一任务资源的投人可采用其对整个过程完成 时间的影响进行评价。该方法清晰、准确地反映了特定复杂过程中活动间的 信息依赖关系和次序。但它仅适用于活动间有明显顺序依赖关系的过程，这 局限性使之无法准确完整地描述具有反馈信息及迭代特征的设计过程。活 动间的双向联系必然引起p e r t 模型逻辑上的不一致性，这种不一致性表现 为后续节点活动的进行将导致其前辈节点的重新进行。因而，p e r t 模型无 法描述具有耦合任务的并行设计过程伫4 1 。 对p e r t 的扩展是g e r t ( g r a p h i c a l e v a l u a t i o na n d r e v i e w t e c h n i c a l ) 技 术。虽然g e r t 允许活动网络中存在迭代，其任务节点可以多次执行，并可 对项目时间进行仿真，但由于g e r t 技术本身的复杂性，即使对最简单的项 目分析，也是非常复杂和困难的。 p e t r i 网 2 5 1 是一种被广泛用来进行过程建模和分析的方法。尤其是高级 p e t r i 网，通过变迁和库所中的令牌进行某种形式( 如颜色) 的分类，合并 相同类型的库所和变迁，压缩网络规模。p e t r i 网能够对过程提高严格形式 化定义，对模型可以进行有效地分析和仿真等。但是，p e t r i 网难于理解和 推广，另外p e t r i 网缺乏有效的时间分析工具。 工作流建模【1 3 】是目前研究比较热门的过程建模方法。它可以用来定义和 执行不同覆盖范围( 单个工作人、部门、企业、企业问) 、不同时间跨度的 业务过程。工作流模型能准确描述过程，可以将业务过程模型和具体应用环 境相分离，而且容易被计算机系统执行。但是，目前工作流系统作为一个独 立的建模方法，缺乏自己的表达方式，一般都是通过p e r t 图或者p e t r i 网 进行插述。 1 0 西北工业大学博上论文 第一章绪论 i d e f 方法族是由结构化分析和设计技术( s a d t ) 发展而来的，用于支 持c i m 和并行工程的过程建模方法，其中i d e f 0 、i d e f 3 和i d e f l x 等被用 于对过程的分析和改进。i d e f o 方法着重