数字化集成设计系统建设与应用研究

■ 北京市市政工程设计研究总院有限公司 杨嘉楠

中国石油工程建设有限公司 杨智慧 武永进

在工程建设企业数字化转型工作中，设计业务的数字化工作因起步早、基础好、效果显著，走在了采购业务、施工业务数字化的前面。常用的流程虚拟仿真设计软件、设备计算软件、仪表自动化设计计算软件、电气设计计算软件等都是方案设计阶段或系统设计阶段典型的二维数字化设计工具，多专业三维工厂设计软件、BIM软件等则是工程设计阶段或布置设计阶段典型的三维数字化设计工具。数字化设计成果是数字化工厂建设的基础，也是数字化工厂建设的核心。可以说，没有数字化设计成果的支撑，就没有数字化工厂。本文围绕数字化集成设计顶层设计、系统规划与建设这一主题，结合对数字化集成设计系统建设工作的研究、认识和实践成果，介绍数字化集成设计系统建设的思路和方法，分享数字化集成设计系统建设应用成果，希望能够对工程设计企业提质增效和数字化工作有所帮助。

数字化设计工具应用面临的问题

数字化设计工具的应用，在保证工程可靠性、安全性和经济性等方面起到了重要的保障作用。但是，很多企业在应用数字化设计工具时还存在不少问题，设计的综合效能还需进一步提高。

一是各专业、各阶段数字化设计工具之间独立运行，无法实现专业、阶段之间高效协同与数据共享。

二是各专业虚拟仿真设计成果、设计计算成果等大都随各专业设计软件存储在设计人员个人账号中，难以形成公司的设计数据资产，无法支持公司实现成果高效复用与共享。

三是数字化产品标准、协同设计工作规范、对外数字化设计成果交付工作规范等数字化协同设计基础工作尚未健全，协同工作效率和工作质量还需进一步提高。

四是缺少统一的工程主数据管理标准和数字化交付标准的规范，数字化设计成果对工程建设全生命周期的数字化支持作用需要进一步提高。

上述这些问题是很多工程设计公司或工程建设公司所面临的共性问题。破解这些问题的有效措施就是以各类数字化设计软件工具为基础，建设数字化集成设计系统，实现不同单位、不同专业、不同阶段的高效协同与共享，实现工程设计数字化资产的有效管理和高效应用，助力企业在数字化转型发展中实现提质增效，进一步增强企业的竞争力。

数字化集成设计系统建设研究

本文涉及到系统设计、布置设计、工程设计数字化资产三个全局性的概念。为了便于理解，下面对这三个全局性的概念作一个简单说明。

系统设计和布置设计之称，借用了三维设计模式下一些软件服务商对设计阶段划分的一种称谓。系统设计解决的是工程逻辑问题，对应的是传统模式下方案设计阶段的工作内容；布置设计以系统设计为依据，解决的是工程对象空间布局的科学性和合理性等方面的问题，对应的是传统模式下详细设计或施工图设计阶段的工作内容。在油气田地面工程设计中，也有将系统设计和布置设计称为工艺设计和工程设计的，工程设计数字化资产泛指与工程对象有关的图纸、模型、文档和设计数据的集合。

数字化集成设计系统建设的主要目标和建设要点

数字化集成设计系统建设的主要目标，就是通过集成设计技术手段，促进数字化设计工作实现“一提一降”“一降一增”和“一提一增”，即提高效率降低成本、降低成本增加效益、提高质量增加效益。主要措施包括：

一是通过集成设计系统建设，为各专业、各阶段数字化设计工具建立协同设计的数据接口，进一步减少跨专业、跨阶段之间数据错误流转情况的发生，进一步提高协同工作和数据共享的支持能力以及模型、图纸和数据版本的管控水平。

二是通过集成设计系统建设，建立涵盖各专业、各阶段设计成果的工程设计数字化资产库，实现数字化设计资产的集中管控和高效共享与复用。

三是站在工程建设全生命周期协同共享的高度，进一步扩大数字化设计产品对采购、施工和交付等阶段数字化应用的支持能力，降低各阶段的劳动成本，提升设计企业数字化技术服务方面的竞争力。

四是建立健全数字化产品标准、协同设计工作规范、对外数字化设计成果交付工作规范等数字化协同设计基础工作，保障多专业数字化协同设计工作高效率、高质量运转。

数字化集成设计系统总体设计

本文以工业工程设计或石油天然气地面工程设计数字化集成设计系统架构设计为例，对数字化集成设计系统的内容规划、逻辑关系和总体架构进行说明和探讨。

根据油气田地面工程或工业工程数字化设计的特征和集成需要，我们分别设计了1个EPCHO数字化支持架构图和1个数字化集成设计系统架构图，见图1、图2所示。

图1 设计、采购、施工、交付、运营数字化支持架构图

图2 数字化集成设计系统架构图

图1是以工程云平台为支撑的设计、采购、施工、交付和运营全过程数字化运行支持架构图。该架构以数字化设计成果为基础，以工程数字化对象为核心，贯穿E、P、C、H、O全过程。图2是工业工程或油气田地面工程数字化集成设计系统的典型架构图，该架构对数字化集成设计系统的主要内容、支持关系等进行了初步规划。

数字化集成设计系统的建设内容与工作要点

如图2所示，数字化集成设计系统主要由工艺集成设计系统、3D工程集成设计系统和数字化设计资源管理平台三部分构成。

工艺集成设计系统

选择合适的工艺集成设计基础平台，基于统一工艺集成设计数据库，实现流程模拟计算、设备与单体计算、电气设计、仪表自动控制等多专业协同设计，实现物料平衡表自动绘制，实现PFD和P&ID的半自动辅助设计，实现非标设备详细设计的半自动提资，实现设计图纸、模型、文档和设计参数的集成管理，支持与三维设计进行数据共享和二、三维设计校验的功能需要，支持非标设备采购设计数据表半自动生成，支持数字化交付的标准化输出。

