鋁加工工程工藝設(shè)計思路與三維設(shè)計淺析

趙 淵

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

設(shè)計是把一種計劃、規(guī)劃、設(shè)想通過可見性的形式表達(dá)成文的過程，作為建設(shè)和實踐的指導(dǎo)，具有非常關(guān)鍵的作用。在一些情況復(fù)雜和條件特殊的工作中，設(shè)計工作可以提前考慮可能出現(xiàn)的情況，強(qiáng)化實施工作的合理性和安全性，是一種以科學(xué)理論為基礎(chǔ)的方案型行為。設(shè)計工作根據(jù)不同的目的區(qū)分為不同行業(yè)或?qū)I(yè)設(shè)計工作，如藝術(shù)形象設(shè)計和工程施工設(shè)計等，仔細(xì)分類后還有許多細(xì)微的專業(yè)，完成一個完整的設(shè)計工作一般都需要不同專業(yè)相互配合。設(shè)計工作最終展現(xiàn)出來的成果可分為純文字、文字加圖像和影像等，從視覺上講，可分為二維效果和三維效果。傳統(tǒng)的二維設(shè)計信息都是構(gòu)架在平面模型上，而三維設(shè)計信息則是利用三維模型作為信息載體。如今，三維設(shè)計在鋁加工工程工藝設(shè)計中的應(yīng)用剛剛起步，本人通過一段時間的實踐和總結(jié)，簡單分析鋁加工工藝設(shè)計的思路與三維設(shè)計的結(jié)合特點。

1 鋁加工工程工藝設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)有的鋁加工工程設(shè)計工作可分為4個部分，產(chǎn)品設(shè)計、工藝流程設(shè)計、廠房設(shè)計和工藝裝備設(shè)計。在工程項目中，工藝設(shè)計在不同部分的工作中，所扮演的角色和承擔(dān)的任務(wù)都不相同。

1.1 產(chǎn)品設(shè)計

生產(chǎn)的產(chǎn)品在整個設(shè)計中占有核心價值的地位，鋁加工工程工藝設(shè)計的第一步便是設(shè)計以鋁合金為原材料的加工產(chǎn)品，能夠生產(chǎn)出擁有較好市場價值和地位的產(chǎn)品，工廠投入資金才會有回報。

傳統(tǒng)的鋁加工產(chǎn)品主要涵蓋管、棒、型、板、帶、箔等產(chǎn)品，這類產(chǎn)品涉及面廣，具有市場通用性。鋁加工產(chǎn)品設(shè)計主要依據(jù)已存在產(chǎn)品的類別和樣式。為了便于計算和選擇產(chǎn)品，設(shè)計者挑選一大類或幾大類別鋁加工產(chǎn)品，在設(shè)計過程中選擇忽略具體形狀，以模糊的輪廓數(shù)值作為參數(shù)，對于造型奇異和繁多的精細(xì)件，選擇以數(shù)量來表示規(guī)模大小，提給其他專業(yè)的最終條件體現(xiàn)為紙質(zhì)的文字說明。由此，因為相應(yīng)的產(chǎn)品詳細(xì)參數(shù)和具體形狀信息沒有一個很直觀的信息模型作為載體，在計算原材料和生產(chǎn)加工切削量時，只能依據(jù)經(jīng)驗或粗略計算。

1.2 生產(chǎn)工藝流程設(shè)計

生產(chǎn)工藝流程是將產(chǎn)品從原料變?yōu)槌善返倪^程。產(chǎn)品及其用途確定后，與之匹配的工藝就會根據(jù)理論和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗被確定下來。

工藝流程以產(chǎn)品外形和成型理論作為主要依據(jù)，采用變形為主的加工方法，進(jìn)行成分合成，內(nèi)部組織的熱處理，外部形狀壓力加工，工件切削磨銑，最后進(jìn)行表面處理和包裝以完成產(chǎn)品設(shè)計要求。對于鋁加工工藝流程而言，可以根據(jù)成型原理來區(qū)分不同工藝過程，如熔鑄、擠壓、壓延、機(jī)加工工藝流程等。

