論計算機技術在工程中的應用

石永剛

(中冶北方(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連116600)

0 引言

隨著社會的不斷進步和時代的不斷發展，生產、生活環境也產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的變革與更新。國內外建設行業競爭日趨激烈，建設行業的生存壓力亦大幅度增加，為適應當前優勝劣汰快速發展的時代，建設企業為了生存必須要不斷學習新的管理理念和先進的管理技術。因此，BIM技術作為計算機技術發展的必然產物，應用在工程中，使得項目在全壽命周期的各個環節提高了效率，縮短了周期，降低了成本，為企業的可持續發展提供了良好條件。

1 計算機技術

1.1 設計技術論述

在設計發展的過程中，設計人員為了解決具體的設計問題，會采用各種方法和手段，這些方法和手段稱之為設計信息技術。隨著社會快速發展，傳統設計效率低、準確性差、無法跟上社會的節奏，伴隨計算機技術的快速發展，使得設計技術水平呈現出動態化、科學化、主動化、現代化的特點，極大地提高了設計的效率和精確性。現代化的設計技術包括四個維度：基礎技術、主體技術、支撐技術以及應用技術。傳統的設計理論和方法被稱之為一種基礎性的技術。現在的主體設計普遍使用的技術就是計算機輔助系統設計的信息技術CAD，通常稱之為主體技術?？尚旁O計技術、實驗性設計技術以及現代化的設計方法論共同構成了一種支撐性的技術。各種產品中涉及到不同的設計領域所采用到的知識與技術都是在信息技術中的應用，BIM技術就是應用技術的產物。

1.2 數字化設計與數字化產品研究開發

1.2.1 概述

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

1.2.2 數字化設計的特點

并行式設計。同一項目的設計任務可以由不同國家和不同地區的設計師或團隊同時完成，進行設計和組裝，形成一個完整的數字化模型。并行設計的主要理念為：1)在設計的同時要充分考慮到影響產品壽命和生存周期的一切因素；2)在產品設計的過程中各個活動之間發生并行或交叉；3)產品壽命周期涉及的各個領域專業技術人才參與并協同工作。

1.2.3 數字化設計技術

1)設計參數化、變量化、模塊化

按照配置方案進行的設計與按照訂單信息進行的設計，其基礎就是采用參數化、變量化分析等技術。參數化設計包括兩個組成部分：參數化的圖元設計與參數化修改引擎。每個圖元都應該以建筑物構件的類型和形式進行呈現，通過對參數的選擇進行調整可以反映出各種構件之間的不同，參數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字化。模塊化是指把一個復雜問題的解決過程分成若干模塊，由此來降低復雜性。據統計，大多數產品設計都是以現有產品為基礎進行演變而來的。數字化設計優點：產品更新迭代快；設計和制造周期縮短；成本降低；后期維修方便，使得產品性能穩定可靠。為了有效地保證設計質量和系統可靠性，提高設計效率，可以考慮采用一種參數化、變量化和模塊化的建模工藝，極大程度上方便了設計修改。

2)虛擬產品開發方法

虛擬化的產品開發系統是由各種人員通過網絡來組成，如軟件的設計、分析、仿真、制造以及產品銷售和服務等方面。采用BIM技術設計出的數字模型就是典型的虛擬產品。工作人員通過互聯網組成了產品研發小組，將不管身處何地的各個人員緊密聯系起來，實現異地協同工作。

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

虛擬化產品的開發主要包括五個過程：設計初期CAD技術的實際應用、各部門間進行信息共享、實施工程、并行協作、人員全面參加、完整的虛擬化產品研究和開發。

1.3 CAD技術

CAD這項技術實現了整個設計流程的智能化、網絡化、并行式、集成化。CAD經歷了初期的二維工程繪圖，到現在已有了三維線框圖、三維曲面、參數化實體特點，最終貫穿于產品開發的全生命周期。

目前，用CAD這項技術已經可以完全實現大多數設計過程中的各種活動，但也會有一些其他的活動，例如對設計進行需求分析、對設計進行可行性研究等都難以通過CAD這種技術手段來完全實現。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上，將零部件組合起來形成一個數字化虛擬產品，并形成一個數字化原型(DMU)。數字化原型可以驗證各種零件之間的安裝和維護關系，可以對其運動進行仿真，可以應用于數據透視關系復雜的技術產品內部控制結構，可以對其進行安裝、維護等人機工程方面的研發。基于三維實體模型，將零部件裝配到一個數字虛擬制造的產品中，見圖1。

圖1 計算機輔助下的產品開發過程

現代CAD技術的發展最終目標之一就是盡量采用先進制造和生產的自動化設計技術，使所需要的產品能夠做到高質量、低成本、短周期，從而獲得更多優勢，在先進的制造方法模式下占取大量市場。

2 計算機技術的應用

2.1 BIM技術在精細化管理中的應用

2.1.1 闡述精細化管理

精細化管理是中國大型企業經營管理的一種思想，是將企業發展的戰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總體執行力的重要手段。在現代企業管理的具體實際運用和執行中，精細化管理主要指出了運用現代企業管理項目的手段和方法，借助當前先進的計算機技術，將所有需要進行規范和控制的管理對象，進行數字化、精細化、準確性的管理，從而增強和提高了企業管理項目的能力，進而大幅提升了企業的綜合效益。