3D工程集成设计系统

选择合适的三维设计平台，支持管道、设备、结构、电气、仪表等专业的三维协同设计，支持基于三维设计成果的工程材料数字化管理与控制的应用需要，支持基于三维设计成果的5D施工管理数据需要，支持以工程对象为核心的数字化交付需要，支持与工艺设计阶段进行数据共享和二、三维设计一致性校验的功能需要。

数字化设计资源管理平台

数字化设计资源包括数字化设计基础资源、数字化设计成果资源和设计计算软件Licese库。其中，基础资源库包括工程主数据标准库、工程建设材料编码库、元件库、模板库、标准规范库等；成果资源库包括设计模型库、图纸库、文档库、设计参数库等；设计计算软件Licese库包括流程模拟计算软件、设备计算软件、仪表自动化设计计算软件、电气设计计算软件、三维设计软件等。

数字化集成设计基础工作建设

数字化集成设计基础工作主要包括数字化协同设计产品标准体系建设、数字化协同设计工作规范编制、数字化协同设计成果交付标准和数字化设计资源管理规范编制与完善工作，包括基础数据库、元件库、等级文件库、模板库等资源的有效积累。

数字化集成设计系统建设成果简介

本文以油气田地面工程数字化集成设计系统建设为例，对数字化集成设计系统架构设计、数字化集成设计系统建设内容和工作要点以及数字化集成设计基础工作建设等进行简要说明。其他工业工程数字化集成设计系统建设、市政公用工程数字化集成设计系统建设和建筑工程数字化集成设计系统建设的基本思路和技术路线相类似，它们需要集成的设计与计算软件可能不同，选择的集成平台可能也不尽相同。

经过几年的持续推进，中国石油工程建设有限公司的数字化集成设计系统已基本建成。该系统包括工艺集成设计子系统、多专业三维协同设计子系统、BIM子系统三个子系统。其中，工艺集成设计系统与公司所用的两个多专业三维协同设计系统，即AVEVA系列产品、SP3D系列产品都实现了数据级集成。数字化集成设计系统建设在公司提质增效和国内外市场开发工作中，发挥着重要的支撑作用。

工艺集成设计子系统功能简介

油气田地面工程工艺集成设计系统选择的是以西门子COMOS FEED平台为基础平台，经过大量的二次开发完成的集成设计系统（图3）。该系统主要具有以下七大功能：一是实现了11款国际知名流程模拟计算软件与30余款设备单体计算软件的集成；二是实现了工艺、电气、仪表自控、设备计算等专业的集成设计；三是实现了90余类设备参数表的标准化或模板化定制；四是实现了90余类非标设备详细设计的半自动提资；五是建立了统一的工艺设计计算数据库、模型库和文档库；六是实现了与三维设计的数据共享和二、三维设计的一致性校验；七是支持数字化交付的标准化数据、图纸和文档的输出等。

图3 油气田地面工程工艺集成设计系统架构示意图

多专业三维协同设计子系统功能简介

多专业三维协同设计系统以成熟度和集成度较高的商品化产品为依托，支持管道、设备、电气、总图等专业的三维数字化设计，支持引力分析计算与三维模型的高度协同，支持材料统计、材料控制和工厂化预制，支持与工艺集成设计系统的数据集成等，如图4—图6所示。

图4 多专业三维协同设计应用成果示意图

图5 材料自动统计与工厂化预制成果示意图

图6 二、三维设计一致性校验成果示意图

中国石油工程建设公司在该系统的二次开发和应用工作中，主要开展了材料编码、元件库、模型库、等级文件库等基础工作的标准化建设工作，开展了基础工作的共建共用工作，以及非管道专业等级驱动设计研究和应用工作，实现了防腐保温等关联材料的自动统计，实现了公司范围内资源和成果共享。

BIM 子系统功能简介

BIM系统主要完成的是民用建筑或厂房等工程的三维设计，主要包括建筑、结构、设备、管道等专业，可支持结构设计计算、结构三维建模与工厂设计三维建模数据集和模型级协同与共享。

为了保障数字化集成设计系统的高效运行，中国石油工程建设公司初步形成了适应数字化集成设计所需要的标准化业务工作体系，包括产品标准、协同设计工作规范等。数字化集成系统的建成和上线，进一步提高了设计工作效率和工作质量，促进了企业提质增效，对市场开发起到了积极的促进作用。

数字化设计技术发展趋势展望

数字化设计技术在生产企业数字化转型和智能化发展过程中起着决定性作用。因此，数字化设计技术的发展趋势必然会对工程建设企业和生产企业的数字化转型与智能化发展起到一定的示范和引领作用。

数字化设计技术的发展趋势可以概括为“一个拓展、一个融合”。一个拓展，就是数字化设计技术的服务范围由面向工程建造过程服务，向工程建设全生命周期服务进行拓展，包括工程建设投资咨询服务、工厂生产运行、工厂维护等。一个融合，就是数字化设计技术与其他技术相融合。一是工艺设计阶段的虚拟仿真设计技术及其成果与成本估算技术相融合相集成，进一步提高投资估算工作效率和工作质量；二是将虚拟仿真设计技术及其成果与自动化技术、物联网技术相融合，提高生产运行与控制的自动化和智能化水平；三是数字化设计技术及其成果与GIS技术、大数据、人工智能技术相结合，进一步降低工程维修成本，进一步提高工程检维修管理水平。