在鋁加工工藝設(shè)計工程中，主要的信息傳遞手段是表格數(shù)據(jù)和工藝平面圖。表格數(shù)據(jù)包含有原料與廢料，工藝能源參數(shù)單耗，輔助生產(chǎn)材料，設(shè)備能耗參數(shù)和價格，勞動人員分配等情況，還有一些安全與環(huán)保所需要的工況資料等，這類信息以不同的表格和文字予以表述。工藝平面圖則包含有工藝流程，設(shè)備平面輪廓，生產(chǎn)工況、廠房大小等，這類信息以平面圖表述。制作工藝平面圖需要經(jīng)過計算或理論支撐，也要依據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，能看懂工藝平面圖才能了解工藝設(shè)計內(nèi)容，工藝平面圖的重要性往往占據(jù)了整個工藝設(shè)計內(nèi)容的80%。但是，因為平面圖能夠表達(dá)信息有其局限性，沒有空間感，也沒有設(shè)備、操作流程、區(qū)域功能劃分的直觀表現(xiàn)，更無法顯示出生產(chǎn)工況的動態(tài)情況。因此，這些信息需要有經(jīng)驗的工程師進(jìn)行解釋，或者給出詳盡的文字描述，才能闡明其中含義和理念。這也是二維平面圖作為信息傳遞載體的一大問題，由于其直觀信息量不足，想要改善設(shè)計過程，就需要一種更完整的信息載體。

1.3 廠房設(shè)計

廠房設(shè)計是在完成工藝流程設(shè)計后的一個重要環(huán)節(jié)。實現(xiàn)根據(jù)鋁加工生產(chǎn)工藝流程的要求，為其生產(chǎn)提供所需的結(jié)構(gòu)支撐、建筑防護(hù)及各項工質(zhì)能源等任務(wù)都需要廠房設(shè)計來完成。

廠房模型比起工藝流程具有更繁多的設(shè)計信息，因此，廠房設(shè)計是一項非常復(fù)雜的工作，不僅要滿足工藝設(shè)備安裝和操作空間的要求，還需要融入公輔專業(yè)的設(shè)計內(nèi)容，需要多專業(yè)相互配合設(shè)計。工藝設(shè)計在廠房設(shè)計過程中扮演引導(dǎo)、檢查和協(xié)調(diào)等角色，需要對各專業(yè)信息進(jìn)行仔細(xì)核查，經(jīng)過分析和整合，構(gòu)建一個完整的信息模型，以保證廠房設(shè)計能滿足生產(chǎn)工藝的需要。

1.4 工藝裝備設(shè)計

工藝裝備是鋁加工工廠設(shè)計最后一部分內(nèi)容，只有安裝好設(shè)備，并保證其能正常運(yùn)作，才能生產(chǎn)出滿足要求的產(chǎn)品，從而達(dá)到項目建設(shè)的目的。完成廠房設(shè)計的主要目的就是為裝備提供可以安裝和使用的外在條件。

工程設(shè)計在裝備設(shè)計階段需要完成的任務(wù)是設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計，而工藝專業(yè)的任務(wù)則是將配套條件與工程設(shè)計之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，協(xié)調(diào)裝備專業(yè)與土建或輔助專業(yè)的配合，分析條件的合理性和可行性，保證施工圖的質(zhì)量。目前，鋁加工項目中的這些工作仍以平面圖設(shè)計為主，對于空間的布置和利用等問題，表述上仍然不夠直觀和簡潔。

工藝專業(yè)在此部分的工作基本屬于信息傳遞工作，多以平面圖和數(shù)字、文字相互獨立的形式制作條件。因此，存在一些問題，如其他人接收信息時，需要先分解再組合，先局部篩選，再對照整體，如此之后才能繼續(xù)展開各專業(yè)自己的工作；又如在制作條件時，限于傳統(tǒng)二維條件的特點，只能將整體內(nèi)容設(shè)計完成后，再進(jìn)行拆分表述。這些設(shè)計流程無形的增加了拼組和想象的工作，又會造成一些條件返工和遺漏，降低了效率。

2 三維設(shè)計與鋁加工工程工藝設(shè)計的融合

2.1 三維設(shè)計

三維設(shè)計是新一代數(shù)字化、智能化設(shè)計平臺的基礎(chǔ)，是建立在二維設(shè)計的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計目標(biāo)更立體化，更形象化的一種新興設(shè)計方法。

