刘志林

（北京科技大学东凌经济管理学院，北京 100083）

基于D SM的建筑工程协同设计研究

刘志林

（北京科技大学东凌经济管理学院，北京 100083）

在分析当前我国建筑工程设计现状及存在问题的基础上，提出利用设计结构矩阵（Design Structure Matrix，DSM）对建筑工程设计活动进行聚类分析，通过对设计任务进行重组，形成协同设计团队进行并行设计，从而减少设计过程中由于设计冲突而导致的频繁设计更改，提高了设计效率。

设计结构矩阵；建筑工程；协同设计

1 引 言

建筑行业一直都是我国的支柱产业，为国民经济增长和社会发展做出了重要贡献。尽管建筑行业在国民经济中的影响力和投资总量很大，但我国建筑业长期以来一直是一个劳动密集、粗放经营的行业，管理水平和科技贡献率不高。当今激烈的市场竞争环境下，建筑工程项目逐渐朝着大型化和复杂化方向发展，业主对建筑项目设计的周期、成本和质量要求越来越高，建筑工程设计成为建筑工程项目发展的瓶颈的现象越来越明显，研究表明，仅占整个项目费用3%～10%的建筑工程设计过程是影响整个项目成败的关键因素[1]。BEDE的研究报告也指明建筑工程领域最主要的问题是缺乏对设计信息的有效管理。因此对建筑工程设计进行有效的管理是非常必要的，本文将基于设计信息流的产品开发过程建模技术、设计结构矩阵运用于建筑设计领域，提出了基于设计活动间的信息耦合关系进行协同设计研究。

现代建筑产品的开发需要大量不同学科专业的设计师共同参与做出大量的决策，涉及到建筑、结构、给排水、暖通空调、电气等多学科，需要多工种的交叉和协调。各个学科自成体系，但又密切相关，如图1。因此在建筑工程设计中，各专业工种之间的协调管理，是关系建筑工程质量优劣的重要因素，各专业之间必须相互协调，加强配合，才能使所设计的建筑使用方便，功能合理，设计质量才能得以保证。

图1 建筑工程设计信息流动示意图

图1表示了普通办公楼设计中常见的12个设计活动，分别属于5个专业领域，各个活动之间的循环迭代的信息流动关系如图所示。对于大型的建筑工程设计过程而言，每个专业均是由几十甚至上百个活动组成，其信息流动的复杂程度就更加难以想象。同时，由于在设计过程中各专业设计人员从自身角度考虑问题，也不可避免地容易引起数据冲突，为了在设计过程中尽早地解决各专业之间的矛盾，保证各专业设计人员及时地交换信息，消解冲突，必须对各专业进行协调管理。

2 设计结构矩阵

1981年，Steward首次将设计结构矩阵(Design Structure Matrix,DSM)运用到复杂系统的识别、分析和管理中[2]，如图2(a)所示，DSM采用可视化的方法分析价值流，能更好地描述产品开发流程中的关键动态特性，改善信息流、优化任务排序并减少返工[3-4]。

DSM是一个n阶方阵，用于显示矩阵中的各个元素的交互关系，如图2(b)所示，“×”表示所在行列元素间存在信息的交流与反馈，若“×”在下三角表示信息流的前向传递，在上三角则表示信息反馈。

DSM理论模型作为一种基于矩阵的、紧凑的表达模型，能站在全局的角度，采用可视化的方法反映任务之间关系（信息流）并分析信息流，图2(c)表示采用聚类的方法对过程结构进行优化。DSM建模方法由于矩阵本身不受任务数目限制，并且易于使用计算机编程计算，具有良好的可操作性和稳健性。

图2 产品设计任务DSM及其优化

根据领域的不同，DSM矩阵可以分为4种类型[5]，包括产品架构、组织架构、过程架构以及综合产品、组织、过程的多领域模型。其中组织架构DSM模型的分析主要是通过聚类的方式，把信息交流需求最大的成员分为一组，将矩阵变换成为成员之间具有高度交互性的类——系统团队。矩阵变换的目的是使类内部具有高耦合度，而类外具有尽可能低的耦合度。通过关注不同成员的沟通需求，从而得到有效的组织设计模式。

3 基于DSM的建筑工程协同设计

3.1 传统建筑工程设计的过程及其局限性

传统的建筑设计一般采用串行设计，即“抛过墙”式建筑产品设计模式，图3(a)为传统建筑设计过程，3(b)为传统建筑设计组织结构图。由图可以看出，传统的设计模式从时间上和功能上把各学科的专职人员彼此孤立开来，存在一系列问题：信息流动是单向的，下游的设计结果不能及时反馈给上游进行设计评价和修改，项目集成性差；设计信息交流不畅、沟通困难而出现的潜在危险，往往在施工过程中才能发现；设计修改频繁，设计质量难以得到保证：建筑工程设计周期长，项目开发成本高，建筑质量受到影响等问题。

