随着中国经济的高速发展, 工程设计公司在国民经济中的作用越来越重要。国家现处于传统产业升级改造转型时期, 工程设计公司也由单一设计转向工程总承包模式的工程公司, 在工程建设过程中工程设计直接决定了95%的工程投资市场发展, 要求工程设计公司的发展由粗放型向集约型转变。如何能够提高工程设计的质量和效率, 直接影响着工程建设和工程设计公司的经济效益。
1 三维设计优点
计算机硬件和软件的高速发展, 使得工程设计必然由二维平面设计 (图板的延续) 向三维立体设计转变。采用三维工程设计软件的优点主要有以下几个方面。
(1) 提高工程设计效率:三维设计软件, 可以有效地提高建模效率, 软件根据数据库和标准库 (标准积木) 信息, 自动给出配管、管件、阀门、结构件等, 实现快速管道和模型布置;可以提高工程出图的效率, 材料表, 平剖面图, 单线图以及节点详图都可以由计算机自动根据模型进行绘制, 减少后期大量重复性劳动。根据统计, 采用全三维软件进行工程设计, 可提高设计效率50%以上, 有效缓解设计任务重, 人力资源不足的矛盾。
(2) 提高工程设计质量:三维设计比传统二维平面设计, 更直观, 设备、结构和管道各处可以真实显示, 各专业内部和各专业之间可以进行有效配合, 进行硬碰撞和软碰撞检查, 避免平面设计造成的现场施工修改。工程设计人员由造积木向搭积木转变, 更多关注工程设计本身, 而不是每个积木的细节。大型工程设计公司的专业配置复杂, 相互协作要求工作巨大, 三维联合设计可以减少专业内部和专业之间的碰撞, 遗漏, 显著降低工程费用20%, 加快工程进度。
(3) 工程总承包的要求:可以自动完整的进行材料表统计, 只要三维模型设计得当, 数量统计相对更为精确, 减少材料采购的浪费。根据统计, 采用全三维软件进行工程设计, 可减少材料浪费5%以上。
(4) 工程投标要求:随着三维设计软件的普及使用, 越来越多的国际大公司普遍采用三维动态演示工程项目投标文件。并且越来越多的业主, 尤其是国外项目的业主, 要求采用从前期投标, 评标, 到施工图设计, 以及竣工图完成, 都采用三维设计。充分显示已有的设计成果, 预演投标的工程设想, 更加直观的表现设计水平, 这是一个工程公司形象与水平的综合体现。
(5) 工程快速投标的必然要求。三维设计模型和数据的大量积累, 参数化的模型可以很方便的修改为投标工程需要的三维模型, 前期工程布置可以快速, 准确的完成。并且可以快速准确地提供工程概算资料, 方便工程报价。
2 三维设计软件现状及存在问题
目前, 三维专业设计软件在国外已经较为成熟, 有多种三维设计软件产品;而国产三维软件起步相对较晚。但近年来, 国内陆续也有多家软件公司陆续推出三维设计软件产品见表1。
以上各个三维专业设计软件在各自专业领域都有着广泛的应用, 各有所长, 在各自专业领域的设计功能十分完备, 能够达到本专业设计的完美要求;尽管大部分软件本身也带有其他辅助专业的设计模块, 但是相对于主体专业模块设计功能而言, 辅助专业的设计功能较差。比如:专业管道三维设计软件的管道设计功能完备, 但其设备设计和土建结构设计功能很差。
对于工程设计而言, 由于存在设计协同, 各专业设计之间需要进行相互转换和信息共享。三维协同设计解决方案存在两个模式, 模式一是采用二维设计时代类似AutoCAD软件一统所有专业平面设计功能的三维设计软件, 各专业之间可以完全无障碍进行相互转换和使用, 但现在市场上还并没有一个三维软件可以将工程设计中的所有专业统一在一个平台下进行多专业的全面的综合设计, 即使AutoCAD公司或其他公司有推出类似产品, 但功能远未符合各专业的设计要求。模式二是各专业采用最适用的三维设计专业软件, 软件间的配合再进行相互转换和信息共享。对于工程设计公司, 现阶段大多采用模式二, 即各专业采用各自专业软件, 但软件之间的相互配合有一定的困难, 根据调查发现, 解决方法有两种, 一种方法是采用人工进行二次设计转换, 通过各专业三维设计产生二维设计图纸后, 提供给下游专业进行人工提取信息, 再使用下游专业设计软件的辅助专业设计模块进行设计, 此方法虽然可行, 但人工转换存在二次重复劳动, 并且转换效率低下。另一种方法是通过软件接口进行自动相互转换和信息共享, 但由于目前各专业软件之间缺乏一个公认的接口标准, 现有的部分接口标准又处于低水平的转换, 三维模型的有效转换和信息共享不能完全实现。
