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信息化时代,设计企业亟待实施“科技制造”战略

发布时间:2020/6/11 16:14:17 浏览次数: 作者: 管理员 来源: 本站

交通设计企业实施科技制造的设想





陕西省交通规划设计研究院  熊鹰  马保林



科技制造是利用现代科技手段把原材料加工成适用的产品,或将原材料加工成器物的生产活动,属于各制造业生产活动的范畴。本文所指交通设计企业的“科技制造”,主要是指结合交通设计行业的特点,研发并使用具有自主知识产权的BIM软件平台,参数化地、自动化地完成设计工作的生产活动。



我国高速公路发展30余年来,交通设计企业完成了从米格纸手工绘图到计算机二维制图的变革,现今又迎来了三维数字信息化时代的挑战。2019年《交通强国建设纲要》发布后,面临新发展、新机遇、新挑战,如何在未来更高质高效地做好国省干线公路设计工作、维系生存发展,是摆在交通设计企业面前的重要课题之一。笔者认为,交通设计企业完全有必要、有能力实现相应平台的开发搭建,实施科技制造,快速服务生产。





交通设计企业科技制造概念的提出




随着信息化时代的来临与演进,2017年至今,国家从战略层面上要求设计企业尽快实现BIM设计输出工作。2017年,交通运输部下发《关于推进公路水运工程应用BIM技术的指导意见》后,诸多企业已成立了BIM应用研究部门,开始使用国际主流BIM软件平台进行设计探索与实践。随着BIM技术的发展与普及,交通设计企业逐渐认识到:信息化模型将会对交通设计质量与效率的提升发挥重要的推动作用。



调研发现,通过使用市场现有软件平台真正实现全员BIM输出和管理,其可行性有待商榷。因此,交通设计企业应效仿工业企业,从“科技制造”角度出发,推动企业生产力发展。有能力的设计企业应抓住当前BIM正向设计的根本,建立企业内部共享的“标准化”资源,开展软件开发工作,使构造物基本单元成为企业内在的标准化产品库,通过后台管理维护供前端生产直接参数化调用,完成“工业产品”的制造拼装,提高生产质量与效率。






交通设计企业生产方式发展现状





历史发展


计算机辅助设计(CAD)技术被引入之前,交通设计行业的生产工具以水准仪、经纬仪、计算器、图板、米格纸、直尺、弯尺、圆规、铅笔、橡皮等为主,图纸采取手绘的方式,设计稿定型后,经描图、晒图,装订成册,交付使用。高速公路发展初期,由于技术经验的不足,落后的生产力使得一条50公里左右的高速公路设计工作往往需要举全设计院之力,连续奋战近一年时间才能完成。这种“刀耕火种”的生产方式科技含量不足、总体效率低下,通用的设计成果难以被反复利用。据统计,这种现状一直延续到20世纪末,才有了较大的改观。


当前现状


自上世纪末,随着个人计算机(PC)的发展与普及,计算机辅助设计(CAD)技术被广泛应用,工具的革新使得设计师从繁重的手绘体力劳动中解放出来,设计师与绘图员的身份角色被区分开来,设计师将更多的精力投放到整体方案、结构计算和设计细节等工作中,通用的设计成果得到了电子化保存,实现了反复调用,整个设计行业的效率得到大大提高,高速公路设计周期缩短,质量得以提升。在新的生产工具的帮助下,从上世纪末开始,设计院单个生产部门每年可承接的高速公路设计项目增至1至2个。


勘察设计行业BIM软件的应用现状


交通土建行业期待BIM技术给生产力发展带来二次革命,产生质的飞跃。目前,比较常用的、占市场份额较大的BIM应用软件商主要包括以下3家:美国的欧特克(Autodesk)、美国的奔特利(Bentley)和法国的达索 (Dassault)。


欧特克公司的公路BIM典型解决方案以Revit、Civil 3D、Inventor、Infraworks为专业设计软件,以Navisworks为后期整合软件。Civil 3D软件在传统AutoCAD的基础上,增加了数字地面模型、管道设计、道路设计、边坡与坝体设计等面向土木工程辅助设计的功能。


奔特利公司的公路BIM典型解决方案以MicroStation、ProjectWise、OpenRoads  Designer、OpenBridge  Designer、ProStructures为专业设计软件,以Navigator为后期整合软件。由于支持带状结构和体量较大项目,目前在交通行业的应用较为广泛。


