從工廠建筑開始
廠房的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程活動(dòng)。對(duì)工廠的設(shè)計(jì)，核心是對(duì)生產(chǎn)設(shè)施支持系統(tǒng)的保障。它包含了生產(chǎn)空間的設(shè)計(jì)、物料流動(dòng)、人與設(shè)備的關(guān)系等工廠布局。
單就廠房而言，它就是一座工業(yè)建筑。在工業(yè)化很長(zhǎng)的一大段時(shí)間內(nèi)，它就是鋼筋土泥水電氣的化身。這是一類專門面向建筑行業(yè)AEC(建筑、工程設(shè)計(jì)和施工)的三維設(shè)計(jì)軟件，包含了建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電等。還有一類是面向?qū)I(yè)的領(lǐng)域，如石化、電力和海事(PPM)等。而這二者，都涉及到了地理信息系統(tǒng)GIS的應(yīng)用。面向AEC領(lǐng)域的軟件，一般用來設(shè)計(jì)民用建筑、基礎(chǔ)設(shè)施，也包括工廠的建筑和結(jié)構(gòu)；而PPM則需要考慮大面積的管道、反應(yīng)容器等。
在民用建筑領(lǐng)域，建筑信息模型BIM也被廣泛使用。它可以說是在機(jī)械CAD發(fā)展到巔峰開始平緩的時(shí)候(大約在2000年左右)后的新一輪崛起，這一次它的突破口是建筑行業(yè)，背后的時(shí)代性動(dòng)力依然是計(jì)算能力的提升。CAD系統(tǒng)植根于圖形，而難以充分解決建筑信息的問題。類似結(jié)構(gòu)件的解決方式，基于BIM的建筑設(shè)計(jì)CAD開始出現(xiàn)。揮舞“結(jié)構(gòu)件”大旗的Revit，一改機(jī)械CAD里面的點(diǎn)線面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)，在建筑行業(yè)異軍突起。似曾相識(shí)，這里又要提到在1988年以“參數(shù)化建?！倍鴱氐赘淖兞藱C(jī)械CAD軟件PTC公司。是的，盡管一鳴驚人的PTC公司未能在建筑領(lǐng)域建樹威權(quán)，但他們出走的高管，卻是以同樣的思路，成立了新銳的Revit軟件 ，而且非常前衛(wèi)地采用了訂閱制。這種方法超越了時(shí)代的腳步整整二十年，訂閱制成為許多CAD軟件的主流。當(dāng)然，抵抗從來都有，即使在2020年，Revit的訂閱制受到了德國(guó)建筑界用戶前所未有的嚴(yán)厲批評(píng)和抵制。
回到二十年前，在二維CAD時(shí)代迅速崛起的Autodesk，早在1995年就開始研發(fā)建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)品。然而，即使是擁有在二維機(jī)械CAD市場(chǎng)最大的裝機(jī)量?jī)?yōu)勢(shì)，在BIM領(lǐng)域也無法站穩(wěn)腳跟。應(yīng)該注意到了BIM崛起的勢(shì)頭，歐特克在2002年收購(gòu)了Revit，并在同年推出BIM白皮書，讓這個(gè)早已被上個(gè)世紀(jì)七十年代學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出的概念，終于在市場(chǎng)端發(fā)揚(yáng)光大。但歐特克有意將BIM鍛造成獨(dú)家“概念之錘”的趨勢(shì)——實(shí)際上這是一場(chǎng)國(guó)際學(xué)術(shù)上的口水官司，歐洲人認(rèn)為是他們最早創(chuàng)建了這種軟件。但Autodesk的強(qiáng)勢(shì)，依然讓很多其它建筑軟件很尷尬，有時(shí)候會(huì)使用BIM，有時(shí)候也難免適當(dāng)做些切割。拉拉扯扯的尷尬狀態(tài)持續(xù)了一段時(shí)間。而隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)字孿生概念的走紅，BIM這個(gè)概念的意義則大大被削減。相信這也許會(huì)讓很多建筑設(shè)計(jì)CAD的廠商松一口氣，不必籠罩在“BIM由誰打響”這樣的命題之下。到目前，全球BIM建模軟件有70款之多，僅常用的就有25款。