工程设计的另一个特点是产品单元较少, 但产品数量巨大, 各个三维专业设计模型本身就含有大量的信息, 对各专业自身而言, 是有用并且有效率的, 但对于其他专业而言, 只是部分信息有用, 其余大部分信息是无用处的, 如果提供或转换了本专业的所有信息给协同专业, 将使得综合文件信息量相当大且冗余, 文件读写速度下降, 也会严重影响设计效率, 人工二次转换虽然可以通过人的能动判断进行有效地信息过滤和筛选, 但对于工程大量信息转换, 则效率十分低下。所以, 需要软件之间通过软件接口进行自动和有效的信息过滤和筛选, 是三维综合设计发展的必然方向。
3 三维综合设计立项
三维软件之间不能进行有效的相互转换和信息共享已经成为各个综合工程公司的三维设计发展的瓶颈。中冶华天公司现在正在由二维平面设计转向三维立体设计转变, 各个专业科室也正在试用多种三维软件产品。但由于多数处于购买前试用阶段, 缺乏正版软件及正版软件的技术培训和支持, 使得三维软件的使用还处于自发摸索状态, 并没有在公司层面全面推广使用, 也没有在工程项目中综合使用。
公司决定在江阴华西12000m3/h制氧工程设计中进行三维工程综合设计科研开发试点。主要在燃气、水道和结构专业之间进行三维综合设计。公司的三维软件设计目标不仅仅是各自专业引进使用三维专业设计软件, 而是立足于专业三维设计软件, 各专业联合使用, 相互配合使用。从小工程, 相对简单工程试点做起, 从少数几个专业试点做起, 积累经验, 为今后公司全面引进三维设计软件, 多专业联合、大型工程设计, 做好技术和管理上的准备。
燃气专业和水道专业在本次试点中使用中科辅龙公司的国产PDSoft三维管道设计软件进行工程设计。
土建结构专业在本项目中使用国外Tekla公司的Xsteel钢结构详细设计软件进行工程设计。
4 三维软件介绍
4.1 PDSoft软件介绍
PDSoft三维工厂设计软件, 是北京中科辅龙计算机技术有限公司研发的建立在AutoCAD平台基础上的具有完全自主版权的计算机辅助工厂设计系统系列软件的注册名称。PDSoft 3DPiping软件是PDSoft系列软件中首先推出的能独立运行的智能化管道设计软件, 是PDSoft的一个核心系统, 它能对从管路等级生成到出施工图的全过程提供有力支持。
主要功能模块包括:工程数据库及管路等级生成、建模、碰撞、检查ISO图自动生成、材料统计表自动生成、平立剖面图自动生成、图形库管理、渲染和消隐处理等模块, 它们之间的相互关系见图1。
4.2 Xsteel软件介绍
Xsteel是芬兰Tekla公司开发的三维智能钢结构模拟、详图的软包。用户可以在一个虚拟的空间中搭建一个完整的钢结构模型, 模型中不仅包括结零部件的几何尺寸也包括了材料规格、横截面、节点类型、材质、用户批注语等在内的所有信息。而且可以用不同的颜色表示各个零部件, 它有用鼠标连续旋转功能, 用户可以从不同方向连续旋转的观看模型中任意零部位。这样观看起来更加直观, 检查人员很方便的发现模型中各杆件空间的逻辑关系有无错误。在创建模型时操作者可以在3D视图中创建辅助点再输入杆件, 也可以在平面视图中搭建。Xsteel中包含了600多个常用节点, 在创建节点时非常方便。只需点取某节点填写好其中参数, 然后选主部件次部件既可, 并可以随时查询所有制造及安装的相关信息。能随时校核选中的几个部件是否发生了碰撞。模型能自动生成所需要的图形、报告清单所需的输入数据。所有信息可以储存在模型的数据库内。当需要改变设计时, 只需改变模型, 其它数据均相应的改变, 因此可以轻而易举地创建新图形文件及报告。