达索公司的BIM典型解决方案以Catia、Enovia、Simulia为专业设计软件,以Delmia为后期整合软件。核心软件Catia开发与应用最初主要针对的是飞行器设计制造,近年来,该公司根据市场发展的需要,也逐步向土木工程行业拓展及发展。


近年来,设计企业大多借助上述3家软件商提供的服务,即常提到的A、B、D三大平台,大力推进适合本领域的BIM应用和研发。




现阶段交通设计企业面临的问题




设计企业的生产力亟待根本性变革


CAD时代,设计人员一切工作在二维环境下进行,而实际上所有工程对象都在三维空间内延伸、变化,二维手段的局限在复杂地形、地质条件下日趋明显。以桥梁设计为例,在1:2000地形图、地形纵面线和横断面线上进行孔跨布置,由于地形信息缺乏连续性,往往不能够准确把握设计限制条件,造成设计成果的偏差。


现行生产方式与甲方严格的质量进度要求的矛盾日益凸显


在现有生产方式下,由于单个设计院的不同生产部门间的设计标准、设计习惯、出图方式和风格未能实现有效、完全的统一,对于大量的常规预制结构,一线生产人员不得不各自为战,进行手工的、重复的CAD作业,遇到大跨径的、结构特殊的桥梁或立交区变宽、小半径桥梁,往往难以腾出时间和精力进行设计,客观上加大了劳务外包、设计质量的风险,同时,也会给设计企业自身技术水平发展和提高带来不利的影响。


工程信息化的内在要求未能得到充分满足


经济的飞速发展、国家高速公路网规划的不断调整进化,给设计企业提出了更高的要求。为此,交通土建行业的BIM服务商应满足业主对于道路主体和附属设施的整套数字资产获取的要求。按照目前市场上BIM软件开发和应用水平,设计成果还不能够快速且充分地以信息化模型的方式向下游产业链传递,建设单位在建、管、养等各阶段利用BIM技术也将成为空谈。


设计企业核心竞争力不够明显


对于一般设计企业而言,虽然能够在勘察设计行业内享有一定的知名度,但是与一流设计企业相比,其竞争力就会稍显不足。在BIM设计时代,如何通过研发具有自主知识产权的高效BIM正向设计软件来促使企业技术水平和行业地位的提高,从而大幅提升自身市场竞争力,已经变得十分迫切。


进口BIM软件存在诸多问题


目前,BIM技术在交通行业应用的必要性,已经得到业内的一致认可,但仍缺乏能够真正实现BIM正向设计和电子交付的软件。目前,各主流软件公司数据不能实现完全兼容,数据传递时容易造成大量信息的丢失。建设单位、施工单位,包括加工企业都难以直接利用设计单位输出的BIM设计成果。为满足自身BIM需求,大多情况下企业仍需重新建模,客观上造成了资源的大量浪费。


由于勘察设计行业的产品必须参照并符合相应国家标准及行业规范,图纸产品中含有大量行业标准图及企业通用图等。现有的BIM软件针对这些标准构件并未开发出有效的工具,在实际设计中仍需手工建模并拼装,不仅效率低下,而且精度不足。


进口软件收费高昂,当全员BIM设计时代到来之时,如果依靠进口软件,中等规模勘察设计企业将面临着每年几百万元甚至上千万元的软件费用支出,企业生产成本将会倍数级增大。


另外,进口BIM软件还存在下列一些问题:部分进口软件对于简单的道路结构物建模尚能胜任,但对大型复杂结构支持较差;面向公路行业的预制件族库不足;程序运行消耗硬件资源情况严重;出图不符合公路行业习惯与需求;底层代码不开源,导致对软件进行二次开发难度过大等。




科技制造实施的可行性和必要性




科技制造实施的可行性


据调查,国内工程设计软件商的开发能力已经成熟,多家软件商已掌握自主知识产权的底层代码,无需依赖进口软件的二次开发,能够按照设计企业自身需求或行业通用需求,编写相应设计软件系统。研发真正的国产工业软件,能够促使我国工程设计领域摆脱进口软件垄断的束缚,保证地理信息和设计信息的安全性和设计成果的可靠性,有利于避免类似中兴、华为等事件的再次出现,具有一定的现实意义。


科技制造实施的必要性


采用科技制造方式,使大量一线人员从繁重的重复劳动中解放出来,有利于投身高价值服务、减少中间校审环节、整体提升设计品质、降低设计成本。


引入BIM技术后,桥梁上下部结构将在三维环境下布置,可轻易、多角度地观察桥梁与地形的关系,即时生成孔跨方案施工平台的填挖方情况,帮助设计人员第一时间判断桥梁布置的合理性和经济性,设计纰漏导致的工程变更将在很大程度上得以避免。