圖1 設(shè)計(jì)CAD面向的領(lǐng)域
最早建設(shè)設(shè)計(jì)CAD軟件的發(fā)展得益于美國(guó)對(duì)于建筑標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)，使得面向AEC軟件快速發(fā)展。美國(guó)鷹圖軟件Intergraph在AEC領(lǐng)域的建樹，最早就是由美國(guó)一個(gè)城市建立數(shù)字地理空間的項(xiàng)目而形成。歐特克則更是推動(dòng)建立了國(guó)際互操作聯(lián)盟，將美軍的軍用裝備格式STEP引入到建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并力推一種BuildingSmart格式。這似乎是一種全球建筑格式的新霸權(quán)，歐洲市場(chǎng)對(duì)此反應(yīng)激烈。德國(guó)的Nemetschek并購(gòu)了匈牙利Grahpisoft公司的ArchiCAD軟件，它一直以來都是Revit的熱門對(duì)手。Nemetschek經(jīng)歷了大量的并購(gòu)發(fā)展，最終建立了與美國(guó)相抗衡的開放式OpenBIM體系。這段爭(zhēng)斗的歷史，反應(yīng)了歐洲對(duì)美國(guó)在建筑設(shè)計(jì)軟件格式標(biāo)準(zhǔn)上的壟斷所具有的高度警惕性。而德國(guó)這家建筑設(shè)計(jì)軟件巨頭旗下現(xiàn)在已經(jīng)累積了16個(gè)BIM軟件品牌，ArchiCAD名氣最大并在中國(guó)建筑設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢(shì)很大。一點(diǎn)都不意外的是，這款BIM軟件最早也是一批匈牙利的建筑師與數(shù)學(xué)家一起合作開發(fā)的。無處不在的提示，軟件的起源，總是跟數(shù)學(xué)有很好的綁定。
各個(gè)軟件都會(huì)找到自己的不同定位，比利時(shí)的BricsCAD以輕巧取勝(已經(jīng)被大胃口的?？怂箍凳召?gòu)了)，而芬蘭的Tekla則是一家專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)軟件研發(fā)，對(duì)各種鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。這種基于鋼結(jié)構(gòu)深層次的渲染能力而形成的特色，也使得它可以在BIM市場(chǎng)找到自己的一席之地。而達(dá)索系統(tǒng)的BIM，雖然是后起之秀，但也找到了一種進(jìn)入的方法。一般BIM的顆粒度不會(huì)太精細(xì)，而達(dá)索系統(tǒng)基于Catia內(nèi)核所開發(fā)的BIM軟件，進(jìn)一步將其顆粒度深化，進(jìn)入了可以制造的層面。在特別復(fù)雜的建筑如大興機(jī)場(chǎng)，已經(jīng)成為一個(gè)人居體驗(yàn)的藝術(shù)品，占據(jù)一席之地。大興機(jī)場(chǎng)的頂部大雙曲玻璃有8000多塊，每一張都是獨(dú)一無二的，它的設(shè)計(jì)由前到后，自動(dòng)轉(zhuǎn)換，從生產(chǎn)施工到單零件級(jí)，可以驅(qū)動(dòng)彎管機(jī)或切割機(jī)直接加工出料件。
