李新輝

（中國有色金屬工業(yè)第六冶金建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000）

眾所周知，制造業(yè)發(fā)展水平代表著一個(gè)國家的實(shí)力。建筑業(yè)的發(fā)展方向也是朝著制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)。制造業(yè)的作業(yè)流程比較成熟，自動(dòng)化、信息化發(fā)展水平較高，特別是在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用方面更是形成了成熟的4C系統(tǒng)。代表著建筑業(yè)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的BIM技術(shù)方興未艾，通過對制造業(yè)4C系統(tǒng)的研究，為建筑業(yè)BIM技術(shù)推廣應(yīng)用起到啟示的作用。

1 制造業(yè)4C系統(tǒng)的簡要介紹

圖1 4C技術(shù)發(fā)展歷程圖

制造業(yè)4C系統(tǒng)包含CAD、CAE、CAPP和CAM技術(shù)等四大子系統(tǒng)，是四大系統(tǒng)的綜合體。其中，每個(gè)子系統(tǒng)代表著一類計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)[1]。由于技術(shù)發(fā)展的歷史原因，CAD、CAE、CAPP和CAM技術(shù)基本上都是各自獨(dú)立發(fā)展起來的，各子系統(tǒng)之間缺乏有機(jī)的聯(lián)系，即由于數(shù)據(jù)模型彼此不相容，導(dǎo)致各子系統(tǒng)之間無法進(jìn)行信息的自動(dòng)傳遞和交換。隨著制造業(yè)自動(dòng)化、信息化和智能化的不斷發(fā)展以及日趨激烈的市場競爭的迫切需要，各子系統(tǒng)逐漸彼此靠攏，并最終緊密結(jié)合（集成）在一起。這樣，各子系統(tǒng)之間由于有了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)接口，便可自動(dòng)進(jìn)行信息的傳遞和交換。從而大大提升工作效率，縮短產(chǎn)品工期，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力。該過程可以用圖1表示。

如圖1所示，制造業(yè)4C系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷可以歸納為兩個(gè)階段：第一階段是各子系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展；第二階段各子系統(tǒng)朝著綜合、集成的方向發(fā)展。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，制造業(yè)4C系統(tǒng)的第一階段和第二階段的發(fā)展變化是動(dòng)態(tài)的，并不是一成不變的。第一階段中各個(gè)子系統(tǒng)的功能也是隨著市場的需求、科技的進(jìn)步不斷補(bǔ)充、完善、豐富；第二階段中各個(gè)子系統(tǒng)的綜合、集成也在不斷嘗試和改進(jìn)，系統(tǒng)集成不是簡單的合并，從兩個(gè)子系統(tǒng)的集成到三個(gè)子系統(tǒng)的集成，甚至四個(gè)子系統(tǒng)的集成都在不斷發(fā)展變化。

2 各子系統(tǒng)發(fā)展情況及應(yīng)用階段介紹

制造業(yè)4C系統(tǒng)每個(gè)子系統(tǒng)的應(yīng)用分別對應(yīng)著一個(gè)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到完成的某一個(gè)環(huán)節(jié)。對各子系統(tǒng)進(jìn)行論述的同時(shí)，介紹建筑業(yè)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在該方面的發(fā)展?fàn)顩r。

2.1 CAD技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design）

在以上四大子系統(tǒng)中，CAD技術(shù)普及率最廣。CAD技術(shù)作為信息化、數(shù)字化的源頭，它包含的內(nèi)容很多，如概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助繪圖等，主要完成產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)，包括產(chǎn)品的三維造型和二維產(chǎn)品圖繪制[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，無論是制造業(yè)，還是建筑業(yè)，CAD技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，并且都針對性的開發(fā)有一批應(yīng)用軟件。制造業(yè)設(shè)計(jì)軟件有：AutoCAD、Pro-E、Solidworks、UG、CATIA等；建筑業(yè)設(shè)計(jì)軟件有：AutoCAD天正系列、3DMAX、sketchup、Revit等。設(shè)計(jì)階段的軟件應(yīng)用比較普遍，不再舉例。需要說明的是：對于軟件來說，功能和使用范圍都處于動(dòng)態(tài)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，并不一定局限于某一領(lǐng)域、某一專業(yè)，就像AutoCAD，既可以使用在制造業(yè)，也可以使用在建筑業(yè)，并且可以進(jìn)行二次開發(fā)。

2.2 CAE技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering）

CAE技術(shù)是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。CAE技術(shù)現(xiàn)已成為工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中（如航空、航天、機(jī)械、土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域）必不可少的數(shù)值計(jì)算工具，同時(shí)也是分析連續(xù)力學(xué)各類問題的一種重要手段。之前需要復(fù)雜計(jì)算的工作交給計(jì)算機(jī)就可以完成了，極大的提高了工作效率和準(zhǔn)確度[3]。

