崔龍，李義興，張金亮，田忠

(山東天力科技工程有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

隨著數(shù)字化和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)也越來越成熟，工程設(shè)計行業(yè)逐步由傳統(tǒng)的二維設(shè)計轉(zhuǎn)變到三維設(shè)計，成為設(shè)計行業(yè)發(fā)展的主流方向。三維協(xié)同設(shè)計基于統(tǒng)一的軟件平臺，使各專業(yè)相對獨立的設(shè)計模型互聯(lián)互通，實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，能及時發(fā)現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計間的碰撞或不合理，保障現(xiàn)場施工順利進(jìn)行。

采用三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)可以有效地減少工程設(shè)計人員的工作量，提高工程設(shè)計的質(zhì)量和效率[1-2]。然而，隨著設(shè)計手段和生產(chǎn)管理模式的改變，三維協(xié)同設(shè)計的流程也需要做出相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)新的環(huán)境，即運用合適的質(zhì)量管理方法，解決部門之間的配合不流暢、生產(chǎn)流程的管理不規(guī)范、生產(chǎn)效率提升慢、設(shè)計質(zhì)量不能保證等問題。結(jié)合某設(shè)計項目的實施，運用PDCA循環(huán)質(zhì)量管理的工作方法，對該項目進(jìn)行調(diào)查研究，并采取相關(guān)措施進(jìn)行有效調(diào)整，從計劃(Plan)、實施(Do)、檢查(Check)、改進(jìn)(Action)四個方面探索運用三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)提升工程設(shè)計效率的質(zhì)量管理模式，以加強三維協(xié)同設(shè)計的效率和質(zhì)量管理，減少設(shè)計環(huán)節(jié)的無效工作，大幅提高工程項目三維協(xié)同設(shè)計的效率[3]。

1 計劃階段(Plan)

1.1 現(xiàn)狀調(diào)查

為準(zhǔn)確掌握三維協(xié)同工程設(shè)計質(zhì)量管理的現(xiàn)狀，采用問卷調(diào)查法進(jìn)行相關(guān)信息采集，調(diào)查對象為以往工程設(shè)計中涉及的業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理、咨詢等相關(guān)單位。通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三維協(xié)同設(shè)計的效率并沒有達(dá)到項目建設(shè)的工期要求，對設(shè)計服務(wù)產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。多數(shù)項目在設(shè)計實施過程中存在拖期、延誤、不能按時提交設(shè)計文件的現(xiàn)象。通過對調(diào)查問卷統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，如圖1所示，僅結(jié)構(gòu)模型布置設(shè)計和管道模型布置設(shè)計就占用整個工程設(shè)計耗時的76.3%，造成工期的延誤[4]。因此，如何建立系統(tǒng)性和流程化的三維協(xié)同設(shè)計體系、降低結(jié)構(gòu)和管道設(shè)計消耗工時是提高工程設(shè)計效率應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題。

圖1 三維協(xié)同設(shè)計各部分模型耗時分布圖

1.2 問題分析

針對項目在設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納、分析總結(jié)，找出影響三維協(xié)同設(shè)計的末端因素，包括：設(shè)計人員設(shè)計水平、創(chuàng)新意識、設(shè)計任務(wù)安排的合理性、業(yè)務(wù)重視程度、三維協(xié)同軟件體系健全程度、專業(yè)模型建模速度、三維專業(yè)模型資源庫豐富程度、三維全流程設(shè)計體系的完整程度等。

經(jīng)過全體成員專題會議討論，確認(rèn)“軟件體系不健全”“未構(gòu)建專業(yè)模型資源庫”“缺乏三維全流程設(shè)計體系”等是影響三維協(xié)同技術(shù)應(yīng)用的三個要因。搭建全流程協(xié)同設(shè)計軟件平臺，能使整個項目數(shù)據(jù)一次性輸入；構(gòu)建豐富的專業(yè)模型資源庫，能在設(shè)計之前準(zhǔn)備充足的素材；構(gòu)建完整的三維全流程設(shè)計體系，建立嚴(yán)格的三維設(shè)計校審流程，可以有效地提高工程設(shè)計的質(zhì)量。

1.3 目標(biāo)設(shè)定

根據(jù)項目經(jīng)驗，該項目實施PDCA循環(huán)管理活動前預(yù)計使用工時約為3000 h，其中結(jié)構(gòu)模型布置設(shè)計工時為3000×32.7%=981 h，管道模型布置設(shè)計工時為3000×43.6%=1308 h。

