中小型化工設(shè)計院設(shè)計三維化轉(zhuǎn)型之路

■ 浙江省天正設(shè)計工程有限公司 宰斌 孔敏 吳冬香 戴逸強

上世紀(jì)90年代，以原化工部部屬設(shè)計院以及中石化、中石油系設(shè)計院為代表的國內(nèi)石化化工行業(yè)大型設(shè)計院（工程公司）已開始引入三維設(shè)計，并在2000年左右開始邁入全體項目三維設(shè)計階段（以管道設(shè)計為主），以上可視為國內(nèi)石化化工行業(yè)設(shè)計三維化的第一個階段。在這一階段中，以各省、市化工設(shè)計院為主的中小型設(shè)計院，由于所面對客戶群體、執(zhí)行項目規(guī)模等需求面實際情況，并未參與該階段，仍以二維設(shè)計作為主要手段。

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)計院已紛紛投入設(shè)計三維化，或計劃開展設(shè)計三維化。但是，設(shè)計從傳統(tǒng)的二維模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模式，需要從設(shè)計思維到設(shè)計工具的全面轉(zhuǎn)變，同時又需要考慮轉(zhuǎn)變的成本因素。究竟怎樣才是真正適合中小設(shè)計院設(shè)計三維化的方式？本文結(jié)合浙江省天正設(shè)計工程有限公司（以下簡稱“天正設(shè)計”）在化工類項目三維設(shè)計過程中的實踐，對二維設(shè)計向三維設(shè)計的轉(zhuǎn)型過程進行探討，提出適合行業(yè)中小型設(shè)計院的設(shè)計三維化解決方案。

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)計院設(shè)計三維轉(zhuǎn)型難點

國內(nèi)化工行業(yè)中小型設(shè)計院以原省、市石油化工設(shè)計院為主，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)計院人員規(guī)模在200人以下。在工程項目設(shè)計流程中，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、給排水等細分專業(yè)，每一個工程項目設(shè)計的完成，均為各專業(yè)配合作業(yè)的成果。同時，各設(shè)計專業(yè)在設(shè)計信息化的過程中，部分已采用了適合自己專業(yè)的計算機設(shè)計輔助軟件，特別是與民建行業(yè)設(shè)計院有著相關(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平臺進行開發(fā)的，其中，比較典型的就有天正系列設(shè)計軟件。

隨著工程建設(shè)的發(fā)展，在工程設(shè)計中獲取更精準(zhǔn)的工程材料清單、在設(shè)計中高度模擬還原項目建成投產(chǎn)后的操作環(huán)境、在設(shè)計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)計三維化在化工類設(shè)計項目中管道設(shè)計部分率先展開。但是，設(shè)計始終是協(xié)同的過程，設(shè)計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)計在具象化、實體化上較二維設(shè)計存在的優(yōu)勢，以設(shè)計手段促進設(shè)計質(zhì)量的提高。上述各專業(yè)綜合的過程，類似于在二維設(shè)計過程中的以各專業(yè)圖紙綜合會簽。

在上述實際背景情況下，中小型化工設(shè)計院在開始走設(shè)計三維化道路時，通常會碰到以下三個方面的阻力：

來自設(shè)計人員的阻力

設(shè)計人員作為整個工程設(shè)計工作的一線參與者，直接決定著設(shè)計的成敗。在設(shè)計工作從手工制圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C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)計人員的支持，在這一次的轉(zhuǎn)變中體現(xiàn)出了設(shè)計人員的主動性。采用CAD進行設(shè)計并沒有改變設(shè)計本身是堆砌線條的過程，這和手工制圖時代并沒有很大改變，這也是容易讓設(shè)計人員接受的部分原因。但是，設(shè)計從二維向三維轉(zhuǎn)變，除了設(shè)計中思考模式的改變，設(shè)計從“畫線”變成了“建?！蓖猓O(shè)計人員原本已在CAD下練就的高效的快捷鍵使用、“畫線”操作過程，在新的設(shè)計軟件下將可能全部歸零，這就造成了設(shè)計人員自身意愿的降低。來自人的阻力，通常是新事物出現(xiàn)、新模式實施的最強阻力。

