閱讀提要
新時代背景下,建筑產業作為國民經濟支柱產業之一,經歷了幾十年的高速發展,在科技創新驅動下,建筑產業轉型升級的大幕已然拉開。
歷經70年風雨的中南建筑設計院與時俱進,開拓創新,致力于由傳統建筑設計企業轉型為現代化城市建設數字化高科技服務商,為傳統建筑業植入數字化“基因”的理念正在變為現實。
六年造就“跨界王”
2022年春的某一天,雨后初霽,中南建筑設計院科研設計中心大樓的變色外墻清新惹眼,成為武漢中南路滾滾車流旁靚麗的風景。大樓內,設計師們不拘一格的衣著彰顯出鮮明個性。19層,中南建筑設計院工程數字技術中心,這里曾被稱作“不務正業”的部門。
每位工作人員桌上都架著2臺電腦顯示器,桌面上摞著各式材料和專業書籍,有人還抱著筆記本電腦,“三個屏幕”同時作業。
工作內容與其他部門也不一樣。他們的電腦屏幕上,一串串數字、字符代碼成為“主角”,取代了傳統建筑設計部門畫圖紙、建模型的工作方式,活像一個程序員“沙龍”。
“我們大多是學建筑設計或土木工程專業的,但現在主業是研究編程、算法和人工智能,經常以‘不務正業’自嘲。”
CSADI工程數字技術中心主任張慎
39歲的張慎是武漢大學工學博士,正高職高級工程師,湖北省青年英才;現任中南建筑設計院工程數字技術中心主任、湖北省數字化設計建造工程技術研究中心副主任、大A工程網技術總監;中國勘察設計協會結構設計分會抗震性能化專家工作組委員、中國勘察設計協會結構設計分會青年工程師工作組副主任委員,湖北省地震學會理事。
他主持了多項重大工程結構設計,參編多部工程建設協會標準,獲國家、省部級優秀建筑設計獎20余項,榮獲首屆建筑結構行業杰出青年及首屆中國建筑設計行業管理卓越人物青年英才獎,獲評2019年建筑結構行業杰出青年。
張慎博士所在的工程數字技術中心在數字設計建造新技術研發領域進行了大量的研究與推廣應用工作,擅長超限復雜建筑結構設計分析、建筑BIM技術開發與應用,榮獲湖北省土木建筑科學技術二等獎獎2項。自主開發的復雜建筑結構高等非線性分析集成軟件CSEPA和建筑結構參數化設計軟件Swallow目前在國內各大高校、設計院、施工單位使用。
集結人才隊伍 凝聚硬核團隊
“建筑工程行業需要數字化打通質量和效率的掣肘?!睆埳鞑┦刻寡裕哔|量發展是中國建筑行業的“關鍵詞”,建設高品質的建筑、實現提質增效是一切科技創新追求的目標導向。目前全國甲級建筑設計企業超1.4萬家,中南建筑設計院率先行動,正在探索一條“一模到底,無圖建造”的數字化轉型之路。
要實現建筑業高質量發展,就需要跟上時代的變化,加快提升智能建造水平。2016年,中南建筑設計院開始探索建筑數字化的可行路徑,聚高質量人才智能合力,組建工程數字技術中心。
工程數字技術中心主要專注于工程數字技術研究與開發,涉及的專業包括建筑、結構、設備、BIM以及IT等不同專業。目前團隊里大多都是90后,畢業于北京大學、浙江大學、武漢大學、華中科技大學、巴黎東大學、卡內基梅隆大學、東京工業大學等海內外知名院校,其中還包含3位工學博士,2位博士后。
工程數字技術中心合影
學科交叉及跨界融合是數字中心加快科技創新及科技成果轉化的一個重大法寶。由此,工程數字技術中心以“技術研發,注重轉化,服務市場”作為研發平臺定位,下設了三個研究室:
01
復雜結構研究室
復雜結構研究室,以基于ABAQUS建筑結構高等非線性分析集成軟件CSEPA為基礎,面向公司超限復雜結構設計分析,研究方向包括復雜結構抗震性能化設計與分析、弦支穹頂屋蓋找形及施工張拉模擬,建筑風工程CFD仿真分析、巖土工程多場耦合分析等。
02
數字化技術研究室
數字化技術研究室,以基于結構性能的建筑數字設計和智能建造為基礎,研究方向包括建筑性能模擬分析、建筑參數化設計和優化、Web+PLM技術應用與開發和工程設計軟件研發等。
03
城市建筑碳中和數字技術研究室
城市建筑碳中和數字技術研究室,以PLM系統為研發平臺對建筑綜合能源系統開展建模與仿真,面向全生命周期碳排放管理開展技術攻關,研究方向包括基于Modelica/Dymola建立建筑全生命周期能耗和碳排放管理平臺;研發綠色建筑室內舒適度和可再生能源系統相關模型庫,開展減排收益分析;結合控制策略算法開展面向運維階段的減排方案仿真、評估和智能優化等。
中心成立的六年時間里,先后參與40余項公司重大項目投標及復雜結構的設計與分析。在此期間,工程數字技術中心承擔住建部科學技術計劃項目4項,省住建廳及武漢市科技局課題4項,取得國家實用新型專利5項,發明專利15項(實質審查階段),取得軟件著作權40項;在國內、外核心期刊發表學術論文50余篇,包括3篇SCI收錄,5篇EI收錄;1名員工被達索系統官方認可為SIMULIA Champion,11名員工通過全球達索系統能力認證;在國內外學術會議及論壇發表專題報告超過20場,多次獲得土木建筑科學技術獎、龍圖杯等獎項;在各類仿真比賽中獲得優異成績,如近期在“一帶一路”暨金磚國家技能發展與技術創新大賽中獲得一等獎。這些成績為中南建筑設計院在數字化轉型道路上奠定了堅實的基礎。
工程數字技術中心取得的科技成果
數字化轉型路在何方?