通过开发的系统,设计成果将以传统二维图纸和全线三维模型两种形式提交,而全线三维模型将按照《公路工程信息模型统一标准》(Q/CCCC GL501-2019) 被赋予了丰富的工程信息,方便整套数字资产的移交,形成“一次工作、两套成果”的生产方式,有利于促进企业技术进步、提高科技含量,进一步打响企业知名度、发挥社会效益、提高市场竞争力。




科技制造的原理认知与实施策略




标准化、参数化


如同轻工业领域运用自动化设备进行流水化生产,勘察设计企业的科技制造应该通过特定的设计软件、系统、平台进行标准化生产,标准件尺寸不应固定,应为参数化处理后的可最大程度地满足最终产品的灵活标准件。


根据我国交通行业现有知识经验积累以及企业设计习惯形成的常规结构,应在 BIM软件中完成归拢和梳理,并进行标准化和参数化处理,使用时只需遵循实际项目路线资料,填写必要参数来实现常规结构的自动拼装式建模。开发标准化、参数化的高效BIM正向设计系统,是破除交通行业BIM发展瓶颈的必由之路。


BIM正向设计


目前,虽然主流设计手段还主要以二维设计为主,但是在BIM设计时代即将来临的今天,勘察设计单位的科技制造系统应该是支持BIM正向设计的系统,这是由我国交通行业BIM发展趋势决定的。在进口软件难以满足交通行业需求的形势下,从软件底层开始的自主研发将成为唯一可行之路。标准件的定制应该是集体智慧的结晶,根据公路勘察设计各个专业现有需求,选择可以进行标准化处理的构件,确定其可以参数化处理的部分,标准件和参数化规则在后台经过严格的“两校三审”,具体设计项目采用这些参数化标准构件时将可以不再经过校审流程,直接使用。


中国交通行业经过长期的发展,已经积累了大量成熟的常规结构,广泛应用于各个高速公路建设项目。这些常规结构基本上都有标准设计方法,甚至形成了大量通用图纸,将这些常规结构参数化智能设计直接引入BIM软件研发,为设计人员提供各专业常规结构BIM设计工具,将有助于真正实现交通行业BIM正向设计,迅速提升目前勘察设计行业BIM设计效率及设计质量。


自动建模出图


交通设计企业科技制造的具体做法是:最大范围地选取标准化的设计经验或者标准化构件,对标准设计经验或者构件进行参数化处理,使其更具有普适性。根据参数,计算机自动匹配后台经验库中相关组件,调用并将参数赋予后台经验库或参数化标准件,实现标准化构件的参数化自动建模拼装。同时,搭建常规结构参数化通用图库,在完成BIM模型设计时还可以根据输入参数调取通用图库,生成常规结构二维图纸,做到一键成图。


这种标准化、参数化的BIM正向设计模式,将会对传统的勘察设计体系带来前所未有的变革。除传统设计、复核、审核角色之外,将会出现后台质量人的角色。后台质量人负责确保常规构件的安全性和合理性,设计人员只需合理使用常规结构进行建模出图工作即可。常规结构参数化经验库或通用图库可封装为成品软件,供其他勘察设计单位使用,后台质量人所在单位收取相应费用。这种模式将有利于实现勘察设计单位的科技制造,也是中国交通BIM技术发展的正确方向。


为实现本文所述的科技制造概念,中国交通勘察设计行业需拥有真正独立自主知识产权的BIM正向设计软件,这不仅将推动我国BIM技术本质性进步,促使我国交通BIM设计软件站上国际舞台,也将为提升交通基础设施设计与建设技术的国际地位起到极大的推动作用。



参考文献

[1]中华人民共和国交通运输部.关于推进公路水运工程应用BIM技术的指导意见[EB/OL].

http://xxgk.mot.gov.cn/jigou/glj/201805/t20180517_3021807.html,2018-03-05. 

[2](美)查克·伊斯曼,(美)保罗·泰肖尔兹,(美)拉斐尔·萨克斯,(美)凯瑟琳·利斯顿.BIM手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2016. 

[3]陈健,追梦.工程数字化技术研究及推广应用的实践与思考[M]. 北京:中国水利水电出版社,2016. 

[4]汪优,陈宝光.BIM在土木工程中的技术研究与应用[M].长沙:中南大学出版社,2017.