Xsteel是一个基于面向对象技术的智能软件包, 这就是说模型中所有元素包括梁、柱、板、节点螺栓等都是智能目标, 即当梁的属性改变时相邻的节点也自动改变。零件安装及总体布置图都相应改变。Xsteel自带的绘图编辑器能对图形进行编辑。这样就可以使人为所引起的错误降低到最低限度。Xsteel是一个开放的系统, 可以创建的自己的节点和目标类型添加到Xsteel中去。
5 三维综合设计试点过程
5.1 三维综合设计目标
PDSoft 3DPiping软件是国产优秀的管道设计专业软件, Tekla Xsteel软件是国外优秀的结构设计软件, 但由于二者之间无专门的软件接口格式, 所以二者的综合使用尚无报道。本次软件综合设计科研开发针对以上二个优秀软件进行综合设计使用, 管道和结构专业利用现有的三维试用软件完成各自的工程设计任务, 并且将各专业三维设计进行综合, 达到各专业及各软件之间相互配合, 提高质量和效率的目的。
5.2 实施步骤
(1) 整个工作分为如下4个阶段。
(2) 各专业相关三维软件培训。
(3) 各专业工程三维设计。
(4) 各专业完成工程施工图设计。
(5) 各专业提供三维设计模型, 燃气工艺专业综合。
5.3 具体要求
(1) 土建专业试用Xsteel软件, 进行主厂房、主控楼、循环水泵房, 设备基础, 管道支架平台的三维设计, 土建专业内部可以进行碰撞检查。要求提供燃气和水道专业三维结构设计模型, 模型应足够详细, 只有这样, 才能够提供配合专业足够的信息。
(2) 燃气专业和水道专业试用PDSoft软件, 其在AutoCAD平台下开发的软件, 可以产生真实的AutoCAD三维实体。燃气和水道专业内部进行管道碰撞检查。
(3) 要求各专业进行三维设计时, 分别建立详细图层名, 土建专业模型图层大标题为ARCH_, 水道专业模型图层大标题为W A T E R_, 燃气专业模型图层大标题为GAS_;各专业内部设备, 管线, 结构, 基础等也应分别建立图层, 并给出详细图层名称 (中文为佳) , 以便于各专业之间相互配合。
(4) 建立基于外部引用的特殊构筑物 (整体) , 以X S t e e l输出的D X F文件作为XREF, 生成非PDSOFT实体的构筑物。
(5) 识别特殊构筑物中的轴网信息, 供生成ISO图和平剖图时使用。
(6) 对包含特殊设备和特殊构筑物的管道模型作碰撞检查, 以图形交互的方式定位碰撞, 并输出碰撞报告文件。
(7) 对包含特殊设备和特殊构筑物的管道模型, 以实体消隐方式生成平剖图, 并能支持后续编辑和标注功能。
(8) 燃、水、结专业在模型设计时, 应确定模型基准点, 并尽可能保持基准点的绝对坐标不变, 此做法将方便模型引用时的定位。尤其是在模型修改的情况下, 方便重复模型引用定位。
(9) 模型文件交换空间:试点工程将在FS服务器上建立专门的“华西制氧”目录, 下设“燃气”、“水道”和“土建”目录, 各专业按日期建立下级目录, 其中放置最新版本的模型文件, 便于专业间相互引用。燃气专业还将同时提供最新版本的总图布置文件。并由燃气专业完成综合模型总图定位。
(10) 进度检查要求:科技质量部协同项目总师对本次试点工程进行全程跟踪, 并设定每月底检查制度, 主要检查各专业的模型建立和相互引用, 协助解决软件试用问题。
(11) 成果要求:完成本次工程的相对完整的三维模型, 完成模型渲染和动态显示。制作成可以用于今后的工程投标时使用的演示文件。
5.4 三维综合设计成果
通过本次江阴华西12000m3/h制氧工程三维综合设计科研开发项目, 填补了公司在工程三维设计上的空白, 工程已经顺利完成并达产。江阴华西12000m3/h制氧工程合计施工图约300A1, 其中燃气专业完成90A1, 结构专业完成70A1, 水道专业完成20A1。实际设计总用工时约1.5个人.年。相比以往二维平面设计, 工程设计效率提高40%。另外, 施工图设计修改和施工服务天数均比以往制氧工程少许多, 其中主体专业的三维设计带来的设计质量提高是很重要的因素。
6 三维综合设计试点小结
(1) 燃气专业和水道专业使用同一软件, 可以完全相互使用。