设计过程中信息的管理是目前建筑设计企业必须面对的一个难题，在当今知识经济社会，沟通和协调比命令和控制更为重要，据权威机构研究表明，良好的信息沟通和协调可以减少工程建设费用的20%左右[6]。因此引入新方法、新工具对建筑设计过程进行管理是非常必要的。

图3 传统建筑设计

3.2 建筑工程设计初始DSM模型的建立

本文采用图1表示的普通楼宇设计工程中常见的12项设计任务为例，把各设计活动间的信息流关系用DSM矩阵表示出来，如图4，然后采用DSM聚类规则进行聚类分析。

3.3 DSM聚类基本原则

DSM聚类原则以下列步骤展开[7]：

（1）设计优化的目的是使DSM尽量成为下三角矩阵。

（2）根据DSM，若矩阵中某一行全为零，则说明对应该行的设计行为不需要其他设计行为提供信息，因此应尽可能早地执行，将这些设计移到DSM的顶端。每次移动一个学科，且需将其行列及相关标记一起移动。移动结束，再对矩阵其他设计重复进行步骤（1），直到再无这样的设计。

图4 初始DSM信息矩阵

（3）根据DSM，若矩阵中某一列全为零，则说明对应该列的设计行为没有对其他设计行为提供信息，因此应尽可能晚地执行，将这些专业设计移到DSM的底端。每次移动一项专业设计，且需将其行列及相关标记一起移动。移动结束，再对矩阵其他专业设计重复进行步骤(2)，直到再无这样的专业设计活动。

（4）如果经过步骤(1)、(2)DSM中再无未调整的专业设计，则矩阵已经达到最优化；否则，剩余的专业设计必定包含信息循环（至少一个）。

（5）找出信息循环，使用所谓的“路径搜索”方法。在该方法中，从某一专业设计开始，向前或向后跟踪信息流，直到第二次追溯到同一个专业设计，这之间的所有专业设计构成一个信息流循环。

（6）将简单循环中的专业设计合并起来，并用另一代表专业设计代替，并重新开始步骤（1）的操作。

对于小型矩阵，只要通过一系列的行列变换就可以获得新的DSM优化矩阵，对于大型的矩阵则可以通过相关智能算法如遗传算法等获得新的优化结果矩阵。

由于建筑工程设计各活动间的耦合性较强,所以本案例中没有空行空列,可以直接从步骤（3）开始,根据图4初始信息流,利用以上规则进行优化，得到新的DSM矩阵，如图5所示。

图5 优化后的DSM矩阵

不难看出，通过DSM聚类优化，使得原来隶属于不同专业领域的设计活动之间复杂的设计迭代关系转化为4个工作团队之间的关系，其中总体规划设计和结构选型设计组成一协同设计团队，在设计的初期就考虑到了建筑设计与结构设计间的关系,避免了传统设计过程中结构设计发现建筑设计不合理而引起的设计大返工。同样，功能要求和局部细化设计人员组成协同设计团队；局部细化、空调系统设计、管道通风设计、楼板梁柱墙体设计组成一协同设计团队；梁柱墙体设计和电气装配设计组成以协同设计团队。其中局部细化、梁柱设计、墙体设计同时属于两个协同设计团队，说明需要加强这些活动和两个团队间的协调沟通。通过DSM聚类，可以首先在团队内部进行信息交互，并行协同地进行设计；然后再以团队为单位进行更高层面的信息交互，可以减少由于不同专业领域间耦合带来频繁更改，返工等影响，既缩短了设计周期，减少了返工成本，又保证了建筑工程设计质量。

因此，笔者认为，在建筑工程设计企业，有必要建立协同设计团队，专门负责跨专业、跨部门、耦合关系强的设计活动间的协调与沟通，并以正式的组织形式确定下来，避免设计人员只为参会而来的临时心理，直到建筑工程项目设计工程结束。

4 结语

目前，建筑工程设计由于专业的分割形成了一个个的“学科孤岛”，本文采用DSM分解聚类方法，确定任务之间的耦合关系，通过对设计任务重新规划，建立协同设计团队，让参与整个系统设计的全部人员都能了解到其他专业的约束要求和优化目标，使设计从项目初始阶段就具有全局观，减少设计过程中由于设计冲突而导致的频繁设计更改，提高设计效率。

[1]T R Browning,E Fricke，H Negele.Key Concepts in Modeling Product Development Processes[J].Systems Eng，2006，19（2）：104-128.

[2]杨青.精益价值管理[M].北京：科学出版社，2009.

[3]S D Eppinger，T R Browning.Design Structure Matrix Methods and Applications[M].Cambridge,MA:MIT Press.2012.

[4]柳玲.建筑工程设计过程管理研究[D].重庆：重庆大学，2009.

[5]乔黎黎.基于DSM的研发项目精益价值管理研究[D].北京：北京科技大学，2006.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.05.054

F270.7

A

1673-0194（2015）05-0103-03

2014-12-22

刘志林（1978-），女，山西吕梁人，北京科技大学东凌经济管理学院博士研究生，主要研究方向：研发项目管理。