三维数字化工厂在设计、施工和运维阶段要用到哪些软件

文星雨 · 发表于海洋技术发展 2022-12-19 20:23:05

原标题：三维数字化工厂在设计、施工和运维阶段要用到哪些软件

工业革命经历了电气化、机械化改革，到了第三代以机、电、信息相结合的智能化制造革命。数字化与智能化的制造技术是“第三次工业革命”的核心技术。

数字工厂的本质是实现信息的集成，其建设过程主要涉及到设计、施工和运维三个阶段，需要应用到数字化建模、施工模拟、虚拟现实/加强现实（VR/AR）等技术。

1. 设计阶段——三维建模是基础

在数字化工厂设计阶段利用BIM技术构建三维数字化模型，优先建立起完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库，减少工程建设后续阶段信息传递成本。三维模型涵盖的所有的几何信息与非几何信息，伴随着数字化工厂建设整个生命周期，是数字化工厂实现从设计到运维阶段一体化建设和后期数字化移交的重要保证。

2.施工阶段——施工模拟是关键

在施工阶段，利用施工模拟技术，可视化、分析、跟踪数字化工厂建设流程，包括运输规划、临时工作甚至项目实际成本，改进施工进度计划，做好项目施工进度和成本管理。

3.运维阶段——数据集成实时通

在运维阶段，通过协同工作平台将设计、施工阶段的数据集中在平台中，实现跨部门、跨区域协同与数据互联互通，保证所有建设信息从始至终保持同步，并实现实时更新，为后续数字化移交打下坚实的基础。

三维数字化工厂建设涉及的专业和软件非常多，下面，我们以业内最为全面的Bentley三维数字化工厂解决方案为例，一起来看下三维数字化工厂建设需要用到哪些软件。

Bentley三维数字化工厂针对工厂行业工程设计的需求，提出了覆盖数字化工厂设计 / 施工 / 运维的全生命周期的解决方案。

解决方案主要应用模块

OpenPlant PID：工艺流程设计，与三维信息模型智能联动 OpenPlant Modeler：基于等级驱动的三维管道、设备设计系统 OpenPlant Isometric Manager：自动抽取管道 ISO 图系统 OpenPlant Orthographics Manager：全自动生成平立剖图纸工具 OpenPlant Support Engineering：三维支吊架设计及装配系统 Bentley Raceway and Cable Management：电缆桥架与电缆敷设系统，提供精确的桥架及电缆布置 SubStation：电气设计的专业模块，可以快速完成二维原理设计、三维布置设计 OpenPlant Electrical：基于 SubStation 平台，是变电及发电设计中国工具包，包含三维模型布置、三维导线设计、厂用系统设计模块等 OpenBuilding Designer：建筑系列设计模块，包括建筑、结构、暖通、给排水，建筑电气设计功能 ProStructures：钢结构及混凝土详细模型设计工具，提供加工级别的钢结构详图及混凝土配筋 STAAD.Pro：结构有限元分析和设计 AutoPIPE：压力管道分析计算工具 CNCCBIM OpenRoads ：场地、道路及地下市政管道设计工具 ContextCapture：用简单的照片快速创建详细的三维模型，用于设计、施工或运营 Navigator：模型综合与设计校审工具，提供碰撞检测、渲染动画、吊装模拟、进度模拟等设计功能 Synchro：施工进度计划管理功能的可视化 4D 施工模拟软件 LumenRT：工程界电影级交互式即时渲染系统 ProjectWise：协同工作平台，支持跨地域，多角色的协同工作环境 AssetWise：资产运维管理系统，收集，分析和控制相关资产信息等

工作流程

全新的数字化三维设计流程包括最初的项目立项中，明确项目的规模及数字化所要实现的目标。然后在进行整个项目的分解区块化，确定项目人员分工，制定项目制度规章，指定相应的时间节点等工作任务。在进行三维设计操作前还要指定好统一的项目交付的标准样式，如统一的制图环境，统一的标准，统一的模板等。