二維平面所具有的信息表現(xiàn)和真實空間的物體有著根本區(qū)別，平面信息模型只能以單一角度來表達(dá)信息，對于工程項目來說意義有限，對于監(jiān)督和校核來說，更不易直觀掌控項目全方位進(jìn)展。當(dāng)前，建筑設(shè)計和動畫設(shè)計已采用三維設(shè)計，制作出了非常逼真的立體模型，經(jīng)過渲染軟件處理后，基本可以作為實物制作的參照。三維打印機(jī)的原理也是利用三維設(shè)計的方法，很好的體現(xiàn)了三維設(shè)計模型信息的優(yōu)越性。

當(dāng)前，鋁加工工程工藝三維設(shè)計剛剛起步，依照三維設(shè)計更加貼近現(xiàn)實，具有更完整的信息量，設(shè)計者之間都能快速和直觀的接受足量信息，不容易產(chǎn)生遺漏等特點。一旦其能夠融入鋁加工工程工藝設(shè)計之中，一定會為工程工藝設(shè)計帶來很多便捷和益處。

2.2 兩種設(shè)計的融合

結(jié)合不同產(chǎn)品鋁加工工藝設(shè)計內(nèi)容、特點和三維設(shè)計的方法，本人對如何將三維設(shè)計逐漸滲透入工藝設(shè)計過程的分析如下：

(1)產(chǎn)品設(shè)計。通過三維建模軟件，可以直接設(shè)計產(chǎn)品外形，詳細(xì)計算出產(chǎn)品的重量、外形等信息，隨時可以根據(jù)需要更改產(chǎn)品尺寸，增加或精簡設(shè)計外觀。三維軟件設(shè)計產(chǎn)品，提返條件時可以簡化計算，直接利用軟件帶有的計算公式或用戶定義的公式，對產(chǎn)品各項參數(shù)進(jìn)行編程計算，快速得出相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)和原材料用量等，可以大大提高工作效率。三維模型設(shè)計可以實現(xiàn)原料、坯料、半成品、成品一體化的設(shè)計流程，簡化傳統(tǒng)設(shè)計流程，縮短設(shè)計周期，也能精簡設(shè)計人員投入。

(2)工藝流程設(shè)計。在工藝流程設(shè)計時，三維軟件可以利用建筑模塊和設(shè)備模塊進(jìn)行工藝布置，直接構(gòu)架三維車間模型，對關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行直接設(shè)計，如軌頂標(biāo)高、設(shè)備深基礎(chǔ)、管網(wǎng)條件等，設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)，通過內(nèi)部賦值，直接對應(yīng)圖中模型。采用數(shù)字模擬計算或者空間的規(guī)劃，能做到高精確度的空間利用，使用三維模型信息既能保證設(shè)計的準(zhǔn)確性，又可以較大幅度提高空間使用率，避免了二維設(shè)計的很多缺點。

(3)廠房設(shè)計。廠房設(shè)計的三維模型中包含了除了工藝信息外，還有其他專業(yè)的信息，如管道列表、燈光布局、電器負(fù)載等。工藝專業(yè)將基本構(gòu)架模型提供給其他專業(yè)設(shè)計者，工藝專業(yè)就可以參與到其他專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計中，隨時直觀的找到自己提出的條件的要求。由于三維模型會隨時更新，可以緊跟各專業(yè)的設(shè)計工作，保證設(shè)計條件的準(zhǔn)確性。

(4)工藝設(shè)備設(shè)計。工藝裝備設(shè)計已經(jīng)廣泛采用三維設(shè)計，裝備精細(xì)化程度高，而且內(nèi)部外部配件也可設(shè)計出來。因此，設(shè)計裝備和設(shè)計工藝存在一些差別，裝備設(shè)計的重點在于實現(xiàn)功能、完成制造和精確裝配，而工程工藝設(shè)計的重點在于滿足生產(chǎn)和建設(shè)。合理利用裝備的三維模塊，能夠提高工藝設(shè)計的準(zhǔn)確性，大量減少設(shè)備外形未知時需要預(yù)留的調(diào)整空間，做到設(shè)計的合理和節(jié)約。