(2) 本次工程设计的三维模型综合试点由燃气专业在PDSoft软件下进行综合。实际综合时PDSoft软件可以读取Xsteel软件转化的结构模型DXF文件。但由于Xsteel软件自成平台, 与PDSoft软件 (AutoCAD) 的接口时, 只能提供AutoCAD线和面的三维模型, 而不是AutoCAD三维实体。土建专业的模型不能为PDSoft软件 (AutoCAD) 所全部使用, 无法实现统一模型下的相互专业之间的硬碰撞检查, 此处工作需要进行人工模型检查。
(3) PDSoft三维管道设计软件可以有效完成燃气和水道管道专业的三维模型设计工作, 并且可以提供完整的二维施工图、单线图及材料表统计。首次工程使用本软件时需要专门新建管道等级库等各种基础性工作, 效率优势体现并不明显, 但随着软件等级库的建立和完善, 以后类似工程的设计可以多次重复使用, 极大的提高设计效率。
(4) Xsteel三维结构设计软件也可以完成结构专业的三维模型设计。也应该可以提供完整的二维施工图、节点详图及材料表统计。
(5) 软件综合设计, 在PDSoft三维管道设计 (AutoCAD平台) 下是可以组合在一起“看”的。尽管需要进行人工“硬”碰撞检查, 但这只占工作量的极少部分, 而实际的大量的“软”碰撞检查, 任何软件都无法全部解决, 只有按规范和经验进行人工检查, 计算机是不能代替的。
(6) 针对PDSoft与Xsteel软件接口问题, 我公司与中科辅龙公司正在在进行软件功能的合作开发。目标是将PDSoft软件作为综合设计平台, 具体做法如下。
(1) 能把XSteel的结构模型和Pro/E的设备模型导入PDSOFT Piping的管道模型中, 作为配管设计的参照。
(2) 能检查Piping, Xsteel和Pro/E三者的模型合并后的碰撞情况。
(3) 能在Piping的平剖图中画出Xsteel和Pro/E做的结构和设备。
(4) 同时需要Xsteel和Pro/E应能够提供AutoCAD平台下的三维实体。
(7) PDSoft软件提供了大量的工程标准数据库, 并在此基础上形成管道等级库, 对于制氧等标准管道及附件的设计有很大帮助。由于冶金行业非标准设备及附件较多, 其数据库中不可能包含所有非标准设备及附件数据, 尤其是在煤气等大管道设备附件方面数据欠缺, 所以需要专门和中科辅龙公司一起开发非标准设备和附件的数据库, 为今后燃气管道设计做好基础工作。同样, 其它管道专业也需要继续完善各自的工程数据库, 为以后工程设计做好基础工作。
(8) 对于Xsteel软件, 要想熟练的在工程中应用该软件需要投入人力来建立国内的常用的钢结构节点库, 节点库做的越详细, 那么使用起来就会更得心应手。
(9) 本次三维综合设计只是结合了燃气、水道和结构三个专业进行试点工作, 并未包含设备、电气仪表等其它专业, 在今后的工程三维设计中, 可以继续试点将这些专业包括进来, 以全面检测各三维软件之间的协同设计问题。并加强与各软件公司的沟通, 对遇到的问题提出具体的要求, 以便实现公司全面推进三维设计的目标。
7 结语
三维软件之间不能进行有效的相互转换和信息共享已经成为各个综合工程公司的三维设计发展的瓶颈。本次工程三维综合设计即针对各专业三维软件间的相互软件协同进行了有益的测试和开发。创新地提出了将二个大型专业三维工程软件综合使用, 在工程设计实践过程中, 试验了两个软件的接口模式以及文件格式, 通过一定的技术手段处理, 将两个软件生成的格式文件相互认同, 使两个软件间能够相互提供信息, 相互利用。
将三维软件设计推广到全公司各专业使用, 将会极大地提高工程设计质量和效率, 工程师可以从简单繁重的设计制图工作中解脱出来, 更加关注设计项目本身, 有效减少工程设计中的偏差, 符合公司质量控制目标和要求, 尤其符合公司总承包项目对设计工作的精细化和标准化的要求。
摘要：三维综合设计是工程公司有效提高设计质量和效率的必然趋势, 本文通过工程三维综合设计试点实践对此进行研究和总结。
关键词：工程设计,三维综合设计,三维设计软件