論計算機技術(shù)在工程中的應(yīng)用

石永剛

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連116600)

0 引言

隨著社會的不斷進步和時代的不斷發(fā)展，生產(chǎn)、生活環(huán)境也產(chǎn)生了翻天覆地的變化，而帶來這些變化的最重要的一點因素就是計算機技術(shù)的變革與更新。國內(nèi)外建設(shè)行業(yè)競爭日趨激烈，建設(shè)行業(yè)的生存壓力亦大幅度增加，為適應(yīng)當前優(yōu)勝劣汰快速發(fā)展的時代，建設(shè)企業(yè)為了生存必須要不斷學(xué)習(xí)新的管理理念和先進的管理技術(shù)。因此，BIM技術(shù)作為計算機技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，應(yīng)用在工程中，使得項目在全壽命周期的各個環(huán)節(jié)提高了效率，縮短了周期，降低了成本，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了良好條件。

1 計算機技術(shù)

1.1 設(shè)計技術(shù)論述

在設(shè)計發(fā)展的過程中，設(shè)計人員為了解決具體的設(shè)計問題，會采用各種方法和手段，這些方法和手段稱之為設(shè)計信息技術(shù)。隨著社會快速發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)計效率低、準確性差、無法跟上社會的節(jié)奏，伴隨計算機技術(shù)的快速發(fā)展，使得設(shè)計技術(shù)水平呈現(xiàn)出動態(tài)化、科學(xué)化、主動化、現(xiàn)代化的特點，極大地提高了設(shè)計的效率和精確性。現(xiàn)代化的設(shè)計技術(shù)包括四個維度：基礎(chǔ)技術(shù)、主體技術(shù)、支撐技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)。傳統(tǒng)的設(shè)計理論和方法被稱之為一種基礎(chǔ)性的技術(shù)?，F(xiàn)在的主體設(shè)計普遍使用的技術(shù)就是計算機輔助系統(tǒng)設(shè)計的信息技術(shù)CAD，通常稱之為主體技術(shù)。可信設(shè)計技術(shù)、實驗性設(shè)計技術(shù)以及現(xiàn)代化的設(shè)計方法論共同構(gòu)成了一種支撐性的技術(shù)。各種產(chǎn)品中涉及到不同的設(shè)計領(lǐng)域所采用到的知識與技術(shù)都是在信息技術(shù)中的應(yīng)用，BIM技術(shù)就是應(yīng)用技術(shù)的產(chǎn)物。

1.2 數(shù)字化設(shè)計與數(shù)字化產(chǎn)品研究開發(fā)

1.2.1 概述

在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用計算機技術(shù)形成數(shù)字化設(shè)計。數(shù)字化設(shè)計(如BIM設(shè)計)是以三維設(shè)計理念為研究核心，與數(shù)字化生產(chǎn)、三維制造和仿真構(gòu)成了基于三維產(chǎn)品的數(shù)字化研究平臺。通過數(shù)字化研究開發(fā)平臺來搭建一個數(shù)字化的產(chǎn)品模型，并將其作用于整個產(chǎn)品研制和開發(fā)工作的全過程，以有效地減少或避免對于物理模型的使用，防止后期產(chǎn)品試制過程中出現(xiàn)大量返工或設(shè)計變更。產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)的一個本質(zhì)是對信息資料進行數(shù)據(jù)采集、傳遞、加工處理，通過對數(shù)據(jù)的采集和分析加工，形成最終的設(shè)計實踐活動和仿真開發(fā)活動，在設(shè)計實踐活動與仿真開發(fā)活動相互作用的整個過程下把所有的工藝問題、生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題、維修中出現(xiàn)的問題都拿到了設(shè)計階段去考慮并加以解決，減少在制造過程中各個環(huán)節(jié)發(fā)生的返工次數(shù)，以提高生產(chǎn)效率。

1.2.2 數(shù)字化設(shè)計的特點

并行式設(shè)計。同一項目的設(shè)計任務(wù)可以由不同國家和不同地區(qū)的設(shè)計師或團隊同時完成，進行設(shè)計和組裝，形成一個完整的數(shù)字化模型。并行設(shè)計的主要理念為：1)在設(shè)計的同時要充分考慮到影響產(chǎn)品壽命和生存周期的一切因素；2)在產(chǎn)品設(shè)計的過程中各個活動之間發(fā)生并行或交叉；3)產(chǎn)品壽命周期涉及的各個領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人才參與并協(xié)同工作。

1.2.3 數(shù)字化設(shè)計技術(shù)