綜合考慮項目成員的綜合能力和技術(shù)水平以及同行業(yè)技術(shù)水平，項目將從以下兩個方面降低設(shè)計工時：

(1)通過構(gòu)建管理體系和創(chuàng)新管理新模式提升三維協(xié)同設(shè)計效率，使項目整體設(shè)計工時節(jié)約5%：3000×5%=150 h；

(2)通過運用三維協(xié)同設(shè)計體系使結(jié)構(gòu)模型和管道模型設(shè)計工時節(jié)約50%：(981+1308)×50%=1145 h。

綜合以上效率提升目標(biāo)，通過解決關(guān)鍵問題，實現(xiàn)該項目三維協(xié)同設(shè)計效率提高，擬將項目設(shè)計目標(biāo)使用工時設(shè)定為：3000-150-1145=1705 h；綜合提升效率為：(3000-1705)/3000=43.17%。

該項目組成員具備生產(chǎn)管理背景及三維技術(shù)設(shè)計能力，能夠針對出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，提出合理的解決方案。設(shè)計人員本身素質(zhì)較高，責(zé)任心也較強，加強技術(shù)培訓(xùn)工作，能夠達(dá)到執(zhí)行統(tǒng)一技術(shù)措施的要求。由各專業(yè)負(fù)責(zé)人及專業(yè)小組長專職制定統(tǒng)一技術(shù)措施，并持續(xù)更新完善。制定項目組內(nèi)部質(zhì)量管理體系，加強各節(jié)點的控制及落實，保證了設(shè)定目標(biāo)的可行性。

1.4 制定對策

針對“軟件體系不健全”“未構(gòu)建專業(yè)模型資源庫”及“缺乏三維全流程設(shè)計體系”等三個要因進(jìn)行認(rèn)真分析討論，分別制定出了相應(yīng)對策。

安排專人構(gòu)建三維協(xié)同設(shè)計體系軟件，同時完善各類數(shù)據(jù)接口。從而建立統(tǒng)一的軟件體系，使工程數(shù)據(jù)的調(diào)用隨著規(guī)范和規(guī)程的修訂及時更新與完善。具體措施是：安排專業(yè)負(fù)責(zé)人及小組長專職制定統(tǒng)一的軟件體系及數(shù)據(jù)調(diào)用方式。

安排每個專業(yè)的負(fù)責(zé)人建立本專業(yè)的資源庫，并不斷填充相關(guān)模型資源，以便于調(diào)用相類似項目的資源。通過建立專業(yè)模型資源庫，實現(xiàn)提高三維模型建模效率的目標(biāo)。具體措施是：調(diào)研專業(yè)資源庫的構(gòu)建內(nèi)容；開展資源庫專題培訓(xùn)，組織人員對資源庫進(jìn)行填充，把資源庫應(yīng)用到項目中。

按協(xié)同設(shè)計流程制定行業(yè)內(nèi)的三維全流程設(shè)計體系和各個控制點的設(shè)計三維設(shè)計內(nèi)容，并召開項目總結(jié)會，并形成成果，從而達(dá)到及時總結(jié)成果、統(tǒng)一技術(shù)措施的目標(biāo)。具體措施是由項目負(fù)責(zé)人召開項目總結(jié)會，由專人記錄總結(jié)，形成三維全流程設(shè)計體系文件。

2 實施階段(Do)

2.1 搭建完整三維協(xié)同設(shè)計軟件應(yīng)用平臺

為改進(jìn)軟件體系不健全的問題，搭建完整三維協(xié)同設(shè)計軟件平臺，制定統(tǒng)一的軟件應(yīng)用體系及數(shù)據(jù)調(diào)用方法。如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)有軟件具體情況，以三維工廠設(shè)計軟件(CADWorx Plant Professional)為核心，集合工藝流程設(shè)計(CADWorx P&ID )、應(yīng)力分析(CAESAR II)、建筑三維設(shè)計(Revit)、三維漫游(Navisworks)、結(jié)構(gòu)配筋(PKPM)、應(yīng)力分析(CAESAR II)等軟件搭建成完整的三維協(xié)同設(shè)計軟件應(yīng)用平臺，開通軟件之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通接口，建立順暢的三維設(shè)計數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)體系[5-6]。根據(jù)該三維協(xié)同設(shè)計軟件平臺體系，制定各個軟件的相關(guān)應(yīng)用手冊，幫助設(shè)計人員規(guī)范、熟練地應(yīng)用設(shè)計軟件。