麥肯錫全球研究院2017年的一份報告顯示:在國內行業數字化指數排行中,建筑業在整體數字化水平居倒數第一位,遠遠落后于高端制造業。
彼時建筑行業內卷化也越來越嚴重,房價一路飆升,而設計費卻不升反降。擺脫這種困境的出路,無非是嘗試EPC和數字化轉型。
有專家指出,開展EPC業務舞臺設備工程,建筑院沒有工藝,不是條合適的活路。但如果建筑院打通了數字化設計和數字化建造的通道,按工程參與方(上游及下游)的標準和要求提供數字產品和服務,就能為上下游創造價值。
換句話說,數字化(以及智慧化)就是建筑設計院的“工藝”,控制了唯一數據源的數字模型,就可以控制整個項目的產業鏈。
基于以上,中南建筑設計院明確了自己的轉型目標:既不是傳統的建筑設計院,也不是傳統的工程公司,而是要成為城市建設領域的數字化高科技公司。
去年7月,中南建筑設計院以工程數字技術中心為基礎,與法國達索系統合作成立了“中南建筑設計院-達索系統賦能創新中心”。
2021年7月成立中南建筑設計院-達索系統賦能創新中心
賦能創新中心將學習借鑒高端制造業成熟的數字化解決方案,將建筑視為離散制造的產品,建立自己的PLM體系。以數字化三維模型為載體,提供從工程設計、生產制造、施工安裝到運營維護的全生命周期數字化解決方案,打通數據流轉通道,實現“一個模型干到底,一個模型管到底”。
PLM平臺概念
創新下的建筑黑科技
“創新創意,至誠至精”一直是中南建筑設計院傳承的核心價值理念。在建筑業數字化背景下,應運而生的工程數字技術中心也將“創新”作為他們最核心的競爭力。數字化是一個從無到有的進程,“以前別人沒做的,我們能做;現在別人做不了的,我們也能做!”張慎博士如是說。
步入快車道的工程數字技術中心,用實力和技術在過去6年的設計舞臺上“出演”了一次次精妙絕倫高難度表演。
建筑工程全生命周期管理PLM平臺
近日,中南建筑設計院申報的湖北省數字經濟試點示范項目“建筑工程全生命周期管理PLM平臺建設項目”通過立項審批,獲得湖北省政府資金的扶持。該項目在湖北省2022年“數字經濟”項目中排名第一,全省僅14個數字經濟項目獲得財政資金扶持。中南建筑設計院以武漢新一代天氣雷達建設項目為首個試點,開展建筑行業PLM的實踐和探索。該項目基于統一的數據源,建立了跨專業、跨企業、全流程的統一管理和協同平臺,支持全專業三維協同工作,支持上下游企業基于同一個模型進行實時溝通協作。中南建筑設計院將基于該PLM平臺探索一模到底、無圖建造技術,實現“三維交付、無圖建造、造價精準縮短工期、提升質量”的效果。
基于統一數據源全流程協同工作平臺
精細化模型
多物理場仿真
項目管理平臺
三維標注
虛擬設計與建造
綠色低碳建筑和CFD仿真技術
在全球氣候變化和綠色低碳建筑發展背景下,研究團隊引進制造業中能源系統仿真工具Modelica/Dymola,開展基于3DE/BIM模型的建筑暖通系統、消防系統以及電氣系統建模仿真和優化控制,評估建筑綜合能源系統的全年能耗、室內熱舒適度和碳排放強度,利用CFD仿真技術和風工程前沿研究成果,開展了建筑數值風洞、綠色建筑環境性能評估、城市熱島效應、結構流固耦合以及城市內澇大尺度和給排水管道仿真技術等關鍵技術開發研究。
目前項目團隊的研究成果已整理了多項國家發明專利和論文,為實際建筑規劃設計項目投標、設計、施工和運維等建筑全生命周期咨詢服務提供技術支撐。
沿海城市建筑群內澇仿真
建筑干擾風荷載仿真分析
XFLOW模擬雷神山醫院室內污染物擴散過程
城市微氣候動態評估
真實臺風登陸全過程模擬
大跨度膜結構流固耦合分析
基于熱流體庫和ABAQUS XFLOW軟件搭建太陽能熱水器系統模型,并在TISC仿真環境中進行聯合仿真
基于瞬態和穩態的氣流組織和熱舒適度分析
CSEPA:結構工程師的無限手套