1)設(shè)計參數(shù)化、變量化、模塊化

按照配置方案進行的設(shè)計與按照訂單信息進行的設(shè)計，其基礎(chǔ)就是采用參數(shù)化、變量化分析等技術(shù)。參數(shù)化設(shè)計包括兩個組成部分：參數(shù)化的圖元設(shè)計與參數(shù)化修改引擎。每個圖元都應(yīng)該以建筑物構(gòu)件的類型和形式進行呈現(xiàn)，通過對參數(shù)的選擇進行調(diào)整可以反映出各種構(gòu)件之間的不同，參數(shù)作為存儲在圖元上的信息，它們可以被用于對建筑物進行數(shù)字化。模塊化是指把一個復(fù)雜問題的解決過程分成若干模塊，由此來降低復(fù)雜性。據(jù)統(tǒng)計，大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計都是以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ)進行演變而來的。數(shù)字化設(shè)計優(yōu)點：產(chǎn)品更新迭代快；設(shè)計和制造周期縮短；成本降低；后期維修方便，使得產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠。為了有效地保證設(shè)計質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性，提高設(shè)計效率，可以考慮采用一種參數(shù)化、變量化和模塊化的建模工藝，極大程度上方便了設(shè)計修改。

2)虛擬產(chǎn)品開發(fā)方法

虛擬化的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)是由各種人員通過網(wǎng)絡(luò)來組成，如軟件的設(shè)計、分析、仿真、制造以及產(chǎn)品銷售和服務(wù)等方面。采用BIM技術(shù)設(shè)計出的數(shù)字模型就是典型的虛擬產(chǎn)品。工作人員通過互聯(lián)網(wǎng)組成了產(chǎn)品研發(fā)小組，將不管身處何地的各個人員緊密聯(lián)系起來，實現(xiàn)異地協(xié)同工作。

采用數(shù)字化的形式“虛擬地”來制作產(chǎn)品，在制作實物之前就會對產(chǎn)品的性能、外表等情況進行評估，快速地完成了新產(chǎn)品的研究和開發(fā)。由于所有的數(shù)字化模型都是存儲在計算機系統(tǒng)中的一種虛擬化產(chǎn)品，因此可以對其隨時隨地地進行研究、分析和修改，這樣就使得新產(chǎn)品研究和開發(fā)所涉及到的各個方面，包括設(shè)計、制造、裝配、修理、維護、銷售等均能同步相互配合。

虛擬化產(chǎn)品的開發(fā)主要包括五個過程：設(shè)計初期CAD技術(shù)的實際應(yīng)用、各部門間進行信息共享、實施工程、并行協(xié)作、人員全面參加、完整的虛擬化產(chǎn)品研究和開發(fā)。

1.3 CAD技術(shù)

CAD這項技術(shù)實現(xiàn)了整個設(shè)計流程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、并行式、集成化。CAD經(jīng)歷了初期的二維工程繪圖，到現(xiàn)在已有了三維線框圖、三維曲面、參數(shù)化實體特點，最終貫穿于產(chǎn)品開發(fā)的全生命周期。

目前，用CAD這項技術(shù)已經(jīng)可以完全實現(xiàn)大多數(shù)設(shè)計過程中的各種活動，但也會有一些其他的活動，例如對設(shè)計進行需求分析、對設(shè)計進行可行性研究等都難以通過CAD這種技術(shù)手段來完全實現(xiàn)。CAD的核心思想就是建模與仿真，而不是繪圖。在三維實體模型的基礎(chǔ)上，將零部件組合起來形成一個數(shù)字化虛擬產(chǎn)品，并形成一個數(shù)字化原型(DMU)。數(shù)字化原型可以驗證各種零件之間的安裝和維護關(guān)系，可以對其運動進行仿真，可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)透視關(guān)系復(fù)雜的技術(shù)產(chǎn)品內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)，可以對其進行安裝、維護等人機工程方面的研發(fā)?；谌S實體模型，將零部件裝配到一個數(shù)字虛擬制造的產(chǎn)品中，見圖1。

圖1 計算機輔助下的產(chǎn)品開發(fā)過程

現(xiàn)代CAD技術(shù)的發(fā)展最終目標之一就是盡量采用先進制造和生產(chǎn)的自動化設(shè)計技術(shù)，使所需要的產(chǎn)品能夠做到高質(zhì)量、低成本、短周期，從而獲得更多優(yōu)勢，在先進的制造方法模式下占取大量市場。

2 計算機技術(shù)的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在精細化管理中的應(yīng)用

2.1.1 闡述精細化管理

精細化管理是中國大型企業(yè)經(jīng)營管理的一種思想，是將企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略與目標進行了分解、細化、落實的一個過程，可以將其視為提高企業(yè)總體執(zhí)行力的重要手段。在現(xiàn)代企業(yè)管理的具體實際運用和執(zhí)行中，精細化管理主要指出了運用現(xiàn)代企業(yè)管理項目的手段和方法，借助當前先進的計算機技術(shù)，將所有需要進行規(guī)范和控制的管理對象，進行數(shù)字化、精細化、準確性的管理，從而增強和提高了企業(yè)管理項目的能力，進而大幅提升了企業(yè)的綜合效益。

