中小型化工设计院设计三维化转型之路

■ 浙江省天正设计工程有限公司 宰斌 孔敏 吴冬香 戴逸强

上世纪90年代，以原化工部部属设计院以及中石化、中石油系设计院为代表的国内石化化工行业大型设计院（工程公司）已开始引入三维设计，并在2000年左右开始迈入全体项目三维设计阶段（以管道设计为主），以上可视为国内石化化工行业设计三维化的第一个阶段。在这一阶段中，以各省、市化工设计院为主的中小型设计院，由于所面对客户群体、执行项目规模等需求面实际情况，并未参与该阶段，仍以二维设计作为主要手段。

2010年以后，随着数字化交付等业主方需求的萌发，以及近年来新型建设施工技术手段的不断迭代更新，工程施工机器人、工程数字化预制设备、工程3D打印技术，无一不对前端设计提出了数字化的新要求。而三维化作为数字化的首要组成部分，面对市场发展的压力，行业内各中小型设计院已纷纷投入设计三维化，或计划开展设计三维化。但是，设计从传统的二维模式转变为三维模式，需要从设计思维到设计工具的全面转变，同时又需要考虑转变的成本因素。究竟怎样才是真正适合中小设计院设计三维化的方式？本文结合浙江省天正设计工程有限公司（以下简称“天正设计”）在化工类项目三维设计过程中的实践，对二维设计向三维设计的转型过程进行探讨，提出适合行业中小型设计院的设计三维化解决方案。

图1 CADWorx界面

图2 CADWorx读取天正建筑

图3 CADWorx读取天正暖通

图4 CADWorx车间内各专业综合

化工行业中小设计院设计三维转型难点

国内化工行业中小型设计院以原省、市石油化工设计院为主，部分已在2010年前完成了体制改革，由原有的国有事业单位转变为企业，直接参与市场竞争。发展至今，除头部几家院企外，大部分中小型设计院人员规模在200人以下。在工程项目设计流程中，各家院企均已形成了工艺（含管道）、建筑、结构、总图、电气、自控、暖通、给排水等细分专业，每一个工程项目设计的完成，均为各专业配合作业的成果。同时，各设计专业在设计信息化的过程中，部分已采用了适合自己专业的计算机设计辅助软件，特别是与民建行业设计院有着相关工作划分的各专业。这些辅助软件大多为国内公司基于AutoCAD平台进行开发的，其中，比较典型的就有天正系列设计软件。

随着工程建设的发展，在工程设计中获取更精准的工程材料清单、在设计中高度模拟还原项目建成投产后的操作环境、在设计过程中更合理的避免各专业碰撞发生等需求不断提出，催生了设计三维化在化工类设计项目中管道设计部分率先展开。但是，设计始终是协同的过程，设计的三维化也需要充分考虑除管道专业外其他专业的适应性。只有各专业设计内容能够在三维环境下完成综合，才能够体现三维设计在具象化、实体化上较二维设计存在的优势，以设计手段促进设计质量的提高。上述各专业综合的过程，类似于在二维设计过程中的以各专业图纸综合会签。

在上述实际背景情况下，中小型化工设计院在开始走设计三维化道路时，通常会碰到以下三个方面的阻力：

来自设计人员的阻力

设计人员作为整个工程设计工作的一线参与者，直接决定着设计的成败。在设计工作从手工制图转变为计算机制图（CAD）的过程中，由于工作效率的明显提升，获得了大多数设计人员的支持，在这一次的转变中体现出了设计人员的主动性。采用CAD进行设计并没有改变设计本身是堆砌线条的过程，这和手工制图时代并没有很大改变，这也是容易让设计人员接受的部分原因。但是，设计从二维向三维转变，除了设计中思考模式的改变，设计从“画线”变成了“建模”外，设计人员原本已在CAD下练就的高效的快捷键使用、“画线”操作过程，在新的设计软件下将可能全部归零，这就造成了设计人员自身意愿的降低。来自人的阻力，通常是新事物出现、新模式实施的最强阻力。