进入到详细设计阶段，采用各专业并行设计的流程，采用同一坐标系来进行三维并行设计。如工艺专业：确定主要管道及设备的参数，通过二维设计工具 OpenPlant PID 来快速绘制系统工艺流程图，并把属性信息传递给三维建模工具 OpenPlant Modeler 来进行三维的详细建模阶段，并利用参考命令工具，和其他专业的三维设计内容（OpenBuilding Designer, Bentley Raceway and Cable Management, ProStructures 等）无缝的相互参考协同作业，并行设计。最终的成果可以通过自动生成的管道轴测图，材料清单，平立剖面图来进行交付，并为施工阶段提供全方面的数字化模型技术支持。

整个过程通过 ProjectWise 来管理整个的设计、协同、交付过程，并通过 Navigator 对所有的过程进行动态浏览，碰撞校审。对最终的成果可利用 LumenRT 来进行最合理的渲染和动画展示。

通过 Synchro 可实现施工过程可视化模拟、施工进度计划、高级风险管理、同步设计变更、供应链管理以及造价管理。

解决方案软件模块

一、工艺设计产品系列：OpenPlant 系列产品工具

（PID, Modeler, Isometric Manager, Orthographics Manager, Support Engineering）

1. 智能工厂设计与自动化的可交付成果

工艺流程设计可以快速创建智能工厂设计使用管道与阀门和仪表图元及接线，和设备验证项目管道规格。三维工厂模型建立基于元件库和等级库，能自动生成施工交付文件如管道轴测图，平立剖图和支吊架详图。通过统一管理和优化对最终交付图纸达到最小化的手动修改。

2. 灵活性，多专业设计

OpenPlant 允许你利用一组通用的软件在三维建模，生成工艺管道和仪表原理图，创建厂区平立剖图和管道轴测图，同样还有支吊架详图设计和装配。你可以使用设计工具在一个独立的环境中运行或是部署在在全球各地办公,这样你就可以在你需要的时候随时访问到它们。增加项目团队合作的环境，允许团队在线或离线的不同形式一起工作。

3. 数据的一致性和精确性

OpenPlant 方便维护最终的 P&ID 和 3D 模型在施工安装，运维阶段的实时更新。提供丰富的工程数据在整个项目生命周期中包含组件标记信息的智能轴测图，包括元件的标签信息、位号，制造项目代码和材料等。

4. 与其他软件的互操作性

与其他产品的互操作性上包括 Bentley 的结构产品 ProStructure 和电气产品 BRCM，以及通过ProjectWise 允许在多专业在工厂中更多有效地进行协同设计。利用 OpenPlant 的灵活的软件环境部署，通过软件使用 ISO 15926 和i-models 开放数据模型也可以实现与第三方软件数据模型的互通。

5. 项目有效的管理能力

通过访问控制管理、状态跟踪、有效的数据交换来驱动项目团队的高效性。严格控制所有可交付工作内容,不管是通过文件还是组件管理整个项目工作。其可见性还可以在整个工厂设计中通过创建项目范围的报告迅速生成。

二、电仪专业桥架设计工具 Bentley Raceway and Cable Managerment (BRCM)

BRCM 可同时设计桥架和电缆系统。BRCM 是第一个也是唯一一个集成布置，走线，材料统计的系统，可节省时间和降低成本。可利用概念设计和详细设计的自动设计流程快速跟踪下一个项目。通过使用智能三维模型来减少碰撞，确保间距，并且得到准确的偏移来防止工程建设延期。

满足通信，控制，电力电缆敷设的需求

BRCM 的概念设计模块支持项目计划阶段材料和空间预估 BRCM 的详细设计模块可精确布置 3D 桥架、埋管、电缆沟自动电缆敷设模块可准确计算电缆长度，重量以及容积率自动计算，并且通过三维模型可准确剖切二维图纸，可减少错误跟其他设计模型互相参考可协同设计并减少错误率

SubStation/OpenPlant Electrical 变电及发电设计中国工具包

能够绘制供电简图，进行短路电流计算快速创建主接线原理接线图创建 3D 变电站设备布置图使用 3D 导线设计模块进行导线设计使用导线拉力计算模块进行导线及架构受力分析，生成导线安装报表，指导施工使用过电压保护模块完成防雷和接地设计部分在三维信息模型的基础上，通过切图操作获得各种平断面图使用二次保护设计模块进行发变电组保护设计使用厂用设计模块完成厂用一次设计使用厂用二次设计模块完成厂用二次设计生成各种工程报表