由工程數字技術中心研發的CSEPA,是基于Abaqus開發的復雜建筑結構高等非線性分析集成軟件,其對Abaqus的功能增強主要有三部分:
?通過前處理模塊將基于小震的設計模型(支持PKPM、YJK、Midas、ETABS、SAP2000)轉換成Abaqus的模型;
?通過Abaqus的子程序接口擴展了分析功能,如減隔震單元、特色混凝土本構等;
?通過后處理模塊自動計算規范中的樓層指標、性能評價指標,生成分析報告等
CSEPA下載地址:
某超高層地震倒塌全過程模擬
某大跨空間結構動力穩定分析
某高鐵站關鍵節點多尺度非線性分析
CSEPA模型導入
某隔震建筑大震動力彈塑性分析
超限分析報告生成
建筑結構輔助設計軟件Swallow(ESD)
Swallow(ESD)是一款數字中心自主開發,基于Grasshopper平臺的建筑結構一體化輔助設計軟件,主要包括四大功能模塊:結構信息定義與結構模型組裝、模型導入與導出、計算結果處理和其他輔助功能,其建立了參數化設計與結構計算軟件間的有效連接,為結構的智能優化設計提供了有力工具。Swallow(ESD)目前在全國已超過350個用戶,涵蓋國內設計院、高校以及施工單位。
Swallow(ESD)下載地址:
Swallow(ESD)軟件菜單
某超高層結構智能優化(ETABS)
調用Sap2000計算分析
結構幾何優化(Sap2000)
通過該成果,工程數字技術中心與清華大學陸新征課題組合作,制作了一個使用,而該設計過程僅需5分鐘!
舞臺設備工程,時長07:09
人工智能和參數化方法設計剪力墻結構
數字設計完美實現扎哈武漢城市陽臺作品
月亮灣城市陽臺是武漢長江主軸城市陽臺之一,由全球著名設計公司扎哈哈迪德建筑事務所設計,建筑方案中存在大量的非線性曲面增加了設計施工的難度。為保證項目落地實施,工程數字技術中心在設計階段引入了BIM、參數化設計以及建筑性能仿真分析手段對復雜建筑造型進行了深化設計。主要體現在以下方面:
?在復雜建筑造型設計中運用了參數化設計手段,明確了設計的邏輯性和合理性,提高了設計效率;
?通過建筑性能仿真分析,為建筑方案深化設計提供數據支撐;
?BIM信息模型提高設計協同能力和設計成果的準確性,完成了復雜建筑造型的精細化設計。
部分建筑方案深化設計以及BIM應用展示如下:
景觀樓梯參數化重構
幕墻龍骨參數化設計
人流疏散仿真分析
聲環境仿真模擬
BIM三維模型
月亮灣城市陽臺工程可視化管理平臺
未來可期
70年來,中南建筑設計院一直走在改革創新前沿陣地。展望未來,在數字化引領城市建設轉型升級的大道上,中南建筑設計院將走出一條國有高科技企業高質量發展的新路子。
中南建筑設計院正在進行的數字化轉型,其目標不只是企業自身的轉型,更要引領一個行業的轉型,成為建筑行業數字化轉型的引導者,技術創新的火車頭,引領行業智造時代。
在中南建筑設計院數字化轉型戰略的指引下,工程數字技術中心也將繼續開展建筑工程和城市全生命周期管理平臺開發;在實際項目中實現“一個模型干到底,一個模型管到底”的平臺建設目標;積極發揮物理仿真的驅動力作用,開展多專業多學科協同仿真,將仿真分析與工程全生命周期進行更進一步的有效整合,用仿真分析將BIM、CIM(城市信息模型)等數字孿生模型與真實的工程情境關聯起來,發揮仿真分析在PLM、CLM(城市全生命周期管理)流程中的驗證、優化、預測作用,將模型和數據轉化為生產力。最終實現跨界融合、跨界創新、跨界顛覆。
數字化轉型依賴于企業對未來變革和價值趨勢的判斷。中南建筑設計院展示出敏銳的洞察力、非凡的決心和堅定的信心。十四五期間,中南建筑設計院致力于轉型成為城市建設領域的數字化高科技公司,并通過標準化、流程化和云工作化推進行業數字技術發展,實現建筑業數字化轉型升級,為推進建筑行業的革命提供強有力的支撐。