■ 浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司 宰斌 孔敏 吳冬香 戴逸強(qiáng)

上世紀(jì)90年代，以原化工部部屬設(shè)計(jì)院以及中石化、中石油系設(shè)計(jì)院為代表的國內(nèi)石化化工行業(yè)大型設(shè)計(jì)院（工程公司）已開始引入三維設(shè)計(jì)，并在2000年左右開始邁入全體項(xiàng)目三維設(shè)計(jì)階段（以管道設(shè)計(jì)為主），以上可視為國內(nèi)石化化工行業(yè)設(shè)計(jì)三維化的第一個(gè)階段。在這一階段中，以各省、市化工設(shè)計(jì)院為主的中小型設(shè)計(jì)院，由于所面對客戶群體、執(zhí)行項(xiàng)目規(guī)模等需求面實(shí)際情況，并未參與該階段，仍以二維設(shè)計(jì)作為主要手段。

2010年以后，隨著數(shù)字化交付等業(yè)主方需求的萌發(fā)，以及近年來新型建設(shè)施工技術(shù)手段的不斷迭代更新，工程施工機(jī)器人、工程數(shù)字化預(yù)制設(shè)備、工程3D打印技術(shù)，無一不對前端設(shè)計(jì)提出了數(shù)字化的新要求。而三維化作為數(shù)字化的首要組成部分，面對市場發(fā)展的壓力，行業(yè)內(nèi)各中小型設(shè)計(jì)院已紛紛投入設(shè)計(jì)三維化，或計(jì)劃開展設(shè)計(jì)三維化。但是，設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的二維模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模式，需要從設(shè)計(jì)思維到設(shè)計(jì)工具的全面轉(zhuǎn)變，同時(shí)又需要考慮轉(zhuǎn)變的成本因素。究竟怎樣才是真正適合中小設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)三維化的方式？本文結(jié)合浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司（以下簡稱“天正設(shè)計(jì)”）在化工類項(xiàng)目三維設(shè)計(jì)過程中的實(shí)踐，對二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)型過程進(jìn)行探討，提出適合行業(yè)中小型設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)三維化解決方案。

圖1 CADWorx界面

圖2 CADWorx讀取天正建筑

圖3 CADWorx讀取天正暖通

圖4 CADWorx車間內(nèi)各專業(yè)綜合

化工行業(yè)中小設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)三維轉(zhuǎn)型難點(diǎn)

國內(nèi)化工行業(yè)中小型設(shè)計(jì)院以原省、市石油化工設(shè)計(jì)院為主，部分已在2010年前完成了體制改革，由原有的國有事業(yè)單位轉(zhuǎn)變?yōu)槠髽I(yè)，直接參與市場競爭。發(fā)展至今，除頭部幾家院企外，大部分中小型設(shè)計(jì)院人員規(guī)模在200人以下。在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)流程中，各家院企均已形成了工藝（含管道）、建筑、結(jié)構(gòu)、總圖、電氣、自控、暖通、給排水等細(xì)分專業(yè)，每一個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的完成，均為各專業(yè)配合作業(yè)的成果。同時(shí)，各設(shè)計(jì)專業(yè)在設(shè)計(jì)信息化的過程中，部分已采用了適合自己專業(yè)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)輔助軟件，特別是與民建行業(yè)設(shè)計(jì)院有著相關(guān)工作劃分的各專業(yè)。這些輔助軟件大多為國內(nèi)公司基于AutoCAD平臺進(jìn)行開發(fā)的，其中，比較典型的就有天正系列設(shè)計(jì)軟件。