基于原有機(jī)械CAD內(nèi)核開發(fā)的BIM軟件，整體而言是勝少敗多。它們往往被用于特殊的場(chǎng)合。Gehry Technologies 基于CATIA進(jìn)行二次開發(fā)而形成的行業(yè)應(yīng)用DigitalProject，發(fā)展成了建筑設(shè)計(jì)輕量化SaaS端應(yīng)用。而在2014年，這家公司就被美國(guó)天寶收購(gòu)。作為全球最有名的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)商，天寶在工程機(jī)械領(lǐng)域被廣為熟知，它建立了工地建筑的標(biāo)桿導(dǎo)航系統(tǒng)。全球第一大工程機(jī)械商卡特彼勒也持有它的股份。而收購(gòu)谷歌的數(shù)字地圖設(shè)計(jì)軟件SketchUp，則加強(qiáng)了它對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)的幾何造型能力。作為地理信息系統(tǒng)GIS的佼佼者，天寶在地理環(huán)境建模與施工機(jī)械導(dǎo)航之間形成了一體化的數(shù)據(jù)連通。從近幾年的布局來看，這也是它進(jìn)入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵戰(zhàn)略之一。
在中國(guó)，依靠建設(shè)部對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)著要求，中國(guó)面向AEC軟件也有了較快的發(fā)展。盡管在BIM的核心建模軟件仍然落后，但在其它方面也算是各有斬獲。包括北京PKPM、北京盈建科、廣州廣聯(lián)達(dá)、品茗、蘇州浩辰、北京博超等軟件。面向結(jié)構(gòu)分析的PKPM，源自中國(guó)建筑科學(xué)研究院，借助于863計(jì)劃的工程三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的課題而研發(fā)成功，一度占據(jù)勘察設(shè)計(jì)院90%的市場(chǎng)。后來該軟件的主要開發(fā)人離職后創(chuàng)建了盈建科，在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件市場(chǎng)中也迅速崛起。
而在工廠設(shè)計(jì)方面，鄭州六院本來有著很好的機(jī)會(huì)。當(dāng)時(shí)開發(fā)了工廠設(shè)計(jì)的JJ軟件包，在九十年代很活躍。它收集了當(dāng)時(shí)所有機(jī)床廠家的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(樣片庫)，包含了很多工藝軟件計(jì)算包，可以進(jìn)行工藝流、干涉性分析、計(jì)算負(fù)荷等?？上щS著改制的變遷，跟當(dāng)時(shí)很多冉冉興起的國(guó)產(chǎn)軟件一樣，慢慢失去了更新的能力。這再一次表明軟件的特點(diǎn)，它是一個(gè)慢步長(zhǎng)跑的事情。就算是靠攻關(guān)集中攻克出來，但后續(xù)如果沒有持續(xù)更新能力，那也不會(huì)有前景。軟件，需要持續(xù)地使用：常用才會(huì)常新。
而在工程造價(jià)方面，中國(guó)也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。除了魯班之外，廣聯(lián)達(dá)表現(xiàn)突出。它呈現(xiàn)了一個(gè)國(guó)外成熟軟件公司所具有的特性，那就是對(duì)并購(gòu)的偏愛。它在2014年收購(gòu)了芬蘭的BIM軟件MagiCAD，作為一個(gè)可視化和參數(shù)化模型，它擁有龐大的建筑產(chǎn)品模型庫，包括了窗戶、消防栓、動(dòng)力電纜等數(shù)十萬種不同類別的產(chǎn)品。這使得現(xiàn)場(chǎng)的建筑設(shè)計(jì)變得更加輕松。在中國(guó)工業(yè)軟件沉悶的資本市場(chǎng)上，廣聯(lián)達(dá)是少有的擅長(zhǎng)并購(gòu)組合的企業(yè)。最新一次收購(gòu)則是在2020年，收購(gòu)了以設(shè)備模型見長(zhǎng)、建立在Revit平臺(tái)基礎(chǔ)上的北京鴻業(yè)軟件。而作為新興的地理信息系統(tǒng)與GIM的結(jié)合，主打輕量化的上海葛蘭岱爾也嶄露頭角?？梢哉f，在各種軟件領(lǐng)域中，面向AEC軟件，中國(guó)算是咬得最緊、跟隨國(guó)外品牌跑得最近的一個(gè)領(lǐng)域。