目前，各大企業(yè)都比較認同精細化經(jīng)營管理，其總體思想概括起來被稱之為“五精四細”?！拔寰奔淳A、精髓、精品、精通、精密?！八募殹奔醇毞质袌龊皖檰?，細分企業(yè)在各種經(jīng)營活動中所處的職能和工作崗位，細化和分解每一個企業(yè)的戰(zhàn)略、決策、目標、任務(wù)等，細化整合企業(yè)經(jīng)營管理制度的編制、實施、控制、檢查、激勵等各個流程環(huán)節(jié)。精細化管理就是要緊緊抓住企業(yè)的主要矛盾，將所有企業(yè)的組織管理戰(zhàn)略明確化，并規(guī)范化地加強對企業(yè)內(nèi)部管理，將所有企業(yè)資源和經(jīng)濟效益都達到最大化，即從管理中要效益。精細化的管理應(yīng)該具備以下幾個方面的特點：

1)科學(xué)性。根據(jù)企業(yè)的特點和項目本身的實際情況，制定具有可操作性的管理流程。

2)制度的規(guī)范性。精細化管理對制度的規(guī)范程度要求很高。這里的制度不只是對項目的管理和控制，更是要協(xié)助項目的管理者完成角色的轉(zhuǎn)化，并進一步做到對項目目標的指導(dǎo)和對事前的控制。

3)確保管理者合理管控項目。制定精細化管理計劃，重視對項目經(jīng)營者和所有人員進行精細化的管理，提高項目全體經(jīng)營者的整體綜合素質(zhì)。

4)全方位調(diào)動所有人員。精細化管理就是要讓項目所有人員都參與到整個管理過程中來，發(fā)揮每個人的主觀能動性，進一步梳理工作流程，改善管理機制，確保項目管理的常規(guī)化。

2.1.2 BIM技術(shù)在精細化管理中的具體應(yīng)用

1)提高工程量的計算效率。工程概算技術(shù)人員在設(shè)計時可利用BIM三維建模的功能，調(diào)用BIM建模軟件中內(nèi)置的參數(shù)化組件，輸入設(shè)備及材料正確的尺寸、重量等屬性，建立三維模型，通過模型計算出相應(yīng)的工程量，這樣大幅提高了工程量計算的準確性和概算人員的工作效率。

2)信息互用，協(xié)同管理。利用BIM軟件建立項目成本數(shù)據(jù)中心，各部門如設(shè)計、采購、施工都可以將影響工程造價的變更信息和項目設(shè)備、材料價格上傳到數(shù)據(jù)中心。這樣項目組成員都能夠共享到項目的所有信息，提高相關(guān)部門人員的成本意識、責(zé)任清晰，通過BIM協(xié)同設(shè)計平臺，形成暢通無阻的共享式流程化的工作模式，充分體現(xiàn)出總承包項目精細化管理的程度。

3)檢查碰撞，節(jié)省費用。BIM特有的碰撞檢查功能，是傳統(tǒng)二維設(shè)計所無法比擬的。BIM的協(xié)同設(shè)計一定程度上可以避免碰撞的發(fā)生，同時，BIM還可以在設(shè)計結(jié)束后，從整體上進行碰撞檢查，在施工前發(fā)現(xiàn)碰撞并及時得到解決，避免返工和變更的發(fā)生，為項目節(jié)省費用。

2.2 計算機技術(shù)在工程管理中的應(yīng)用

2.2.1 高效管理信息，確保合理利用

計算機電子信息技術(shù)的最大優(yōu)勢是能夠集成各種信息數(shù)據(jù)。電子產(chǎn)品信息管理技術(shù)將所有數(shù)據(jù)存儲在硬盤里，同時對數(shù)據(jù)分析信息系統(tǒng)進行備份，謹防丟失。在項目管理中，這些數(shù)據(jù)可以隨時查詢、統(tǒng)計、應(yīng)用并永久存儲，不會丟失或遺漏。與傳統(tǒng)的方式相比，計算機電子信息技術(shù)顯得更加快速、安全、便捷。

2.2.2 共享數(shù)據(jù)

計算機電子信息技術(shù)的另一個優(yōu)勢是共享數(shù)據(jù)。工作管理人員在聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下，可以快速便捷的實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)及文件的傳送和共享。員工可以通過通信軟件或電子郵件相互傳輸數(shù)據(jù)，也可以將信息或數(shù)據(jù)上傳到云平臺或共享平臺。有需要的用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)搜索他們需要的數(shù)據(jù)進行下載。

2.2.3 對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

對存儲的數(shù)據(jù)信息進行分析統(tǒng)計，以不同的方式統(tǒng)計結(jié)果，工作管理人員通過查看數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果預(yù)測企業(yè)發(fā)展趨勢，這也構(gòu)成計算機電子信息技術(shù)的優(yōu)勢之一。

