DfMA for MEP 与创成式设计和 BIM 自动化

DfMA（制造和装配设计）不一定是某些项目类型的独家俱乐部。基于模块化结构的概念，DfMA是自动化AEC行业的下一个发展方向。BIM流程和VDC流程需要与整体设计流程相适应。最终输出还需要满足硬编码的工程标准。系统设计和排序挑战可以通过模块化和自动化来克服。我们将向您展示如何操作。本文使不同的项目类型更容易理解 DfMA 的概念。我们将介绍确定DfMA水平的故事，与大型承包商合作开发设计模块，然后通过设计，制造和安装。

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的创成式设计流程

介绍

我们将在孤岛中讨论几个不同的主题，然后展示它们最终是如何组合在一起的。首先，我们将从工程角度介绍DfMA，然后通过创成式设计和BIM完成它。这些不是新概念，但我们认为它们在AEC行业的建筑系统设计领域没有得到充分利用。

识别不同级别的DfMA方法的应用

一个重要的概念是我们在AEC行业中谈论DfMA的方式。我们经常看到 DfMA 与模块化建筑、预制和场外施工等术语互换使用。真的，这不是DfMA的最佳代表。一个更好的陈述是，DfMA生产支持这些构造原则的组件，以使其更有效。

为什么规模很重要

另一个重要概念是规模。以下图中的两个尤达为例。左边的那个有一个模块比例（乐高积木的大小），非常接近尤达雕像的整体比例。右边的那个有一个模块比例，相对于模型的整体比例来说要小得多，你可以看到更多细节。

工程设计原则也遵循类似：随着模块相对于建筑物的规模变小，您可以在设计中获得更多的定义。模块化结构也遵循类似的原则。模块可以组装到建筑物中，作为工程师，我们可以围绕这些模块设计我们的系统。

DfM（创建组件）+ DfA（组件的使用）的组合

与模块化结构相关的大多数对话都是关于模块的规模和组件的规模。无论您是选择体积模块，例如真正大型的集装箱，还是患者护理室中使用的多户住宅顶壁组件，甚至只是单个模块化组件，所有这些为设计提供信息的对话都集中在组装上。这些对话是关于装配设计（DfA）。最佳点是您可以设计出不仅易于组装而且制造成本更低的模块。

如果我们有一个管道模块，两端有几个复杂的部件，使其非常容易组装，这将使制造变得非常困难和昂贵。DfMA的重点是同时考虑制造和组装。

我们采用了一个为组装而构建的模块，并与美国工程创新公司合作改进了它的外观，使其生产起来更容易、更快捷，但仍然易于现场组装和安装。这就是DfMA - 为制造而设计的过程，以及组装过程。

以下图像有什么共同点？你会看到一个零售店、一个病房和一个竞技场。

它们的共同点是包含小容量管道系统的 HVAC 系统，您可以使用可重复的模块作为安装，它可以是一种空气输送方法。我们的方法是使用易于制造的可重复组件，并且可以将其构建成用于零售的HVAC系统，为病房服务的东西，或者为像竞技场这样大的项目提供服务的东西。

自动化的基础是标准化。

一个具体的例子是我们最近在健康诊所的一个项目机会。

项目目标包括尽可能多地模块化设计，以缩短施工进度，并为使用相同组件的不同配置创建设计解决方案。客户已经在研究使用模块化组件进行墙壁、照明和电源的组装。

他们还没有研究过暖通空调系统，所以我们能够确定这是应用DfMA的机会 - 我们恰好有一个与美国工程部合作开发的管道模块。第一步是改变我们的工程思维方式，在我们的设计中使用管道系统模块。

我们不仅要重新考虑管道系统布线，还要重新考虑我们的单元尺寸，甚至我们的分区。我们最终将管道模块用于空气侧系统的主干线，减少了独特组件的数量。通往空气终端的圆形管道跳动也都标准化为相同的尺寸。

采用这种方法的另一个优点是我们可以标准化大多数单元大小。这使我们从五六个不同的工程单元增加到两个。

这个概念的一个重要方面是，设计并不排除传统的粘结构建方法的选择。这意味着承包商可以采用这套精确的施工文件，他们可以使用传统方法或使用模块化方法构建它。

应用DfMA概念

自动化的基础是标准化。通过围绕组件进行标准化，我们能够通过 BIM 自动化和创成式设计释放更高的效率和机会。了解现场实际安装的零件/部件以及它们如何影响布局非常重要。

我们如何将这些DfMA概念应用于衍生式设计？首先，让我们考虑标准设计。标准设计是一个迭代过程，用于使用设置的项目约束来识别选项。对于您设计的任何内容，此过程基本相同。如果您正在设计狗床，您仍然需要经历一个迭代过程来确定有关项目约束的选项。