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，在工程設(shè)計(jì)中獲取更精準(zhǔn)的工程材料清單、在設(shè)計(jì)中高度模擬還原項(xiàng)目建成投產(chǎn)后的操作環(huán)境、在設(shè)計(jì)過程中更合理的避免各專業(yè)碰撞發(fā)生等需求不斷提出，催生了設(shè)計(jì)三維化在化工類設(shè)計(jì)項(xiàng)目中管道設(shè)計(jì)部分率先展開。但是，設(shè)計(jì)始終是協(xié)同的過程，設(shè)計(jì)的三維化也需要充分考慮除管道專業(yè)外其他專業(yè)的適應(yīng)性。只有各專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容能夠在三維環(huán)境下完成綜合，才能夠體現(xiàn)三維設(shè)計(jì)在具象化、實(shí)體化上較二維設(shè)計(jì)存在的優(yōu)勢，以設(shè)計(jì)手段促進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。上述各專業(yè)綜合的過程，類似于在二維設(shè)計(jì)過程中的以各專業(yè)圖紙綜合會(huì)簽。

在上述實(shí)際背景情況下，中小型化工設(shè)計(jì)院在開始走設(shè)計(jì)三維化道路時(shí)，通常會(huì)碰到以下三個(gè)方面的阻力：

來自設(shè)計(jì)人員的阻力

設(shè)計(jì)人員作為整個(gè)工程設(shè)計(jì)工作的一線參與者，直接決定著設(shè)計(jì)的成敗。在設(shè)計(jì)工作從手工制圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)制圖（CAD）的過程中，由于工作效率的明顯提升，獲得了大多數(shù)設(shè)計(jì)人員的支持，在這一次的轉(zhuǎn)變中體現(xiàn)出了設(shè)計(jì)人員的主動(dòng)性。采用CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)并沒有改變設(shè)計(jì)本身是堆砌線條的過程，這和手工制圖時(shí)代并沒有很大改變，這也是容易讓設(shè)計(jì)人員接受的部分原因。但是，設(shè)計(jì)從二維向三維轉(zhuǎn)變，除了設(shè)計(jì)中思考模式的改變，設(shè)計(jì)從“畫線”變成了“建?！蓖?，設(shè)計(jì)人員原本已在CAD下練就的高效的快捷鍵使用、“畫線”操作過程，在新的設(shè)計(jì)軟件下將可能全部歸零，這就造成了設(shè)計(jì)人員自身意愿的降低。來自人的阻力，通常是新事物出現(xiàn)、新模式實(shí)施的最強(qiáng)阻力。

來自設(shè)計(jì)流程的阻力

設(shè)計(jì)始終是各專業(yè)協(xié)作的過程，如果在設(shè)計(jì)三維化的過程中獲益的僅只有其中的一個(gè)專業(yè)，且?guī)砥渌麑I(yè)的工作量增加，那么在現(xiàn)行的設(shè)計(jì)體系下將產(chǎn)生較大的阻力，開展困難。

同時(shí)，現(xiàn)行的工程建設(shè)方法，現(xiàn)場施工仍需要二維圖紙。在設(shè)計(jì)過程進(jìn)行三維化后，如果不能便利地獲取規(guī)范的二維圖紙，那三維化后的設(shè)計(jì)效率將難以滿足工程建設(shè)的需求。

以上兩點(diǎn)是來自設(shè)計(jì)流程的阻力，也是設(shè)計(jì)三維化中的主要阻力。

來自直接成本投入的阻力

這里的直接成本投入就只談三維設(shè)計(jì)軟件的采購費(fèi)用及對應(yīng)的計(jì)算機(jī)硬件的升級費(fèi)用。軟件部分，市面上大部分三維設(shè)計(jì)軟件包括國產(chǎn)、國外設(shè)計(jì)軟件，大多提供單點(diǎn)買斷及年度租用兩種采購模式，大部分的單點(diǎn)買斷價(jià)格從幾萬至幾十萬每用戶點(diǎn)；硬件部分，由于三維設(shè)計(jì)軟件大多需要三維引擎的支持，對計(jì)算機(jī)的圖形運(yùn)算能力提出了比CAD時(shí)代更高的要求，因此，配合三維軟件使用的計(jì)算機(jī)往往需要在CPU、顯卡、內(nèi)存等硬件上進(jìn)行升級。