三、建筑专业设计工具 OpenBuilding Designer（OBD）

1. 提高协作能力

OBD 建筑设计是一个多专业组合的专业协同设计软件，这其中包含了建筑设计结构、建筑暖通、建筑电气等模块在设计流程和实践中，这使得构建团队改善和促进合作的方式通过在一个统一的设计环境共享的一组工具和工作流，使解决问题更加容易。

2. 在转移信息和修订过程中减少浪费的时间

由于 OBD 的互操作性和可伸缩性，可以集成内容的大小、类型、或格式。用更少的时间花在修订和转移信息上和用更多的时间花在设计上，它不仅能够支持小型项目，也能够运行大型项目，所以你可以将你的模型用在你需要的场合上。

3. 通知设计与决策

自动生成信息丰富的可交付的成果，从中反映了建筑师最新的设计信息，你可以清楚地沟通设计意图。通过交付标准化的驱动方式，可交付的成果与强大的可视化功能相结合，可以快速识别有效的模型信息而不是工作信息，这样你就可以做出最好的设计决策。

4. 能够更快的应对客户的需求

OBD 提供强大的设计建模环境，对于复杂的几何建模都能够胜任。此外，OBD 具备异形体快速建模的能力，从方案设计模型到详细设计模型，都可以轻松应对，帮助设计人员应对各种可能遇到的情况。

5. 依据建筑性能评估实际能耗

OpenBuilding Designer 可以帮助您评估实际的建筑能耗并据此生成逼真的可视化效果。通过多种建模及场景模拟，探索并确定最明智的设计方案。可以完成日光高度、斜度、照度及阴影的分析，并可以依据碰撞检查功能解决实际的建模冲突问题。

四、结构专业设计工具 Prostructures（Proconcrete/ProSteel）

Proconcrete：

1. 减少生产时间：灵活和用户友好的三维建模钢筋混凝土结构，开放式的工作环境。准确的项目设计生产减少错误和遗漏，因此减少生产时间。快速、方便和灵活的建模和强大的功能，模型任何钢筋混凝土精度可达到 100% 的形状参数。当具体改变尺寸，钢筋按要求自动调节。

2. 提高效率：在用户预定义的三步过程中简化绘图标准。利用MicroStation 技术“动态查看”，你的团队可以很容易为计划、章节、细节和立面生成 2D 绘图输出。你可以清楚地传达设计意图，提高效率，并通过这个简单的完成“错误最小化”的工作。

3. 提高准确性：报告，进度，工程量是基于模板，很容易定制公司或项目标准。减少因数量不准确而造成的风险。

4. 材料表直接链接到三维模型，因此材料清单是准确且可靠的。

5. 准确的数据共享：与其他专业共享项目信息，并允许在多环境的情况下，最小化后的数据通过结构数据精确共享到整个项目团队。

ProSteel：

1. 减少生产时间：ProSteel 业界领先的钢结构建模能力提供了一个灵活的，开放的、用户友好的三维建模环境。它还包括参数化建模能力，以产生准确的项目设计顺序减少错误和遗漏，从而减少生产时间。快速、方便、灵活和强大的建模功能标，准钢目录提供方便用户定制，参数化建立常见的物体如钢楼梯、栏杆和梯子。

2. 提高效率：基于 3D 模型，可以自动创建精确的 2D 文件，如输出图纸和材料清单，使您和您的团队提高效率。每一个梁和列的个人图纸输出和包括从所有方面（顶部，侧面）直接连接到 3D 模型的意见。

3. 提供最佳方案选项：几乎所有的东西都可以定制形状、材料的描述，包括对信息元素输出多种样式的材料清单（BOM）和数据库。这使得 ProSteel 非常灵活开放的能力以满足产品个人的要求。此外，在详细设计阶段之前，工程师可以调查多种方案，并提出最经济的选择给客户。