创成式设计在此过程中添加了一台计算机，以使用设置的项目约束快速识别所有这些选项。因此，它不会识别所有可用的选项。相反，它从给定的项目约束开始，并在该框架内输出所有可能的组合。这使设计人员能够比手动完成所有迭代更快地探索这些选项。

创成式设计 = 计算设计 + 优化

计算设计和优化是明显分开的东西，对于创成式设计，您必须同时拥有两者。计算设计，最常见的是Dynamo ，也称为BIM自动化。

创成式设计成功案例

下面是一个不使用 DfMA 的 MEP 创成式设计示例。这涉及优化和计算设计。这座七层楼的建筑布局独特。室内空间设计也很独特。它对结构开放，建筑师希望使用普莱斯冷帆作为天花板平面/物体。在已经选择了系统类型的情况下，我们的目标是最大化冷却偏移的负载。第二个目标是尽量减少布局中的开放空间，使其在美学上看起来尽可能接近天花板。布局还必须适合结构隔间，因为“天花板”将凹入海湾中。

除了这份清单之外，我们当然还必须考虑成本。关键是在不进行全面成本估算的情况下这样做。我们还想为美学提供不同的选择，因为我们知道这将是一个更高端的空间。我们希望提供选项，而不仅仅是一遍又一遍地询问团队作为猜测和检查场景。

在亨德森，我们所有的建筑系统设计都是在内部进行的，因此我们希望能够与其他学科快速协调我们的布局，以确保设计不会与其他系统发生冲突。

我们有三种不同的单元尺寸（2'x4'、4'x4'和2'x8'）需要考虑。成本冷却偏移功耗不是所有三个选项的线性方程（2'x8'不仅仅是简单的2'x4'加倍）。我们还有维护许可和安装许可方面的考虑。

我们以 Autodesk 创成式设计为目标，在阵列上遍历面板的每个大小，然后以一度为增量将该阵列旋转到 45 度。通过多种选择，我们可以按覆盖范围、冷却偏移和价格进行排序。

创成式设计允许您从 Revit 模型中提取图元，将其用作计算设计和优化的基础。使用这些计算，创成式设计可以生成多个设计选项，从排序列表中选择一个选项，然后在 Revit 中填充这些选项。

在此示例中，我们有方形托架和非方形托架。优化将矩形放入方形托架并不难。但是，每当您将它应用于所有其他独特的形状空间和单元大小时，这就是困难的地方。这是一个基于负载排序和选择最终选项的示例，这是架构师的主要目标。

最后，我们能够使用真实的机械系统将选择内容重新返回到Revit中。在我们承诺之前，我们将它们放入建筑师模型中布局的设计选项中。

包括DfMA

现在我们已经展示了 MEP 世界中衍生式设计的示例，我们将 DfMA（我们的管道模块）应用于衍生式设计。

这就是我们的设计自然进行的方式。下面您可以看到设计开发 （DD） 和 50% 施工文档 （CD） 中列出的主管道之间的区别。请注意，设备、端子和管道都在不同的里程碑之间发生变化。我们有意将这种方式设计为尽可能长时间地灵活。这样，它并不总是最后一刻的匆忙，并且当事情发生变化时，可以更轻松地进行调整。

设计有一种与生俱来的情感元素。你对你花在设计上的时间和精力有情感投资。如果有什么变化，感觉好像是对你的设计的人身攻击，而实际上他们只需要增加另一堵墙。

我们希望将这种情感成分从设计中剔除，并能够准确、快速地重新设计，同时仍然保持我们的设计工作流程。

这就是我们尝试创成式设计并失败的地方，因为我们看错了问题或错误的工具。我们试图自动化整个里程碑的可交付成果。我们试图优化端子、管道主管道和单元放置。所有这些组件都相互交互，数学变得太复杂了。

我们的设计步骤根据设计阶段而变化。我们真正想要的是一个从一个里程碑到另一个里程碑的简单按钮，这样我们仍然可以尽可能长时间地保持灵活性。但是，根本没有简单的按钮可以进行100%CD布局。

创成式设计最适合用于单个设计步骤，以便能够自动化该布局并优化计算。我们备份了一下，查看了我们的设计过程，我们决定专注于从 50% CD 到 100% CD。您可以在下面的布局中看到差异。

我们的备份计划是直接的BIM自动化，因为我们真的不需要计算设计和优化来说“这是主终端可以连接到的最近点”。我们通过Dynamo编写了BIM自动化来建立这些连接。这给我们留下的是一个问题陈述，我们可以自动化。问题陈述非常重要。