工廠設(shè)計(jì)的交付
而在民用建筑之外，工廠的設(shè)計(jì)尤其是在石化、電力和海事等PPM領(lǐng)域，進(jìn)入了非常專業(yè)的工廠設(shè)計(jì)范疇。AEC領(lǐng)域的供電、通風(fēng)、土建以及給排水等，在PPM領(lǐng)域這里還只是一個(gè)開始。在石油化工、電力、制藥等行業(yè)，有著無數(shù)個(gè)大塊頭反應(yīng)釜和彎彎曲曲的管道。安全、控制開始變得無比的重要。于是面向廠房設(shè)計(jì)的軟件，就成為一個(gè)獨(dú)立的分支。這其中佼佼者包括施耐德電氣收購(gòu)AVEVA的工廠設(shè)計(jì)軟件PDMS。與民用建筑的AEC更偏重于土建相比，工廠設(shè)計(jì)類軟件更重視工藝流程走向、設(shè)備與管道的布置，以及各類設(shè)備與管道之間的碰撞干涉檢查與處理 。AVEVA軟件最早起源于上個(gè)世紀(jì)六十年代英國(guó)劍橋大學(xué)CAD中心的項(xiàng)目，這也再次確認(rèn)了英國(guó)大學(xué)與CAD/CAM軟件的廣泛聯(lián)系。政府撥款的軟件項(xiàng)目，在結(jié)束之后，就會(huì)孵化出商業(yè)軟件。我們應(yīng)該聽過太多類似的故事。跟機(jī)械CAD一樣，它也同時(shí)發(fā)育成長(zhǎng)。二者的差別直到1977年才開始變得迥然不同。這一年，管道設(shè)計(jì)軟件PDMS成為一個(gè)劃時(shí)代的產(chǎn)品。更準(zhǔn)確地說，它開創(chuàng)了一個(gè)全新的分支。然而這樣的標(biāo)桿性路標(biāo)，還需要另外兩家美國(guó)企業(yè)來分享。
美國(guó)鷹圖Intergraph和本特利MicroStation則是一對(duì)天生的冤家。鷹圖Intergraph有著CAD活化石的痕跡。它是上個(gè)世紀(jì)八十年代的五大CAD廠商之一(其它四家都隨著硬件與軟件的分離而消失或者被收購(gòu))。它最早是做印刷電路板PCB的設(shè)計(jì)，后來由于美國(guó)城市的地理數(shù)據(jù)化項(xiàng)目而進(jìn)入AEC領(lǐng)域，最后在1981年與一家工程公司合作開發(fā)了工廠管理設(shè)計(jì)系統(tǒng)PDS，從而成為一棵常青樹產(chǎn)品。
本特利的MicroStation則是一個(gè)平行交織的故事。鷹圖當(dāng)時(shí)最重要的一個(gè)客戶是杜邦化工，而本特利正是天天使用這個(gè)軟件的工程師。應(yīng)該是感覺這樣一個(gè)軟件實(shí)在過于復(fù)雜，于是自行重新開發(fā)了輕靈版的廠房設(shè)計(jì)軟件，并成立了本特利公司。這個(gè)公司推出的MicroStation的低成本部署方案廣受歡迎。鷹圖甚至投資本特利公司，并一度成為后者重要的銷售渠道。在軟件發(fā)展歷史上，低成本一向是行業(yè)發(fā)生變局的重要標(biāo)志，MicroStation很快就抓住了PC機(jī)開始普及的機(jī)會(huì)，從小型機(jī)市場(chǎng)果斷撤出，進(jìn)入了個(gè)人機(jī)市場(chǎng) 。在不同的陣地上，這類故事都是用著同樣的旋律。跟Autodesk、PTC、Solidworks等機(jī)械CAD軟件抓住硬件變遷的浪頭一樣，MicroStation也得到了時(shí)代對(duì)于善變者的嘉獎(jiǎng)。后來經(jīng)過復(fù)雜的變遷，它跟Intergraph已經(jīng)成為最重要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。