4. 降低风险：对于文档和构件通过动态版本更新和状态管理提升质量控制，并自动更新属性状态到整体项目文档和管控版本，能在设计决策阶段降低并规避风险。

5. 项目组间数据的准确共享：通过三维结构模型能够与结构分析模型和设计应用软件的交互，从 Bentley 的 RAM 和STAAD 导入到 Revit 和 Tekla。ProSteel 可以生成发布到数控机床的文件，制造业使用这种工艺通过使用计算机来控制机床，用于制造加工。此外，你可以用 iModel，OBD 和 IFC 格式，SketchUp 文件，DWG 文件来进行数据交互。

五、总图/场地专业设计工具 OpenRoads

1. 融合地质数据，利用测绘数据，实景模型和其他的地形数据，创建和分析地形模型。丰富的模板库，创建场地模型，优化开挖设计，灵活的道路模型设计，创建地下管网模型。

2. 利用测绘数据、实景模型和其它的地形数据，可与所有主流品牌的数据采集设备进行数据交换，几乎可以处理所有的数据源：如原始数据、ASCII 测站/偏距/高差、ASCII XYZ。可以处理不同来源的勘测数据，降低昂贵的、多余的数据转换。支持照片、点云生成的实景模型。

3. 创建和分析地形模型。勘测数据、ASCII 文件、MicroStation 2D/3D 图形和数字标高图均可用作数据来源创建三角网。大量的分析工具，其中包括坡度、标高等分析工具。

4. 创建场地模型。允许对不同的设计方案进行快速的浏览，并能通过功能强大的场地模型工具对设计进行可视化的编辑。Site模块最大的优势在于它能够很容易的建立和修改设计。拖放式的编辑功能，可大幅的提高工作效率。

优化开挖设计。功能强大的可视化工具，能够迅速展现设计成果。可用于工程项目的快速评估，从而选取最优的设计方案。

六、结构分析专业工具 STAAD.Pro

STAAD.Pro 是一个全面集成的有限元分析和设计解决方案，包括良好的用户界面、可视化工具和国际设计规范。用于分析受静力载荷、动力响应、土壤结构相互作用或风力、地震及移动载荷影响的几乎所有结构类型，目前在全球近百个国家中已超过160,000 家用户。

STAAD.Pro 具有一系列高级分析功能，包括线性静力分析、反应谱分析、时程分析、缆索分析、推覆分析和非线性分析，为您的工程团队提供了一个可扩展解决方案，随时满足项目的各项需求。

无论设计结构时采用何种材料以及何种规范，STAAD.Pro 都可以帮助您轻松满足设计需求，这包括美国、欧洲（包括欧洲规范）、北欧、印度和亚洲的规范，甚至还可以满足 AASHTO、ASCE52、IBC 和美国铝材规范等特殊规范。目前的 STAAD.Pro 中文版本已经支持中国的钢结构规范（GB50017），荷载规范（GB50009）以及抗震规范（GB50011）。

STAAD.Pro 是获得 ISO9001 认证的软件，并且完全达到了核工业严格制定的软件验证标准（10CFR Part 50、10CFR 21 及 ASME NQA-1-2000）。

七、管道应力分析工具 AutoPIPE

AutoPIPE 是一套全 Windows 界面的管道分析软件，其主要是计算当一管道系统受到静荷载及动荷载时，系统所承受的容许应力、力和力矩及位移量。AutoPIPE 可以分析各种复杂管道系统：如地下埋管分析，波浪荷载，水锤效应，FRP/GRP 管道以及管道于钢结构之间的协同分析。AutoPIPE 同时具备面向对象的图形技术和动态表单的输入及输出，并且有机的结合。此外高阶的分析能力是其他软件无法比拟的。

1.独一无二的直觉式使用界面

直觉式的使用界面在管道系统的建立及修改方面可以节省许多的时间。在图形上点取一点，你就可以随时插入、修改或者删除一个管件，支撑或一个载荷。对模型的任何一步操作后，应力分析模型都会实时的更行。