来自设计流程的阻力

设计始终是各专业协作的过程，如果在设计三维化的过程中获益的仅只有其中的一个专业，且带来其他专业的工作量增加，那么在现行的设计体系下将产生较大的阻力，开展困难。

同时，现行的工程建设方法，现场施工仍需要二维图纸。在设计过程进行三维化后，如果不能便利地获取规范的二维图纸，那三维化后的设计效率将难以满足工程建设的需求。

以上两点是来自设计流程的阻力，也是设计三维化中的主要阻力。

来自直接成本投入的阻力

这里的直接成本投入就只谈三维设计软件的采购费用及对应的计算机硬件的升级费用。软件部分，市面上大部分三维设计软件包括国产、国外设计软件，大多提供单点买断及年度租用两种采购模式，大部分的单点买断价格从几万至几十万每用户点；硬件部分，由于三维设计软件大多需要三维引擎的支持，对计算机的图形运算能力提出了比CAD时代更高的要求，因此，配合三维软件使用的计算机往往需要在CPU、显卡、内存等硬件上进行升级。

以上成本投入比较明显，往往在设计院决定进行三维设计转型时就已进行充分评估，且可通过分批分步实施的方式降低一次性投入。由于投入产生的阻力仅为次要阻力，且如果选择的软件工作方案具有较高的经济性，则该部分阻力将进一步降低。

综上，在中小型化工设计院设计三维化转型的过程中，如何尽可能地减小设计人员的上手难度、较少地突破原有设计流程、进行较低的投入，是转型能否顺利的关键因素。

设计三维化转型实践

天正设计从2005年开始三维设计。根据不同项目业主方的要求，先后使用过AVEVA公司的PDMS及海克斯康数字智能的PDS软件，涉及项目主要为装置类项目，且每年仅在个别项目中进行运用，三维设计仅有工艺（管道专业）少数人员参与。

对应天正设计在精细化工、医药方面的设计特色与行业优势，天正设计有一大部分项目为各设计专业参与较完整的车间类单体。为了在这类项目设计中更便捷地开展进行三维设计，经过多方调研，天正设计于2015年开始引入海克斯康数字智能的基于AutoCAD &BricsCAD双平台的三维设计软件CADWorx（主要为CADWorx Plant Professional），作为车间类单体、多专业协同的三维设计解决方案。

图5 CADWorx材料ACCESS数据库

图6 CADWorx等级库编制

图7 CADWorx设备建模

图8 CADWorx管道设计

经试点项目运用情况总结，CADWorx所具备的特点基本可以达到推广三维设计时的实际需求。

设计人员较易上手

首先，CADWorx是一款基于AutoCAD &BricsCAD双平台开发的三维设计软件，其使用界面与CAD完全一致，且可以完全兼容CAD中的操作命令及键盘快捷命令输入。以DWG格式文件作为设计成果存储端，双击DWG文件可直接进入设计界面，与CAD使用完全一致。以上特点对设计人员十分友好，尽可能降低了设计人员的上手难度，减少了设计人员对设计方式转变的阻力。

不同专业较易协同

在引入CADWorx前，天正设计各专业设计软件采用情况如表1所示。

表1 软件采用情况

以上情况可以看出，天正系列设计软件作为CAD设计的辅助设计软件当时在天正设计已有较大范围的应用。因此，在进行三维设计时，如果可以和已采用的天正类软件进行充分的协同，将在管道设计三维化的过程中，大大降低与其他专业进行协同的难度。

在实际应用探索的过程中，建筑、暖通、给排水三个专业通过在相应天正系列设计软件中仅添加标高属性后，完成了二维设计的简单三维化。同时，保存后的图纸可直接在CADWorx中完成参考调用，结构专业的PKPM/YJK计算结果模型更可以直接导入CADWorx中，从而完成了在设计界面下的专业整合，大大方便了后续的空间碰撞检查及车间内设计综合优化工作。