來自設(shè)計流程的阻力

設(shè)計始終是各專業(yè)協(xié)作的過程，如果在設(shè)計三維化的過程中獲益的僅只有其中的一個專業(yè)，且?guī)砥渌麑I(yè)的工作量增加，那么在現(xiàn)行的設(shè)計體系下將產(chǎn)生較大的阻力，開展困難。

同時，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)計過程進行三維化后，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)計效率將難以滿足工程建設(shè)的需求。

以上兩點是來自設(shè)計流程的阻力，也是設(shè)計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)計軟件的采購費用及對應(yīng)的計算機硬件的升級費用。軟件部分，市面上大部分三維設(shè)計軟件包括國產(chǎn)、國外設(shè)計軟件，大多提供單點買斷及年度租用兩種采購模式，大部分的單點買斷價格從幾萬至幾十萬每用戶點；硬件部分，由于三維設(shè)計軟件大多需要三維引擎的支持，對計算機的圖形運算能力提出了比CAD時代更高的要求，因此，配合三維軟件使用的計算機往往需要在CPU、顯卡、內(nèi)存等硬件上進行升級。

以上成本投入比較明顯，往往在設(shè)計院決定進行三維設(shè)計轉(zhuǎn)型時就已進行充分評估，且可通過分批分步實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)濟性，則該部分阻力將進一步降低。

綜上，在中小型化工設(shè)計院設(shè)計三維化轉(zhuǎn)型的過程中，如何盡可能地減小設(shè)計人員的上手難度、較少地突破原有設(shè)計流程、進行較低的投入，是轉(zhuǎn)型能否順利的關(guān)鍵因素。

設(shè)計三維化轉(zhuǎn)型實踐

天正設(shè)計從2005年開始三維設(shè)計。根據(jù)不同項目業(yè)主方的要求，先后使用過AVEVA公司的PDMS及?？怂箍禂?shù)字智能的PDS軟件，涉及項目主要為裝置類項目，且每年僅在個別項目中進行運用，三維設(shè)計僅有工藝（管道專業(yè)）少數(shù)人員參與。

對應(yīng)天正設(shè)計在精細化工、醫(yī)藥方面的設(shè)計特色與行業(yè)優(yōu)勢，天正設(shè)計有一大部分項目為各設(shè)計專業(yè)參與較完整的車間類單體。為了在這類項目設(shè)計中更便捷地開展進行三維設(shè)計，經(jīng)過多方調(diào)研，天正設(shè)計于2015年開始引入?？怂箍禂?shù)字智能的基于AutoCAD &BricsCAD雙平臺的三維設(shè)計軟件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

經(jīng)試點項目運用情況總結(jié)，CADWorx所具備的特點基本可以達到推廣三維設(shè)計時的實際需求。

設(shè)計人員較易上手

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)計成果存儲端，雙擊DWG文件可直接進入設(shè)計界面，與CAD使用完全一致。以上特點對設(shè)計人員十分友好，盡可能降低了設(shè)計人員的上手難度，減少了設(shè)計人員對設(shè)計方式轉(zhuǎn)變的阻力。

不同專業(yè)較易協(xié)同

在引入CADWorx前，天正設(shè)計各專業(yè)設(shè)計軟件采用情況如表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)計軟件作為CAD設(shè)計的輔助設(shè)計軟件當(dāng)時在天正設(shè)計已有較大范圍的應(yīng)用。因此，在進行三維設(shè)計時，如果可以和已采用的天正類軟件進行充分的協(xié)同，將在管道設(shè)計三維化的過程中，大大降低與其他專業(yè)進行協(xié)同的難度。

在實際應(yīng)用探索的過程中，建筑、暖通、給排水三個專業(yè)通過在相應(yīng)天正系列設(shè)計軟件中僅添加標(biāo)高屬性后，完成了二維設(shè)計的簡單三維化。同時，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)計綜合優(yōu)化工作。