以上成本投入比較明顯，往往在設(shè)計(jì)院決定進(jìn)行三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型時(shí)就已進(jìn)行充分評估，且可通過分批分步實(shí)施的方式降低一次性投入。由于投入產(chǎn)生的阻力僅為次要阻力，且如果選擇的軟件工作方案具有較高的經(jīng)濟(jì)性，則該部分阻力將進(jìn)一步降低。

綜上，在中小型化工設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)三維化轉(zhuǎn)型的過程中，如何盡可能地減小設(shè)計(jì)人員的上手難度、較少地突破原有設(shè)計(jì)流程、進(jìn)行較低的投入，是轉(zhuǎn)型能否順利的關(guān)鍵因素。

設(shè)計(jì)三維化轉(zhuǎn)型實(shí)踐

天正設(shè)計(jì)從2005年開始三維設(shè)計(jì)。根據(jù)不同項(xiàng)目業(yè)主方的要求，先后使用過AVEVA公司的PDMS及海克斯康數(shù)字智能的PDS軟件，涉及項(xiàng)目主要為裝置類項(xiàng)目，且每年僅在個(gè)別項(xiàng)目中進(jìn)行運(yùn)用，三維設(shè)計(jì)僅有工藝（管道專業(yè)）少數(shù)人員參與。

對應(yīng)天正設(shè)計(jì)在精細(xì)化工、醫(yī)藥方面的設(shè)計(jì)特色與行業(yè)優(yōu)勢，天正設(shè)計(jì)有一大部分項(xiàng)目為各設(shè)計(jì)專業(yè)參與較完整的車間類單體。為了在這類項(xiàng)目設(shè)計(jì)中更便捷地開展進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，經(jīng)過多方調(diào)研，天正設(shè)計(jì)于2015年開始引入海克斯康數(shù)字智能的基于AutoCAD &BricsCAD雙平臺的三維設(shè)計(jì)軟件CADWorx（主要為CADWorx Plant Professional），作為車間類單體、多專業(yè)協(xié)同的三維設(shè)計(jì)解決方案。

圖5 CADWorx材料ACCESS數(shù)據(jù)庫

圖6 CADWorx等級庫編制

圖7 CADWorx設(shè)備建模

圖8 CADWorx管道設(shè)計(jì)

經(jīng)試點(diǎn)項(xiàng)目運(yùn)用情況總結(jié)，CADWorx所具備的特點(diǎn)基本可以達(dá)到推廣三維設(shè)計(jì)時(shí)的實(shí)際需求。

設(shè)計(jì)人員較易上手

首先，CADWorx是一款基于AutoCAD &BricsCAD雙平臺開發(fā)的三維設(shè)計(jì)軟件，其使用界面與CAD完全一致，且可以完全兼容CAD中的操作命令及鍵盤快捷命令輸入。以DWG格式文件作為設(shè)計(jì)成果存儲端，雙擊DWG文件可直接進(jìn)入設(shè)計(jì)界面，與CAD使用完全一致。以上特點(diǎn)對設(shè)計(jì)人員十分友好，盡可能降低了設(shè)計(jì)人員的上手難度，減少了設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)變的阻力。

不同專業(yè)較易協(xié)同

在引入CADWorx前，天正設(shè)計(jì)各專業(yè)設(shè)計(jì)軟件采用情況如表1所示。

表1 軟件采用情況

以上情況可以看出，天正系列設(shè)計(jì)軟件作為CAD設(shè)計(jì)的輔助設(shè)計(jì)軟件當(dāng)時(shí)在天正設(shè)計(jì)已有較大范圍的應(yīng)用。因此，在進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)，如果可以和已采用的天正類軟件進(jìn)行充分的協(xié)同，將在管道設(shè)計(jì)三維化的過程中，大大降低與其他專業(yè)進(jìn)行協(xié)同的難度。

