李新輝
(中國有色金屬工業(yè)第六冶金建設有限公司,河南 鄭州 450000)
眾所周知,制造業(yè)發(fā)展水平代表著一個國家的實力。建筑業(yè)的發(fā)展方向也是朝著制造業(yè)的標準邁進。制造業(yè)的作業(yè)流程比較成熟,自動化、信息化發(fā)展水平較高,特別是在計算機輔助技術應用方面更是形成了成熟的4C系統(tǒng)。代表著建筑業(yè)計算機輔助技術的BIM技術方興未艾,通過對制造業(yè)4C系統(tǒng)的研究,為建筑業(yè)BIM技術推廣應用起到啟示的作用。
圖1 4C技術發(fā)展歷程圖
制造業(yè)4C系統(tǒng)包含CAD、CAE、CAPP和CAM技術等四大子系統(tǒng),是四大系統(tǒng)的綜合體。其中,每個子系統(tǒng)代表著一類計算機輔助技術[1]。由于技術發(fā)展的歷史原因,CAD、CAE、CAPP和CAM技術基本上都是各自獨立發(fā)展起來的,各子系統(tǒng)之間缺乏有機的聯(lián)系,即由于數(shù)據(jù)模型彼此不相容,導致各子系統(tǒng)之間無法進行信息的自動傳遞和交換。隨著制造業(yè)自動化、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,便可自動進行信息的傳遞和交換。從而大大提升工作效率,縮短產品工期,增強企業(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)展經歷可以歸納為兩個階段:第一階段是各子系統(tǒng)獨立發(fā)展;第二階段各子系統(tǒng)朝著綜合、集成的方向發(fā)展。需要強調的一點是,制造業(yè)4C系統(tǒng)的第一階段和第二階段的發(fā)展變化是動態(tài)的,并不是一成不變的。第一階段中各個子系統(tǒng)的功能也是隨著市場的需求、科技的進步不斷補充、完善、豐富;第二階段中各個子系統(tǒng)的綜合、集成也在不斷嘗試和改進,系統(tǒng)集成不是簡單的合并,從兩個子系統(tǒng)的集成到三個子系統(tǒng)的集成,甚至四個子系統(tǒng)的集成都在不斷發(fā)展變化。
制造業(yè)4C系統(tǒng)每個子系統(tǒng)的應用分別對應著一個產品從設計到完成的某一個環(huán)節(jié)。對各子系統(tǒng)進行論述的同時,介紹建筑業(yè)計算機輔助技術在該方面的發(fā)展狀況。
在以上四大子系統(tǒng)中,CAD技術普及率最廣。CAD技術作為信息化、數(shù)字化的源頭,它包含的內容很多,如概念設計、優(yōu)化設計、計算機輔助繪圖等,主要完成產品的總體設計、部件設計和零件設計,包括產品的三維造型和二維產品圖繪制[2]。在實際應用中,無論是制造業(yè),還是建筑業(yè),CAD技術主要應用于產品的設計環(huán)節(jié),并且都針對性的開發(fā)有一批應用軟件。制造業(yè)設計軟件有:AutoCAD、Pro-E、Solidworks、UG、CATIA等;建筑業(yè)設計軟件有:AutoCAD天正系列、3DMAX、sketchup、Revit等。設計階段的軟件應用比較普遍,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態(tài)擴展狀態(tài),并不一定局限于某一領域、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),并且可以進行二次開發(fā)。
CAE技術是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算及結構性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。CAE技術現(xiàn)已成為工程和產品結構分析中(如航空、航天、機械、土木結構等領域)必不可少的數(shù)值計算工具,同時也是分析連續(xù)力學各類問題的一種重要手段。之前需要復雜計算的工作交給計算機就可以完成了,極大的提高了工作效率和準確度[3]。
CAE技術在制造業(yè)和建筑業(yè)的應用廣泛,特別是在設計階段的應用已經非常普遍。知名度比較高的CAE軟件有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等,這些軟件適用于多個行業(yè)。其中ABAQUS在建筑方面對結構分析比較有優(yōu)勢。國內建筑業(yè)知名度比較高的一個軟件是PKPM。
許多建筑行業(yè)人員不知道的是,CAE是個制造業(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,稱為結構分析軟件。簡要介紹一個CAE技術在汽車制造過程中的一個應用。
圖2為用三維軟件制作的車架模型。只要把該模型導入到CAE軟件里面,軟件可以模擬車架在靜態(tài)和動態(tài)條件下的受力狀態(tài);并且在模擬受力狀態(tài)下,每個部位的應力、應變、位移情況軟件都可以直觀的顯示出來。設計人員根據(jù)軟件顯示出來的受力情況進行優(yōu)化設計,確定最優(yōu)的結構形式和尺寸。運用CAE軟件大大提高了設計效率和效果。
圖2 車架模型圖