目前，各大企業都比較認同精細化經營管理，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?，細分企業在各種經營活動中所處的職能和工作崗位，細化和分解每一個企業的戰略、決策、目標、任務等，細化整合企業經營管理制度的編制、實施、控制、檢查、激勵等各個流程環節。精細化管理就是要緊緊抓住企業的主要矛盾，將所有企業的組織管理戰略明確化，并規范化地加強對企業內部管理，將所有企業資源和經濟效益都達到最大化，即從管理中要效益。精細化的管理應該具備以下幾個方面的特點：

1)科學性。根據企業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)制度的規范性。精細化管理對制度的規范程度要求很高。這里的制度不只是對項目的管理和控制，更是要協助項目的管理者完成角色的轉化，并進一步做到對項目目標的指導和對事前的控制。

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

4)全方位調動所有人員。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化。

2.1.2 BIM技術在精細化管理中的具體應用

1)提高工程量的計算效率。工程概算技術人員在設計時可利用BIM三維建模的功能，調用BIM建模軟件中內置的參數化組件，輸入設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，協同管理。利用BIM軟件建立項目成本數據中心，各部門如設計、采購、施工都可以將影響工程造價的變更信息和項目設備、材料價格上傳到數據中心。這樣項目組成員都能夠共享到項目的所有信息，提高相關部門人員的成本意識、責任清晰，通過BIM協同設計平臺，形成暢通無阻的共享式流程化的工作模式，充分體現出總承包項目精細化管理的程度。

3)檢查碰撞，節省費用。BIM特有的碰撞檢查功能，是傳統二維設計所無法比擬的。BIM的協同設計一定程度上可以避免碰撞的發生，同時，BIM還可以在設計結束后，從整體上進行碰撞檢查，在施工前發現碰撞并及時得到解決，避免返工和變更的發生，為項目節省費用。

2.2 計算機技術在工程管理中的應用

2.2.1 高效管理信息，確保合理利用

計算機電子信息技術的最大優勢是能夠集成各種信息數據。電子產品信息管理技術將所有數據存儲在硬盤里，同時對數據分析信息系統進行備份，謹防丟失。在項目管理中，這些數據可以隨時查詢、統計、應用并永久存儲，不會丟失或遺漏。與傳統的方式相比，計算機電子信息技術顯得更加快速、安全、便捷。

2.2.2 共享數據

計算機電子信息技術的另一個優勢是共享數據。工作管理人員在聯網的環境下，可以快速便捷的實現企業數據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據，也可以將信息或數據上傳到云平臺或共享平臺。有需要的用戶可以通過互聯網搜索他們需要的數據進行下載。

2.2.3 對數據的統計分析

對存儲的數據信息進行分析統計，以不同的方式統計結果，工作管理人員通過查看數據統計結果預測企業發展趨勢，這也構成計算機電子信息技術的優勢之一。

3 實例分析

3.1 工程概況

以某鐵礦項目為例，項目鋼結構需在國內進行預組裝后運送到項目現場。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計從不同的角度對各個車間進行劃分，這就要求在設計階段必須對每個鋼結構構件、零件、螺栓等進行精準的確定，以防止出現錯誤而出現返工。

3.2 精細化設計管理

3.2.1 設計階段圖紙精細化管理

在項目設計階段，采用BIM軟件構建相應的BIM模型，設計團隊在一個平臺上實時協作，多專業同平臺合作設計。該模型包含了設備模型、鋼結構模型、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，導出碰撞統計表。鋼結構模型中除結點部件的幾何尺寸外，還包括了螺栓、焊縫、材料規格、橫截面、節點類型、材質等信息。管道模型包含各專業所有管道(DN15-DN1300)、管件、閥門、儀表以及模塊化設計所添加的法蘭、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。設備模型包含所有工藝設備與各種非工藝設備模型，見圖2。

圖2 模塊受力分析

應用BIM深化鋼結構圖紙，圖紙可直接應用于鋼結構廠家加工，圖紙中包含了構件、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據信息，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 設計階段質量控制精細化管理

該工程為國外工程，設計質量必須要符合國際標準。根據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健全的質量保證體系和質量管理機構。該項目通過Oracle Primavera P6進行項目管理，擁有完整的企業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三維設計規范、制圖規定、進度控制與管理流程等數字化標準，形成了完整的三維設計質量控制體系。

3.3 實施效果

通過設計階段BIM模型的直接加工，減少了反復的計量工作，為后續鋼結構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的錯誤，提高工程量的準確度。同時，擁有完整的三維設計質量控制體系，來指導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，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，為施工節省了寶貴的時間和安全性。

4 計算機技術應用的意義

計算機技術對信息處理效率的提高，工程項目各參與方的溝通聯系有著重要意義。它的引入不僅縮短了工期，節約了成本，還在某種程度上對企業的工程管理流程進行了規范管理，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的聯系將更加密切，將更加依賴于計算機技術。這對計算機開發人員、設計人員、項目管理人員不斷地努力創新提出更高的要求。

5 結語

以計算機技術在工程上的應用為基礎，討論了目前數字化設計、虛擬產品開發、工程管理系統、項目精細化管理這幾個方面，在這些信息技術的加持下，設計人員能夠協同設計提升效率，縮短周期節省成本，為企業的可持續發展提供源動力。