在實(shí)際應(yīng)用探索的過程中，建筑、暖通、給排水三個(gè)專業(yè)通過在相應(yīng)天正系列設(shè)計(jì)軟件中僅添加標(biāo)高屬性后，完成了二維設(shè)計(jì)的簡單三維化。同時(shí)，保存后的圖紙可直接在CADWorx中完成參考調(diào)用，結(jié)構(gòu)專業(yè)的PKPM/YJK計(jì)算結(jié)果模型更可以直接導(dǎo)入CADWorx中，從而完成了在設(shè)計(jì)界面下的專業(yè)整合，大大方便了后續(xù)的空間碰撞檢查及車間內(nèi)設(shè)計(jì)綜合優(yōu)化工作。

設(shè)計(jì)流程較少變化

由于不需要管道專業(yè)外的各專業(yè)為了設(shè)計(jì)三維化的轉(zhuǎn)型去學(xué)習(xí)、應(yīng)用新的設(shè)計(jì)軟件，僅需要在原設(shè)計(jì)過程中，在原設(shè)計(jì)軟件內(nèi)漸進(jìn)的、結(jié)合設(shè)計(jì)過程完成標(biāo)高屬性的設(shè)置，就可以獲得可供后續(xù)管道三維設(shè)計(jì)開展的車間三維環(huán)境。因此，對原有的正向設(shè)計(jì)過程沒有改變，對設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作量增加極少，在幾乎無感的情況下完成了三維化，且三維化后的設(shè)計(jì)結(jié)果由于其可視性的提高，對于車間內(nèi)各專業(yè)間空間碰撞檢查、設(shè)計(jì)優(yōu)化帶來的便利性產(chǎn)生了本質(zhì)的提升。

管道設(shè)計(jì)采用CADWorx時(shí)，后期完成材料統(tǒng)計(jì)、ISO圖生成、管道平面圖生成均十分便捷。以材料統(tǒng)計(jì)為例，應(yīng)用CADWorx自帶功能可導(dǎo)出包含制定范圍內(nèi)每根管道上元件材料描述、數(shù)量等信息的ACCESS數(shù)據(jù)庫?？芍苯訉?dǎo)入我院已有的綜合材料統(tǒng)計(jì)工具，完成管段表、綜合材料表應(yīng)用公司標(biāo)準(zhǔn)圖框后的自動(dòng)出圖。在沒有單獨(dú)的綜合材料統(tǒng)計(jì)工具時(shí)，也可通過簡單的ACCESS數(shù)據(jù)庫操作，完成管道材料差錯(cuò)、綜合材料統(tǒng)計(jì)等工作。

直接成本投入較少

相較于其他設(shè)計(jì)軟件的初次采購費(fèi)用，CADWorx在首次引入部署時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，在僅采購CADWorx Plant模塊的情況下，較少的投入即可在設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)三維化轉(zhuǎn)型中形成一定的生產(chǎn)力。同時(shí)，與天正系列設(shè)計(jì)軟件的協(xié)同使用，也可在一定程度上減少使用點(diǎn)數(shù)的需求。

對計(jì)算機(jī)而言，CADWorx軟件的部署要求集中在CPU單核計(jì)算能力、內(nèi)存容量、顯卡內(nèi)容。對原CAD使用的計(jì)算機(jī)，一般通過增加內(nèi)容即可滿足基本使用需求。同時(shí)，采用共享網(wǎng)盤或ftp的形式，即可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)同，對設(shè)計(jì)院網(wǎng)絡(luò)沒有增加額外要求。因此，對硬件的投入也是可控的。