圖2 三維協(xié)同設(shè)計軟件平臺架構(gòu)圖

2.2 構(gòu)建全專業(yè)模型資源庫

三維設(shè)計是以工程數(shù)據(jù)為核心，三維圖形為表現(xiàn)手段的設(shè)計理念，所以數(shù)據(jù)庫建設(shè)在三維設(shè)計工作中占據(jù)了相當(dāng)大的比重。專業(yè)模型資源數(shù)據(jù)庫的建立需要分成專業(yè)工程數(shù)據(jù)庫和專業(yè)圖形庫兩大類建設(shè)。這樣才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性使用。專業(yè)模型資源庫是三維模型的圖形及資料表現(xiàn)方式，實現(xiàn)模型資源從文檔級向?qū)ο蠹壍膬Υ婧筒樵兝?，專業(yè)模型資源庫分為元件模型資源庫、設(shè)備模型資源庫、建構(gòu)筑物模型資源庫等[7]。根據(jù)三維標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計需要，修改和新增各類圖元。

2.3 建立三維協(xié)同全流程設(shè)計體系

按照三維模型設(shè)計工作的過程，將三維全流程設(shè)計劃分為三維項目建立、專業(yè)模擬研究、模型碰撞檢查等三個工作階段，并制定每個階段模型審查的控制要點，形成一個完整的三維協(xié)同全流程設(shè)計體系。

第一階段為三維項目建立階段：包括建立設(shè)備模型、建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、設(shè)備位置模型等，進(jìn)行30%模型審查工作。

第二階段為專業(yè)模擬研究階段：包括配管模擬、電氣橋架模擬、儀表設(shè)備模擬、HVAC設(shè)備模擬、安全區(qū)域模擬、土建設(shè)施模擬、結(jié)構(gòu)模擬，進(jìn)行70%模型審查工作。

第三階段為模型碰撞檢查階段：根據(jù)施工圖版參考資料、P&ID、供貨商資料、土建、結(jié)構(gòu)資料對模型進(jìn)行檢查，進(jìn)行90%模型審查工作。

最后完成施工圖版的三維模型，出具施工圖版設(shè)計成品文件。

三維模型審查是指各專業(yè)設(shè)計人員、施工方、PMC及業(yè)主針對三維設(shè)計工藝符合性、專業(yè)空間劃分合理性、專業(yè)接口正確性、專業(yè)之間查缺補漏以及急需各方協(xié)同解決的問題等方面進(jìn)行的審查[8]。

第一階段：30%模型審查項目

工藝設(shè)備審查要點包括：設(shè)備定位及基礎(chǔ)要求；設(shè)備外形輪廓；維修空間和維修通道；管嘴及屬性和主要平臺布置。

工藝管道審查要點包括：工藝配管統(tǒng)一規(guī)定要求；工藝設(shè)備布置；防火區(qū)域設(shè)置和防火通道；主管道布置和有應(yīng)力要求的管線布置；重要管架設(shè)置。

建筑結(jié)構(gòu)審查要點包括：管廊和關(guān)鍵管架結(jié)構(gòu)；維修和安全通道；土建基礎(chǔ)和樁基布置；道路布置。

電氣儀表審查要點包括：主要電氣儀表橋架；主要電氣儀表選型；主要電氣儀表分類；主要電氣儀表對接。

總圖布置審查要點包括：單元布置；設(shè)備布置、設(shè)備樓梯平臺布置；安全維修通道；構(gòu)筑物布置；物料裝卸通道；公用工程站基本布置；完成全廠區(qū)單體布置。

第二階段：70%模型審查項目

工藝設(shè)備審查要點包括：維修空間和維修通道；閥門和設(shè)備的操作平臺布置。

工藝管道審查要點包括：防火系統(tǒng)設(shè)置和安全通道布置；維修空間和操作空間的設(shè)置；主要管架的設(shè)置。

建筑結(jié)構(gòu)審查要點包括：結(jié)構(gòu)尺寸和平臺布置；儀表橋架支撐；安全通道。

電氣儀表審查要點包括：全部電氣儀表橋架布置；就地儀表及接線盒布置。

總圖布置審查要點包括：公用工程站和安全設(shè)施布置；起重設(shè)備和裝卸運輸設(shè)備的布置。

第三階段：90%模型審查項目

工藝設(shè)備審查要點包括：檢查前一次模型審查修改項。

工藝管道審查要點包括：所有管道布置的合理性；管道布置和工藝流程的一致性。

建筑結(jié)構(gòu)審查要點包括：檢查前一次模型審查修改項。

電氣儀表審查要點包括：全部電氣儀表橋架布置；就地儀表及其附件和接線盒布置；全部在線儀表布置。

總圖布置審查要點包括：各次模型審查修改項檢查；各專業(yè)設(shè)計完整性；公用工程、消防布置的完整性。

3 檢查階段(Check)