CAE技術(shù)在制造業(yè)和建筑業(yè)的應(yīng)用廣泛，特別是在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。知名度比較高的CAE軟件有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等，這些軟件適用于多個(gè)行業(yè)。其中ABAQUS在建筑方面對結(jié)構(gòu)分析比較有優(yōu)勢。國內(nèi)建筑業(yè)知名度比較高的一個(gè)軟件是PKPM。

許多建筑行業(yè)人員不知道的是，CAE是個(gè)制造業(yè)概念。對于建筑業(yè)來說，具有CAE功能的軟件一般不稱做CAE軟件，稱為結(jié)構(gòu)分析軟件。簡要介紹一個(gè)CAE技術(shù)在汽車制造過程中的一個(gè)應(yīng)用。

圖2為用三維軟件制作的車架模型。只要把該模型導(dǎo)入到CAE軟件里面，軟件可以模擬車架在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的受力狀態(tài)；并且在模擬受力狀態(tài)下，每個(gè)部位的應(yīng)力、應(yīng)變、位移情況軟件都可以直觀的顯示出來。設(shè)計(jì)人員根據(jù)軟件顯示出來的受力情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。運(yùn)用CAE軟件大大提高了設(shè)計(jì)效率和效果。

圖2 車架模型圖

2.3 CAPP技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（Computer Aided Process Planning）

CAPP技術(shù)是通過向計(jì)算機(jī)輸入被加工零件的幾何信息（圖形）和工藝信息（材料、熱處理、批量等），由計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出零件的工藝路線和工序內(nèi)容等工藝文件的過程。CAPP技術(shù)從根本上改變了依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，人工編制工藝規(guī)程的落后面貌，促進(jìn)了工藝過程標(biāo)準(zhǔn)化和最優(yōu)化，提高了工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量[4]。CAPP技術(shù)對于制造業(yè)主要應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)之后、制造之前的制造工藝編制階段。該階段相當(dāng)于建筑業(yè)編制施工組織設(shè)計(jì)階段。制造業(yè)領(lǐng)域開發(fā)的CAPP軟件有天河CAPP、思普CAPP、開目CAPP等；建筑業(yè)領(lǐng)域在該階段類似的軟件有魯班BIM、廣聯(lián)達(dá)BIM5D等軟件。簡要介紹一個(gè)CAPP軟件應(yīng)用的實(shí)例。鋁軋機(jī)設(shè)備的重要組成部件是牌坊，也就是機(jī)架。只要把牌坊的參數(shù)、相關(guān)要求輸入CAPP軟件里面，軟件就可以輸出加工工藝、工期等綜合性結(jié)果。

2.4 CAM技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing）

CAM技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)輔助完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造整個(gè)過程的活動(dòng)，完成復(fù)雜零件的數(shù)控加工工藝過程設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、NC自動(dòng)編程、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)控制、質(zhì)量控制等[5]。CAM技術(shù)對于制造業(yè)主要應(yīng)用于產(chǎn)品的制造階段，該階段應(yīng)用相當(dāng)于建筑業(yè)施工階段。制造業(yè)開發(fā)的CAM軟件有mastercam、UG、CATIA等，前一種是相對獨(dú)立的CAM軟件，后兩種是CAD/CAM一體化軟件。建筑業(yè)的幾乎沒有此種功能的軟件。

簡單舉例來介紹CAM技術(shù)的應(yīng)用。比如說一塊鋼板要鉆八個(gè)螺栓孔，傳統(tǒng)方式是靠人工劃線定位孔中心，然后用非數(shù)控鉆床一個(gè)一個(gè)定位鉆孔?，F(xiàn)在采用數(shù)控鉆床，只要把用CAM軟件編制的鉆孔程序輸入數(shù)控鉆床的控制中心，數(shù)控鉆床就會(huì)自動(dòng)逐個(gè)鉆孔，鉆孔精度高、鉆孔速度快。

3 制造業(yè)和建筑業(yè)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對比分析

3.1 CAD技術(shù)對比分析

無論是二維軟件，還是三維軟件，制造業(yè)和建筑業(yè)都有一批比較成熟的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，有些是行業(yè)專用軟件，有些是多行業(yè)通用軟件。設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展趨勢是功能越來越多，適用范圍越來越廣。制造業(yè)和建筑業(yè)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對CAD技術(shù)的應(yīng)用都比較普遍，也都比較成熟。

3.2 CAE技術(shù)對比分析

CAE技術(shù)在制造業(yè)和建筑業(yè)的應(yīng)用都比較成熟，各種CAE軟件開發(fā)的也比較多。軟件代替了大量的復(fù)雜手工計(jì)算，使計(jì)算效率和準(zhǔn)確度得到大幅度提高，雖然行業(yè)應(yīng)用術(shù)語不一樣，但實(shí)質(zhì)應(yīng)用是一樣的。CAE技術(shù)的應(yīng)用除了設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用，正在逐步擴(kuò)展到更大的范圍。