(5)三維的其他優(yōu)點。三維設(shè)計對于除了工藝設(shè)計內(nèi)容之外的其他專業(yè)設(shè)計，也具有一定優(yōu)勢，如管道的碰撞檢查、各專業(yè)之間的服務(wù)器協(xié)同設(shè)計以及快速的設(shè)計變更和工程造價統(tǒng)計等。

(6)三維軟件。當(dāng)前有許多三維軟件，工業(yè)三維軟件的推廣也非?？欤瓿僧a(chǎn)品或是廠房等工藝三維設(shè)計，也需要依托三維軟件去完成。根據(jù)工藝設(shè)計的特點，多采用一些方案型設(shè)計的三維軟件，如犀牛、3d max、pro/e等。

整體設(shè)計思路以建模為先，布置為后，主要工作仍以建模為主。

3 展望與挑戰(zhàn)

從三維設(shè)計的優(yōu)點上可以看出，當(dāng)下適合采用三維設(shè)計的工作就是工程總承包項目，由于其設(shè)計、制造、管理及開工運(yùn)營一體化的要求，三維信息模型便成為了一切行動的基本依據(jù)，無論從全局進(jìn)度掌控，還是施工細(xì)節(jié)處理都可以實施更加精準(zhǔn)的管控。使用三維設(shè)計，許多準(zhǔn)備工作更為具體化，設(shè)計更加接近現(xiàn)實。同時，三維協(xié)同設(shè)計的周期也比傳統(tǒng)的二維設(shè)計周要短。如此完整的信息模型，給設(shè)計單位的工程預(yù)算與結(jié)算都提供了詳盡的依據(jù)。

當(dāng)項目完成后，三維設(shè)計的數(shù)字化模型庫非常有保存價值，比起二維圖紙，三維模型作為新項目的借鑒更有可參照性，對于投標(biāo)和中標(biāo)以及報價都能提供許多優(yōu)勢。

不可否認(rèn)三維設(shè)計的出現(xiàn)，對于當(dāng)下的設(shè)計者來說是一次巨大挑戰(zhàn)，因為三維信息模型的全面性會實現(xiàn)設(shè)計流程的一體化，從而改變專業(yè)技能的操作范圍，或者會改變專業(yè)分工；特別是對于鋁加工工藝設(shè)計而言，除了需要熟練掌握和使用多種三維軟件外，更需要工藝設(shè)計者對終端產(chǎn)品和加工工藝都了如指掌。因此，對于設(shè)計員的專業(yè)水平提出更高要求，學(xué)習(xí)更多加工理論和掌握更多專業(yè)技能成為一種必然要求。

當(dāng)前，鋁加工工程工藝設(shè)計采用三維設(shè)計形式在探索中遇到不少難題，關(guān)鍵問題主要在于設(shè)計人員技能單一和傳統(tǒng)設(shè)計方法的阻礙，并不能發(fā)揮出三維設(shè)計的全部優(yōu)點。同時，工程項目中，對于三維設(shè)計的指向目標(biāo)不明確，采用單純的建模和制作工藝動畫，沒有發(fā)揮其能效的去處，使之很難融入工藝設(shè)計中。

其次，國內(nèi)設(shè)計、施工與業(yè)主之間屬于多方團(tuán)體，三維模型信息文件仍沒有被完全推廣與接納，設(shè)計的最終產(chǎn)品仍需要以紙質(zhì)文件作為依托，也是三維設(shè)計發(fā)展緩慢的一個重要因素。

如果能通過擴(kuò)寬專業(yè)技能，囊括裝備設(shè)計、管道布置、建筑結(jié)構(gòu)三維建模等技能，多面向一些設(shè)計、施工、管理一體化的總承包項目，才有可能徹底打開三維設(shè)計的大門。而且，工藝專業(yè)自身也是一種綜合性的專業(yè)，設(shè)計人員的綜合能力都比較突出，如果能發(fā)揮出二者的長處，就能帶來更多突破和進(jìn)步。

4 結(jié)論

綜上所述，鋁加工工程工藝設(shè)計與三維設(shè)計之間有互補(bǔ)也有需要磨合的地方，但是三維設(shè)計取代二維平面設(shè)計已是大勢所趨。工藝設(shè)計用三維模型能夠更好的表現(xiàn)與傳播，也能更好的融入其他專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計中，必將帶來一個全新的開端。