这里的问题陈述是，“将管道模块放在已识别管道的主线上，并将端子连接到该模块中。在放置组件时更换了管道，因为模块实际上是一个 5 英尺宽的管道配件。

这里有一个简单的例子：

这里简单的部分是我们的管道恰好有 15 英尺长，我们的管道模块是 5 英尺。由于我们有三个模块和三个终端，因此数学运算很容易。

这里重要的部分是，您不必创建一个模块并与承包商合作创建新事物，您只需了解您在现场应用的组件。如果您的组件长 10 英尺，请以 10 英尺为增量进行设计。传统上，我们只是简单地在一般长度和位置上布置电源。

在这种情况下，我们有三个模块和三个终端。我们能够自动将它们连接在一起。每当你走到拐角处时，这种布局就会变得更加困难。你不会认为这很难，但从编程的角度来看，它变得越来越复杂。

我们像以前一样用模块替换了电源。但是，数学并不是那么简单，因为左下角的终端在两个突出显示的模块之间是等距的。这是通过自动化连接到哪个的领带。

但是，每当您从人眼查看整个设计的上下文时，您都能够看到该模块与右侧的最后一个端子在逻辑上连接。因此，左下角端子最合乎逻辑地连接到中间，上部模块。这就是人类决策的用武之地。数学并不总是那么容易。

困难的地方是，当你实际上拥有的终端多于你的模块时。在这种情况下，由于设计要求，我们增加了另一个终端，我们只有这么多的空间来运行我们的管道系统主线。简单的解决方案是您只需添加另一个模块即可。但是由于我们生活在现实世界中，我们发现我们的模块仍然太大。我们需要更小的碎片！

除了 5' 设计，我们还与美国工程部门合作创建了 2.5' 设计。这使我们能够进行更精细的更改，并适应较小的空间，而不是仅使用5'模块。

我们根据位置、航站楼大小和气流布置管道。这是工程的标准做法。不标准的是返回并修改管道以针对组装和制造进行优化。

只要稍加努力，我们就可以为成功设置我们的设计。我们使用BIM自动化将最后的5'模块替换为两个2.5'模块。我们还将连接拆分为最后一步，因此它们是背靠背运行的脚本。我们没有让它们成为一个巨大的脚本，而是允许人类参与这个过程并做出决定。他们可以直观地看到他们有多少终端和模块，并做出明智的决定，而不是让机器为他们做这件事。

回到我们之前的布局，而不是简单地用两个 2.5' 替换最后的 5' 模块，而是成为哪个是最好的替换模块的问题。如果我更换第一个模块并与两个 2.5' 而不是最后一个模块对齐，会发生什么情况？

最后一个模块是我们的目标，因为我们已经连接了所有其他模块——这就是设计的情感部分。如果我已经完成了所有这些工作，那么我不会回去重新设计它，因为我可能认为我有更好的答案。我们的问题陈述变成了“迭代用更小的模块替换每个模块并优化管道长度”。优化整个管道长度是我们追求的目标。总体上包括主电源和跳动加在一起。

为此，我们将使用创成式设计，因为我们有一个计算设计问题和一个优化问题。我们放置了电源/端子，并且有两个 2.5' 模块的洋红色名称。您可以看到在整个设计中移动，然后它会自动连接到最近的一个进行计算。

以下是创成式设计过程的粗略概述，包括获取对象，这些对象提供输入和几何图形，并通过衍生式设计算法和评估阶段提供它们，最后通过衍生式设计界面呈现它们以进行设计可视化和分析。这是我们用来开发代码的过程。

按总管道长度排序，我们可以遍历几个选项，并确定哪个是我们总组合长度中最好的。有些非常接近，这就是工程判断的用武之地。这帮助我们决定该行中的第一个模块是能为我们提供优化长度的最佳模块。

实际上，很难将这个决定重新回到Revit中，所以我们最终只是将其恢复到BIM自动化中，而不是依靠创成式设计来尝试连接所有这些系统。Revit 系统可能非常挑剔地重新连接所有这些连接器。我们最终使用创成式设计来找到解决方案，然后依靠人类来实际实施该设计，让他们完全控制设计过程。

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Adam Roth是Henderson Engineers Inc.的BIM经理，该公司位于堪萨斯州Lenexa，在全国13个办事处拥有700名员工。他负责监督并提供公司两个主要设计软件包Autodesk Revit和Autodesk AutoCAD的培训，支持和实施。他拥有 11 年的经验，其中四个专注于商业零售的电气设计。此外，他还是 Revit 建筑认证专家以及 Revit MEP 认证专家。Adam 积极参与 Revit 开发和公司标准文档编制。他还每月向用户提供有关新开发、工作流程和技术的演示和演示。

肖恩·特纳（Sean Turner）是亨德森工程师公司（Henderson Engineers）的创新总监，负责向客户和合作伙伴代表创新，并管理内部创新项目。他热衷于寻找新的方法来进行建筑系统设计，以提供高性能、优化的项目，同时使项目团队的流程更加高效和吸引人。