設(shè)計流程較少變化

由于不需要管道專業(yè)外的各專業(yè)為了設(shè)計三維化的轉(zhuǎn)型去學(xué)習(xí)、應(yīng)用新的設(shè)計軟件，僅需要在原設(shè)計過程中，在原設(shè)計軟件內(nèi)漸進的、結(jié)合設(shè)計過程完成標(biāo)高屬性的設(shè)置，就可以獲得可供后續(xù)管道三維設(shè)計開展的車間三維環(huán)境。因此，對原有的正向設(shè)計過程沒有改變，對設(shè)計人員的設(shè)計工作量增加極少，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)計優(yōu)化帶來的便利性產(chǎn)生了本質(zhì)的提升。

管道設(shè)計采用CADWorx時，后期完成材料統(tǒng)計、ISO圖生成、管道平面圖生成均十分便捷。以材料統(tǒng)計為例，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。可直接導(dǎo)入我院已有的綜合材料統(tǒng)計工具，完成管段表、綜合材料表應(yīng)用公司標(biāo)準(zhǔn)圖框后的自動出圖。在沒有單獨的綜合材料統(tǒng)計工具時，也可通過簡單的ACCESS數(shù)據(jù)庫操作，完成管道材料差錯、綜合材料統(tǒng)計等工作。

直接成本投入較少

相較于其他設(shè)計軟件的初次采購費用，CADWorx在首次引入部署時具有較好的經(jīng)濟性，在僅采購CADWorx Plant模塊的情況下，較少的投入即可在設(shè)計院進行設(shè)計三維化轉(zhuǎn)型中形成一定的生產(chǎn)力。同時，與天正系列設(shè)計軟件的協(xié)同使用，也可在一定程度上減少使用點數(shù)的需求。

對計算機而言，CADWorx軟件的部署要求集中在CPU單核計算能力、內(nèi)存容量、顯卡內(nèi)容。對原CAD使用的計算機，一般通過增加內(nèi)容即可滿足基本使用需求。同時，采用共享網(wǎng)盤或ftp的形式，即可實現(xiàn)多點協(xié)同，對設(shè)計院網(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，附著在管道本體上的材料描述方法也更方便設(shè)計人員在設(shè)計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行更改說明，不需要完全依賴于項目管理員對項目底層基礎(chǔ)等級庫的修改、變更，提高了設(shè)計的靈活性。

設(shè)備模型更靈活

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

管道設(shè)計更高效

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行設(shè)計操作，實現(xiàn)一手鍵盤、一手鼠標(biāo)的三維設(shè)計方式。相較于其他三維設(shè)計軟件僅可使用鼠標(biāo)定位與圖形界面中功能按鈕點擊的設(shè)計操作方式，鍵盤快捷命令的輸入效率得到顯著提升。采用類似CAD二維制圖時采用的復(fù)制、打斷、拉伸、旋轉(zhuǎn)等功能，使三維管道設(shè)計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，使人機交互使用的體驗感獲得了提升。

同時，在工程項目交付過程逐漸步入數(shù)字化交付的新時期，采用CADWorx完成的、綁定有工程項目唯一位號工廠對象的三維設(shè)計，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，能夠為業(yè)主順利完成工程項目的數(shù)字化交付提供有力的三維支持。

經(jīng)過了一段時間的應(yīng)用實踐，CADWorx已在天正設(shè)計各專業(yè)綜合參與的精細化工、醫(yī)藥行業(yè)項目車間類單體的設(shè)計中產(chǎn)生了良好的應(yīng)用效果，形成了切實可行的、適用于中小型化工設(shè)計院的設(shè)計三維化實施方案。

結(jié)語

三維設(shè)計是打造數(shù)字化工廠的第一步，是實體工廠走向“云端”的開始，是項目建設(shè)方獲取項目數(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，工程項目設(shè)計的數(shù)字化、三維化的腳步也將愈行愈疾。天正設(shè)計通過項目執(zhí)行過程中的設(shè)計三維化實踐，已形成了切實可行的、適用于中小型化工設(shè)計院的設(shè)計三維化實施方案，希望能夠為同行提供參考與借鑒。