设计流程较少变化

由于不需要管道专业外的各专业为了设计三维化的转型去学习、应用新的设计软件，仅需要在原设计过程中，在原设计软件内渐进的、结合设计过程完成标高属性的设置，就可以获得可供后续管道三维设计开展的车间三维环境。因此，对原有的正向设计过程没有改变，对设计人员的设计工作量增加极少，在几乎无感的情况下完成了三维化，且三维化后的设计结果由于其可视性的提高，对于车间内各专业间空间碰撞检查、设计优化带来的便利性产生了本质的提升。

管道设计采用CADWorx时，后期完成材料统计、ISO图生成、管道平面图生成均十分便捷。以材料统计为例，应用CADWorx自带功能可导出包含制定范围内每根管道上元件材料描述、数量等信息的ACCESS数据库。可直接导入我院已有的综合材料统计工具，完成管段表、综合材料表应用公司标准图框后的自动出图。在没有单独的综合材料统计工具时，也可通过简单的ACCESS数据库操作，完成管道材料差错、综合材料统计等工作。

直接成本投入较少

相较于其他设计软件的初次采购费用，CADWorx在首次引入部署时具有较好的经济性，在仅采购CADWorx Plant模块的情况下，较少的投入即可在设计院进行设计三维化转型中形成一定的生产力。同时，与天正系列设计软件的协同使用，也可在一定程度上减少使用点数的需求。

对计算机而言，CADWorx软件的部署要求集中在CPU单核计算能力、内存容量、显卡内容。对原CAD使用的计算机，一般通过增加内容即可满足基本使用需求。同时，采用共享网盘或ftp的形式，即可实现多点协同，对设计院网络没有增加额外要求。因此，对硬件的投入也是可控的。

与其他三维设计软件的比较

数据库管理更方便

CADworx中已内置大量已经参数化的管道元件，其中，国际数据库包括了ASME标准、德国DIN标准、日本和南非等的标准数据库；国内数据库包括化工、石化、国标、电力、机械、石油、水处理等标准数据库。可视化的管道等级编制界面大大提高了材料描述编译工作的效率。

同时，附着在管道本体上的材料描述方法也更方便设计人员在设计过程中对局部有特殊管道材料或管道材料处理方式有要求的情况进行更改说明，不需要完全依赖于项目管理员对项目底层基础等级库的修改、变更，提高了设计的灵活性。

设备模型更灵活

采用了单台设备单独建模、管道设计时进行参考定位的设计方式，使得设备建模在设计过程中十分灵活，不但可以十分便捷地在同个项目内完成同类型设备调用，同时使在不同项目间的设备模型重复使用更加简便，为设计院打造自己的标准设计设备三维资料库，提供了很好的支撑。

管道设计更高效

基于AutoCAD&BricsCAD双平台开发，使其可以使用与CAD中完全相同的命令进行设计操作，实现一手键盘、一手鼠标的三维设计方式。相较于其他三维设计软件仅可使用鼠标定位与图形界面中功能按钮点击的设计操作方式，键盘快捷命令的输入效率得到显著提升。采用类似CAD二维制图时采用的复制、打断、拉伸、旋转等功能，使三维管道设计从管道元件搭积木形式的拼接建模，转变为了绘图式建模，使人机交互使用的体验感获得了提升。

同时，在工程项目交付过程逐渐步入数字化交付的新时期，采用CADWorx完成的、绑定有工程项目唯一位号工厂对象的三维设计，生成的工厂三维模型也可被导入目前国内外各大主流数字化交付平台，能够为业主顺利完成工程项目的数字化交付提供有力的三维支持。

经过了一段时间的应用实践，CADWorx已在天正设计各专业综合参与的精细化工、医药行业项目车间类单体的设计中产生了良好的应用效果，形成了切实可行的、适用于中小型化工设计院的设计三维化实施方案。

结语

三维设计是打造数字化工厂的第一步，是实体工厂走向“云端”的开始，是项目建设方获取项目数字资产的必由之路。随着“十四五”的到来，数字化浪潮必将愈加汹涌，工程项目设计的数字化、三维化的脚步也将愈行愈疾。天正设计通过项目执行过程中的设计三维化实践，已形成了切实可行的、适用于中小型化工设计院的设计三维化实施方案，希望能够为同行提供参考与借鉴。