CAPP技術是通過向計算機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),由計算機自動輸出零件的工藝路線和工序內容等工藝文件的過程。CAPP技術從根本上改變了依賴于個人經驗,人工編制工藝規(guī)程的落后面貌,促進了工藝過程標準化和最優(yōu)化,提高了工藝設計質量[4]。CAPP技術對于制造業(yè)主要應用于產品設計之后、制造之前的制造工藝編制階段。該階段相當于建筑業(yè)編制施工組織設計階段。制造業(yè)領域開發(fā)的CAPP軟件有天河CAPP、思普CAPP、開目CAPP等;建筑業(yè)領域在該階段類似的軟件有魯班BIM、廣聯(lián)達BIM5D等軟件。簡要介紹一個CAPP軟件應用的實例。鋁軋機設備的重要組成部件是牌坊,也就是機架。只要把牌坊的參數(shù)、相關要求輸入CAPP軟件里面,軟件就可以輸出加工工藝、工期等綜合性結果。
CAM技術是指利用計算機輔助完成從生產準備到產品制造整個過程的活動,完成復雜零件的數(shù)控加工工藝過程設計、工裝設計、NC自動編程、生產作業(yè)計劃、生產控制、質量控制等[5]。CAM技術對于制造業(yè)主要應用于產品的制造階段,該階段應用相當于建筑業(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技術的應用。比如說一塊鋼板要鉆八個螺栓孔,傳統(tǒng)方式是靠人工劃線定位孔中心,然后用非數(shù)控鉆床一個一個定位鉆孔?,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)控鉆床就會自動逐個鉆孔,鉆孔精度高、鉆孔速度快。
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計應用軟件,有些是行業(yè)專用軟件,有些是多行業(yè)通用軟件。設計軟件的發(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)在設計環(huán)節(jié)對CAD技術的應用都比較普遍,也都比較成熟。
CAE技術在制造業(yè)和建筑業(yè)的應用都比較成熟,各種CAE軟件開發(fā)的也比較多。軟件代替了大量的復雜手工計算,使計算效率和準確度得到大幅度提高,雖然行業(yè)應用術語不一樣,但實質應用是一樣的。CAE技術的應用除了設計階段的應用,正在逐步擴展到更大的范圍。
CAPP技術的應用是建立在大量歷史數(shù)據(jù)的基礎上,通過對歷史數(shù)據(jù)的額不斷分析、處理,然后才能制定出產品最優(yōu)工藝或者方案。對于制造業(yè)標準化產品、通用性產品,用軟件處理的較為方面、快捷,但是涉及到個性化產品發(fā)揮的作用就有限了。建筑業(yè)魯班BIM、廣聯(lián)達BIM5D等軟件的某些功能可以為施工方案編制、工程量統(tǒng)計、材料控制等方面提供輔助作用[6],并且為施工組織設計的編制提供參考,但在替代人的重復、繁瑣工作方面發(fā)揮的作用不明顯,不容易量化。
制造業(yè)沒有數(shù)控設備就沒有CAM技術。制造業(yè)CAM技術使計算機替代了人工對設備的操作,工作效率、質量等方面得到大幅度提高,勞動強度進一步減小。
建筑業(yè)作業(yè)設備主要靠人工操作,數(shù)控作業(yè)設備很少,沒有發(fā)展CAM技術的前提。近一些年主要通過擴大建筑構件工廠預制范圍來提高建筑業(yè)作業(yè)效率、質量,主要就是利用工廠的數(shù)控加工設備,間接利用CAM技術。
在以上各子系統(tǒng)對比分析的基礎上,再進行綜合分析,在以下幾方面獲得啟示。
根據(jù)BIM技術的定義:建筑業(yè)BIM技術在建筑設計、施工、運營等全壽命周期內發(fā)揮作用。上文所述建筑業(yè)的設計階段主要應用CAD、CAE技術,施工組織編制階段主要應用CAPP技術,施工階段主要應用CAM技術,可以得出BIM技術包含CAD、CAE、CAPP、CAM技術。同時,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技術也應該是由CAD、CAE、CAPP、CAM技術等集成而來,如圖3所示:
圖3 BIM技術發(fā)展歷程圖
從圖3可以看出,BIM技術發(fā)展也是經歷了兩個階段,第二個階段才能稱為bim技術,不了解第一階段就不會對BIM技術有全面的認識。只有全面認識BIM技術,才能更有利于BIM技術的推廣應用。
4C系統(tǒng)集成從本質上講應該包括信息集成、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軟件有機的結合在一起,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、轉換和共享,從而使得系統(tǒng)內信息暢通和協(xié)調運行。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技術的要求還有相當?shù)牟罹唷M瑫r,建筑業(yè)各參與主體(設計單位、施工單位、運營單位)主要立足于本單位工作實際,對于全流程協(xié)同意識不迫切。工程總承包的推廣,把設計和施工結合到一起,必定對BIM技術的集成方面產生積極影響。
通過以上制造業(yè)和建筑業(yè)在計算機輔助技術方面的對比分析,建筑業(yè)的最大的差距體現(xiàn)在CAM技術方面,即施工環(huán)節(jié)。施工環(huán)節(jié)差距主要體現(xiàn)在作業(yè)設備的差距。因此,建筑業(yè)除了發(fā)展BIM技術之外,必須同時在數(shù)控作業(yè)設備方面加快發(fā)展步伐,促進整個產業(yè)鏈的集成,整體上提高效益。
建筑業(yè)BIM技術和制造業(yè)4C系統(tǒng)都可以用下面這句話描述:產品建模是基礎,優(yōu)化設計是主體,數(shù)控技術是工具,數(shù)據(jù)管理是核心。通過借鑒制造業(yè)4C系統(tǒng)的發(fā)展方式和經驗,以加快發(fā)展建筑業(yè)BIM技術,促進產業(yè)升級。