與其他三維設(shè)計(jì)軟件的比較

數(shù)據(jù)庫管理更方便

CADworx中已內(nèi)置大量已經(jīng)參數(shù)化的管道元件，其中，國際數(shù)據(jù)庫包括了ASME標(biāo)準(zhǔn)、德國DIN標(biāo)準(zhǔn)、日本和南非等的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫；國內(nèi)數(shù)據(jù)庫包括化工、石化、國標(biāo)、電力、機(jī)械、石油、水處理等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫?？梢暬墓艿赖燃壘幹平缑娲蟠筇岣吡瞬牧厦枋鼍幾g工作的效率。

同時(shí)，附著在管道本體上的材料描述方法也更方便設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中對局部有特殊管道材料或管道材料處理方式有要求的情況進(jìn)行更改說明，不需要完全依賴于項(xiàng)目管理員對項(xiàng)目底層基礎(chǔ)等級庫的修改、變更，提高了設(shè)計(jì)的靈活性。

設(shè)備模型更靈活

采用了單臺設(shè)備單獨(dú)建模、管道設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行參考定位的設(shè)計(jì)方式，使得設(shè)備建模在設(shè)計(jì)過程中十分靈活，不但可以十分便捷地在同個(gè)項(xiàng)目內(nèi)完成同類型設(shè)備調(diào)用，同時(shí)使在不同項(xiàng)目間的設(shè)備模型重復(fù)使用更加簡便，為設(shè)計(jì)院打造自己的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)設(shè)備三維資料庫，提供了很好的支撐。

管道設(shè)計(jì)更高效

基于AutoCAD&BricsCAD雙平臺開發(fā)，使其可以使用與CAD中完全相同的命令進(jìn)行設(shè)計(jì)操作，實(shí)現(xiàn)一手鍵盤、一手鼠標(biāo)的三維設(shè)計(jì)方式。相較于其他三維設(shè)計(jì)軟件僅可使用鼠標(biāo)定位與圖形界面中功能按鈕點(diǎn)擊的設(shè)計(jì)操作方式，鍵盤快捷命令的輸入效率得到顯著提升。采用類似CAD二維制圖時(shí)采用的復(fù)制、打斷、拉伸、旋轉(zhuǎn)等功能，使三維管道設(shè)計(jì)從管道元件搭積木形式的拼接建模，轉(zhuǎn)變?yōu)榱死L圖式建模，使人機(jī)交互使用的體驗(yàn)感獲得了提升。

同時(shí)，在工程項(xiàng)目交付過程逐漸步入數(shù)字化交付的新時(shí)期，采用CADWorx完成的、綁定有工程項(xiàng)目唯一位號工廠對象的三維設(shè)計(jì)，生成的工廠三維模型也可被導(dǎo)入目前國內(nèi)外各大主流數(shù)字化交付平臺，能夠?yàn)闃I(yè)主順利完成工程項(xiàng)目的數(shù)字化交付提供有力的三維支持。

經(jīng)過了一段時(shí)間的應(yīng)用實(shí)踐，CADWorx已在天正設(shè)計(jì)各專業(yè)綜合參與的精細(xì)化工、醫(yī)藥行業(yè)項(xiàng)目車間類單體的設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了良好的應(yīng)用效果，形成了切實(shí)可行的、適用于中小型化工設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)三維化實(shí)施方案。

結(jié)語

三維設(shè)計(jì)是打造數(shù)字化工廠的第一步，是實(shí)體工廠走向“云端”的開始，是項(xiàng)目建設(shè)方獲取項(xiàng)目數(shù)字資產(chǎn)的必由之路。隨著“十四五”的到來，數(shù)字化浪潮必將愈加洶涌，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的數(shù)字化、三維化的腳步也將愈行愈疾。天正設(shè)計(jì)通過項(xiàng)目執(zhí)行過程中的設(shè)計(jì)三維化實(shí)踐，已形成了切實(shí)可行的、適用于中小型化工設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)三維化實(shí)施方案，希望能夠?yàn)橥刑峁﹨⒖寂c借鑒。