3.1 目標(biāo)值檢查

經(jīng)過統(tǒng)計，如圖3所示，該項目實施PDCA循環(huán)管理活動前預(yù)計設(shè)計工時約為3000 h，實施PDCA循環(huán)管理活動的目標(biāo)工時為1705 h，實施后該項目實際使用工時為1695 h，綜合提升效率為43.5%，達(dá)到了前期設(shè)定的管理目標(biāo)，極大地提升了三維協(xié)同設(shè)計的效率。

圖3 設(shè)計效果對比柱狀圖

3.2 應(yīng)用效果評價

通過解決要因，提高了該項目的圖紙優(yōu)良品率和三維協(xié)同設(shè)計效率，提高了三維設(shè)計生產(chǎn)管理流程的運行效率，同時降低了設(shè)計人員的勞動強度。加強該項目的質(zhì)量管理，在設(shè)計過程中實時改進(jìn)，不斷調(diào)整不足，使項目設(shè)計品質(zhì)不斷提升。最終節(jié)約了1395 h，節(jié)約了27.9萬元的費用。具體成本節(jié)約如表1所示。

表1 成本節(jié)約一覽表

實施要因?qū)Σ吆?，解決了“軟件體系不健全”“未構(gòu)建專業(yè)模型資源庫”及“缺乏三維全流程設(shè)計體系”等主要問題。不僅順利完成提高了該項目的三維協(xié)同設(shè)計效率，還把活動成果推廣應(yīng)用到其他三維協(xié)同設(shè)計項目，最后取得了巨大成功，進(jìn)一步驗證了PDCA循環(huán)活動的成果具有可復(fù)制性和推廣性。

4 改進(jìn)階段(Action)

為了加強項目實施成果，經(jīng)過總結(jié)討論制定以下持續(xù)改進(jìn)措施，歸納整理形成報告。

措施1：對三維協(xié)同設(shè)計流程進(jìn)行程序化性固化，制定《三維協(xié)同設(shè)計管理流程及控制說明》，并根據(jù)實際工程中新發(fā)現(xiàn)的問題持續(xù)改進(jìn)該流程。

措施2：制定《專業(yè)模型資源庫使用手冊》，并根據(jù)實際工程中新產(chǎn)生的設(shè)備模型資源、結(jié)構(gòu)模型資源、元件模型資源、建筑模型資源、暖通模型資源等分類進(jìn)入專業(yè)模型資源庫，并配備對應(yīng)的模型說明。

措施3：根據(jù)相關(guān)規(guī)范的升級，不斷完善總結(jié)各三維軟件的使用技巧，同時制定三維軟件的使用標(biāo)準(zhǔn)。提高設(shè)計人員的軟件應(yīng)用的有效工作效率，實時總結(jié)發(fā)布新的統(tǒng)一措施，使每個設(shè)計人都全面掌握、不斷提升三維設(shè)計軟件的應(yīng)用技能。

5 結(jié)語

三維協(xié)同設(shè)計要求設(shè)計人員以三維設(shè)計模型為平臺開展工作，把設(shè)計任務(wù)按照專業(yè)內(nèi)協(xié)同及專業(yè)間協(xié)同的要求進(jìn)行合理分解，實現(xiàn)設(shè)計構(gòu)件的組裝、信息共享，避免信息的重復(fù)創(chuàng)建、更新與修改，從而有效地提高數(shù)據(jù)的一致性、可靠性、共享性和安全性，實現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的工作流程，提高設(shè)計質(zhì)量和效率[9]。

通過本次PDCA循環(huán)質(zhì)量管理活動，探索出了運用三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)提升工程設(shè)計效率的質(zhì)量管理新模式，不僅提高了設(shè)計項目的工作效率和設(shè)計質(zhì)量，節(jié)約了設(shè)計成本，減少了人力資源浪費，還培養(yǎng)了項目成員的質(zhì)量意識、管理意識和運用PDCA循環(huán)方法進(jìn)行質(zhì)量管理改進(jìn)的能力。持續(xù)進(jìn)行PDCA循環(huán)活動能夠不斷改進(jìn)三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)應(yīng)用體系，使得三維協(xié)同設(shè)計和質(zhì)量管理模式更加具有適應(yīng)性和匹配性。