3.3 CAPP技術(shù)對比分析

CAPP技術(shù)的應(yīng)用是建立在大量歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對歷史數(shù)據(jù)的額不斷分析、處理，然后才能制定出產(chǎn)品最優(yōu)工藝或者方案。對于制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品、通用性產(chǎn)品，用軟件處理的較為方面、快捷，但是涉及到個(gè)性化產(chǎn)品發(fā)揮的作用就有限了。建筑業(yè)魯班BIM、廣聯(lián)達(dá)BIM5D等軟件的某些功能可以為施工方案編制、工程量統(tǒng)計(jì)、材料控制等方面提供輔助作用[6]，并且為施工組織設(shè)計(jì)的編制提供參考，但在替代人的重復(fù)、繁瑣工作方面發(fā)揮的作用不明顯，不容易量化。

3.4 CAM技術(shù)對比分析

制造業(yè)沒有數(shù)控設(shè)備就沒有CAM技術(shù)。制造業(yè)CAM技術(shù)使計(jì)算機(jī)替代了人工對設(shè)備的操作，工作效率、質(zhì)量等方面得到大幅度提高，勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)一步減小。

建筑業(yè)作業(yè)設(shè)備主要靠人工操作，數(shù)控作業(yè)設(shè)備很少，沒有發(fā)展CAM技術(shù)的前提。近一些年主要通過擴(kuò)大建筑構(gòu)件工廠預(yù)制范圍來提高建筑業(yè)作業(yè)效率、質(zhì)量，主要就是利用工廠的數(shù)控加工設(shè)備，間接利用CAM技術(shù)。

4 綜合分析結(jié)論

在以上各子系統(tǒng)對比分析的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行綜合分析，在以下幾方面獲得啟示。

4.1 BIM技術(shù)發(fā)展歷程方面

根據(jù)BIM技術(shù)的定義：建筑業(yè)BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等全壽命周期內(nèi)發(fā)揮作用。上文所述建筑業(yè)的設(shè)計(jì)階段主要應(yīng)用CAD、CAE技術(shù)，施工組織編制階段主要應(yīng)用CAPP技術(shù)，施工階段主要應(yīng)用CAM技術(shù)，可以得出BIM技術(shù)包含CAD、CAE、CAPP、CAM技術(shù)。同時(shí)，對比制造業(yè)4C系統(tǒng)的發(fā)展歷程，可以類比得出建筑業(yè)BIM技術(shù)也應(yīng)該是由CAD、CAE、CAPP、CAM技術(shù)等集成而來，如圖3所示：

圖3 BIM技術(shù)發(fā)展歷程圖

從圖3可以看出，BIM技術(shù)發(fā)展也是經(jīng)歷了兩個(gè)階段，第二個(gè)階段才能稱為bim技術(shù)，不了解第一階段就不會(huì)對BIM技術(shù)有全面的認(rèn)識。只有全面認(rèn)識BIM技術(shù)，才能更有利于BIM技術(shù)的推廣應(yīng)用。

4.2 BIM技術(shù)集成方面

4C系統(tǒng)集成從本質(zhì)上講應(yīng)該包括信息集成、過程集成和功能集成。目前大多數(shù)僅指信息集成，即把CAD、CAE、CAPP、CAM軟件有機(jī)的結(jié)合在一起，用統(tǒng)一的執(zhí)行程序來控制和組織各功能模塊間的信息提取、轉(zhuǎn)換和共享，從而使得系統(tǒng)內(nèi)信息暢通和協(xié)調(diào)運(yùn)行。比如，solid works軟件集成了CAD、CAE等模塊，CAXA軟件集成了CAD、CAPP等模塊，UG軟件集成了CAD、CAE、CAM等模塊。

建筑業(yè)各子系統(tǒng)軟件的集成程度離BIM技術(shù)的要求還有相當(dāng)?shù)牟罹?。同時(shí)，建筑業(yè)各參與主體（設(shè)計(jì)單位、施工單位、運(yùn)營單位）主要立足于本單位工作實(shí)際，對于全流程協(xié)同意識不迫切。工程總承包的推廣，把設(shè)計(jì)和施工結(jié)合到一起，必定對BIM技術(shù)的集成方面產(chǎn)生積極影響。

4.3 作業(yè)設(shè)備配合方面

通過以上制造業(yè)和建筑業(yè)在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)方面的對比分析，建筑業(yè)的最大的差距體現(xiàn)在CAM技術(shù)方面，即施工環(huán)節(jié)。施工環(huán)節(jié)差距主要體現(xiàn)在作業(yè)設(shè)備的差距。因此，建筑業(yè)除了發(fā)展BIM技術(shù)之外，必須同時(shí)在數(shù)控作業(yè)設(shè)備方面加快發(fā)展步伐，促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的集成，整體上提高效益。

5 結(jié)語

建筑業(yè)BIM技術(shù)和制造業(yè)4C系統(tǒng)都可以用下面這句話描述：產(chǎn)品建模是基礎(chǔ)，優(yōu)化設(shè)計(jì)是主體，數(shù)控技術(shù)是工具，數(shù)據(jù)管理是核心。通過借鑒制造業(yè)4C系統(tǒng)的發(fā)展方式和經(jīng)驗(yàn)，以加快發(fā)展建筑業(yè)BIM技術(shù)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級。