加上AVEVA，基本成為流程電力造船行業(yè)最重要的三個(gè)工廠設(shè)計(jì)玩家。但時(shí)代進(jìn)化總會(huì)產(chǎn)生裂痕，猛虎也會(huì)被大地吞噬。Intergraph在輝煌時(shí)期經(jīng)歷了跟英特爾復(fù)雜的官司訴訟，加上戰(zhàn)略判斷失誤，逐漸開始走下坡路，在2006年被投資公司并購(gòu),并在四年后加入三維坐標(biāo)測(cè)量公司瑞典?？怂箍档钠煜?。而AVEVA則在2018年被施耐德電氣反向收購(gòu)。至今，三劍客之中，只有本特利仍然保持獨(dú)立的發(fā)展。
鷹圖Intergraph在后期也一度在電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA領(lǐng)域進(jìn)行過耕耘，并最終將相關(guān)部門賣給了當(dāng)前依然活躍的三大EDA軟件商之一的CADENCE。這不免給人一種印象，一個(gè)集成電路板不過就是另外一座龐雜的建筑而已。在那里，各種微弱電流往返的超微通道跟北京上海城市的大路并無不同。這種視角，會(huì)讓我們更好地理解工業(yè)軟件為何一定是強(qiáng)大制造底層的基石。即使從同一個(gè)點(diǎn)出發(fā)，工業(yè)軟件也有很多指向。InterGraph公司不僅僅設(shè)計(jì)了廠房設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，即使在機(jī)械CAD市場(chǎng)也大有斬獲。值得一提的是，這家公司是中低端三維CAD軟件SolidEdge的創(chuàng)立者，現(xiàn)在已經(jīng)成為西門子旗下的產(chǎn)品，品牌依然活躍。
這類需要考慮行業(yè)特性的管道設(shè)計(jì)到后來都發(fā)展成為綜合性的工廠設(shè)計(jì)軟件，大量工藝和設(shè)備的知識(shí)，也提前進(jìn)入工廠設(shè)計(jì)軟件之中。世界變得復(fù)雜了，軟件也同步跟進(jìn)。人類看待世界的顆粒度，其實(shí)是由軟件來固化。無論是精細(xì)的生物結(jié)構(gòu)，還是宏大的宇宙空間，軟件呈現(xiàn)了伸縮自如的尺寸，如影相隨。工廠設(shè)計(jì)，有廠房，有機(jī)器，有管道，需要包含一套智能建造。如果希望工廠建好之后，管道里的液體流動(dòng)跟想象中一樣的安全穩(wěn)健，那么就需要在實(shí)際安裝之前，洞察管道流動(dòng)的物理和化學(xué)機(jī)理。從設(shè)計(jì)師的想象，到現(xiàn)場(chǎng)工人的操作，跨越時(shí)間和空間握手，只有軟件才能完成這樣的穿越和連接。造物者，起于心成于手，只有軟件才能實(shí)現(xiàn)在工程中精確地復(fù)制創(chuàng)意，一遍又一遍而不走樣。
工廠的數(shù)字化交付應(yīng)運(yùn)而生。有了這些軟件生成的物理模型和仿真機(jī)理，如果能夠跟將來的工廠運(yùn)維結(jié)合起來，數(shù)據(jù)將真的實(shí)現(xiàn)全生命周期的流轉(zhuǎn)。這是工廠里一次前所未有的新氣象。廠房設(shè)計(jì)的軟件，將再次發(fā)揮著重要的作用。國(guó)內(nèi)這方面的軟件，跟機(jī)械CAD市場(chǎng)有些類似，在設(shè)計(jì)端相對(duì)較弱，很難進(jìn)入設(shè)計(jì)院。這塊市場(chǎng)也基本被前面幾個(gè)品牌所壟斷。國(guó)內(nèi)主要有長(zhǎng)沙優(yōu)易軟件UESOFT作為國(guó)產(chǎn)三維管道CAD/CAE一體化設(shè)計(jì)的代表之一，在能源石化領(lǐng)域也有一席之地 。當(dāng)設(shè)計(jì)院完成工藝設(shè)計(jì)之后，圖紙就會(huì)進(jìn)入建造方和之后的運(yùn)營(yíng)。