3 實例分析

3.1 工程概況

以某鐵礦項目為例，項目鋼結(jié)構(gòu)需在國內(nèi)進行預(yù)組裝后運送到項目現(xiàn)場。因此，基于項目的工藝流程、工期和遠距離輸送等因素，采用模塊化的方法將工藝設(shè)計從不同的角度對各個車間進行劃分，這就要求在設(shè)計階段必須對每個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、零件、螺栓等進行精準的確定，以防止出現(xiàn)錯誤而出現(xiàn)返工。

3.2 精細化設(shè)計管理

3.2.1 設(shè)計階段圖紙精細化管理

在項目設(shè)計階段，采用BIM軟件構(gòu)建相應(yīng)的BIM模型，設(shè)計團隊在一個平臺上實時協(xié)作，多專業(yè)同平臺合作設(shè)計。該模型包含了設(shè)備模型、鋼結(jié)構(gòu)模型、混凝土模型、管線模型、支吊架和電纜橋架模型。在出圖之前，進行碰撞檢查，導(dǎo)出碰撞統(tǒng)計表。鋼結(jié)構(gòu)模型中除結(jié)點部件的幾何尺寸外，還包括了螺栓、焊縫、材料規(guī)格、橫截面、節(jié)點類型、材質(zhì)等信息。管道模型包含各專業(yè)所有管道(DN15-DN1300)、管件、閥門、儀表以及模塊化設(shè)計所添加的法蘭、螺栓、墊片等管道緊固件。支吊架模型包含各類管道配套的支吊架模型，如滑動支架、固定支架、U型托、彈簧支吊架等以及所有橋架模型。設(shè)備模型包含所有工藝設(shè)備與各種非工藝設(shè)備模型，見圖2。

圖2 模塊受力分析

應(yīng)用BIM深化鋼結(jié)構(gòu)圖紙，圖紙可直接應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)廠家加工，圖紙中包含了構(gòu)件、零件、螺栓和焊縫等完整的材料清單，為項目的精細化概算提供了重要的數(shù)據(jù)信息，見圖3。

圖3 深化加工及精細化概算

從BIM模型中提取出符合模塊設(shè)計標準的ISO、GA等各類圖紙與材料量清單，見圖4、5。

圖4 ISO和GA圖紙

圖5 材料量清單

3.2.2 設(shè)計階段質(zhì)量控制精細化管理

該工程為國外工程，設(shè)計質(zhì)量必須要符合國際標準。根據(jù)總承包項目的精細化管理要求，項目管理必須保證要制定科學(xué)健全的質(zhì)量保證體系和質(zhì)量管理機構(gòu)。該項目通過Oracle Primavera P6進行項目管理，擁有完整的企業(yè)項目組合管理解決方案，注重以計劃為龍頭的時間管理，強調(diào)以合同為核心的費用管理，通過標準化與知識管理降低管理成本，達到精細化管理的目的。

同時，通過制定BIM三維設(shè)計規(guī)范、制圖規(guī)定、進度控制與管理流程等數(shù)字化標準，形成了完整的三維設(shè)計質(zhì)量控制體系。

3.3 實施效果

通過設(shè)計階段BIM模型的直接加工，減少了反復(fù)的計量工作，為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)加工和招標流程贏取了更多的時間，還可以避免人工計量出現(xiàn)的錯誤，提高工程量的準確度。同時，擁有完整的三維設(shè)計質(zhì)量控制體系，來指導(dǎo)總承包項目進一步達到精細化管理的目的；BIM高度的信息集成技術(shù)，為總承包項目管理提供了良好的平臺，大幅度提高了工程量的準確性和計算效率，為施工節(jié)省了寶貴的時間和安全性。

4 計算機技術(shù)應(yīng)用的意義

計算機技術(shù)對信息處理效率的提高，工程項目各參與方的溝通聯(lián)系有著重要意義。它的引入不僅縮短了工期，節(jié)約了成本，還在某種程度上對企業(yè)的工程管理流程進行了規(guī)范管理，使項目管理工作的效率得到增強。未來的工程與計算機技術(shù)的聯(lián)系將更加密切，將更加依賴于計算機技術(shù)。這對計算機開發(fā)人員、設(shè)計人員、項目管理人員不斷地努力創(chuàng)新提出更高的要求。

5 結(jié)語

以計算機技術(shù)在工程上的應(yīng)用為基礎(chǔ)，討論了目前數(shù)字化設(shè)計、虛擬產(chǎn)品開發(fā)、工程管理系統(tǒng)、項目精細化管理這幾個方面，在這些信息技術(shù)的加持下，設(shè)計人員能夠協(xié)同設(shè)計提升效率，縮短周期節(jié)省成本，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供源動力。