這中間涉及到了大量的數(shù)據(jù)斷點(diǎn)，給國(guó)內(nèi)一些做模型重構(gòu)的軟件公司，如中科輔龍科技、圖為、綏通等國(guó)產(chǎn)軟件，留下了重新打穿數(shù)據(jù)通道的機(jī)會(huì)。一些來源自各行業(yè)工廠設(shè)計(jì)背景的公司如中機(jī)六院牽頭聯(lián)合國(guó)機(jī)集團(tuán)相關(guān)單位成立的國(guó)機(jī)互聯(lián)等也跨界投入了這一領(lǐng)域的軟件開發(fā)。從定制化起家，這些企業(yè)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是對(duì)設(shè)備特性和建模非常熟悉，對(duì)數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換也有很好的駕馭。畢竟，就像手術(shù)室縫合傷口一樣，對(duì)數(shù)據(jù)工藝特性的了解，決定了數(shù)據(jù)連接的精度。數(shù)字化交付，有了可以信賴的顆粒度。
中國(guó)基建狂飆猛進(jìn)的背后，是一個(gè)國(guó)外廠家不太熟悉的三邊工程(邊設(shè)計(jì)、邊采購(gòu)、邊施工)。三邊工程在國(guó)內(nèi)也是備受爭(zhēng)議，但卻屢見不鮮。一方面跟工期計(jì)劃安排過緊有關(guān)系，另一方面也是與信息流通不暢有關(guān)。而數(shù)字化技術(shù)，正在試圖挽回這樣的局面。那些被切斷的數(shù)據(jù)，正在被重新連接。從前到后，按照?qǐng)D紙和設(shè)備的數(shù)據(jù)，在數(shù)字化交付的大背景下，可以用數(shù)字孿生方式重構(gòu)工廠的生產(chǎn)設(shè)施支持。數(shù)字孿生，將是打通三邊工程的一個(gè)重要抓手。
以前，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展數(shù)據(jù)不清晰不準(zhǔn)確，對(duì)于物資到貨、施工進(jìn)度等數(shù)據(jù)，主要依賴于項(xiàng)目進(jìn)展而非圖紙資料。這在信息化高度發(fā)達(dá)的今天，聽起來簡(jiǎn)直是不可思議。由于現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目經(jīng)理無法了解詳細(xì)的施工進(jìn)展，不清楚材料到貨與剩余施工計(jì)劃是否匹配，只能經(jīng)常召開進(jìn)度協(xié)調(diào)會(huì)，每次會(huì)議長(zhǎng)達(dá)半天。而中科輔龍科技采用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建工廠模型，基于工廠對(duì)象自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)變更并疊加施工進(jìn)展和庫存等信息，就可以降低一半以上的會(huì)議頻率和時(shí)長(zhǎng)。
當(dāng)前，石油化工行業(yè)正在躍躍欲試地推進(jìn)工廠資產(chǎn)如各種設(shè)備的數(shù)字孿生，以工藝特性為基礎(chǔ)，建立高保真的物理模型是首當(dāng)其沖的任務(wù)。而數(shù)字化交付也迎來了新的春天。
小記
工業(yè)軟件，總是藏得很深。宏偉的工廠，令人生畏；而背后的設(shè)計(jì)軟件，卻經(jīng)常被一筆帶過，甚至無人知曉。而工廠的數(shù)字化交付，正將二者虛虛實(shí)實(shí)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)師和操作員完成了穿越時(shí)間的對(duì)話。
作者：林雪萍(北京聯(lián)訊動(dòng)力咨詢公司總經(jīng)理，上海交大中國(guó)質(zhì)量發(fā)展研究院客座研究員)
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