除了标准的图形输入界面外。AutoPIPE 也提供 Grid 表单式的输入。两种输入方式可以同时作用，及时更新。在表单里，各种管件和荷载可分别归类于不同的表格并可以依大小（如管径或长度）来排序，这样你就可以快速检验输入的数据是否正确。此外 AutoPIPE 具备 99 次撤消/恢复功能，可以实时恢复先前的错误操作。

2.高阶分析功能

AutoPIPE 提供独特的功能，包括地下管道、海上 FPSO 平台、海底管道分析以及动态荷载、非线性约束等，此外 AutoPIPE 也具备局部应力计算、时程分析、流体瞬间变化及安全阀计算、管架缝隙及摩擦力计算、夹套管计算及提供 25 种管道规范。

3.图形化显示分析结果

结果分析后，你可以点去图形上的任一物件来读取它的应力、变形、力和力矩。此外 AutoPIPE 会以颜色来表示管道的应力分布，让你很快的知道超出容许应力的部分，以节省读取大量报表的时间。AutoPIPE 提供超过 500 种的荷载组合，你可以过滤、排序及显示最大的结果值并以表单的方式显示于屏幕之上。

八、实景建模 ContextCapture

使用 ContextCapture，您可以快速为各种类型的基础设施项目生成最具挑战性的反应现实环境的三维模型。而这一切，都源自您拍摄的普通照片。不需要昂贵的专业化设备，您就能快速创建细节丰富的三维实景模型，并使用这些模型在项目的整个生命周期内为设计、施工和运营决策提供精确的现实环境背景。

您不必在专业采集设备和相关培训方面投入很多时间和成本，就能经济实惠地开发精确的实景网格。您可以使用普通相机拍摄的超过 100 亿像素的照片轻松生成三维模型，获得精细的细节、锐利的边缘和几何精度。

集成地理参考数据执行自动空中三角测量/重建采用可扩展的计算能力生成二维和三维 GIS 模型整合位置数据测量和分析模型数据发布和查看支持 Web 功能的模型

九、可视化渲染软件 LumenRT

拥有 Bentley LumenRT，您无需成为计算机图形专家，便可将数字化栩栩如生的特性与基础设施模拟设计整合，为项目利益相关方创造震撼的视觉效果。这一革命性的实时可视化工具不但可供 AECO 行业的专业人士轻松使用，还能制作极其精美并易于理解的可视化文件。使用 Bentley LumenRT 您可以：

运用包括各式车辆在内的运动元素以及使用各类车辆、移动的人、随风而动的植物、在某个季节微风吹拂下摇曳的树木、云卷云舒、潺潺流水以及更多元素模拟交通实况，让基础设施模型更有生气。轻松生成能吸引注意力、电影级别的图片和视频。使用 Bentley LumenRT LiveCubes 与所有利益相关方共享交互式、呈现三维虚拟实境的演示。在 MicroStation 中直接创建 Bentley LumenRT 场景，包含 V8i SELECTseries 和 CONNECT Edition，Autodesk Revit，Esri CityEngine，Graphisoft ArchiCAD，Trimble Sketchup 以及从更多领先的三维交换格式中引入元素。

十、施工可视化 4D Synchro

SYNCHRO 提供具有高度数据互用性的数字技术，推动建筑行业从传统的二维规划和独立的工作流演变为高度协作和高效的四维可视化规划和 VDC 项目管理流程。

SYNCHRO 专门提供单个技术解决方案来创建您的方法，并精确可视化、分析、编辑和跟踪您的整个项目，包括项目进度和临时任务。该可视化和数据丰富的环境有助于所有团队成员参与到清晰可见的流程中，以从招标、施工、调试直至移交优化各个类型的施工项目，因此就可以持续改进、消除浪费和增加价值。

SYNCHRO PRO 通过单一的可视化四维界面，为团队提供创建、分析、编辑、报告和管理项目的媒介。 SYNCHRO Workgroup Project 是一个数据库服务器，旨在协调对团队环境中SYNCHRO 项目数据的访问。 SYNCHRO SITE 可在 iPad 上（目前在 Hololens 上）为团队提供四维进度报告和资源状态。将更新连接到 PRO 中的计划。 SYNCHRO Scheduler可提交申请免费使用。使用传统的 CPM 方法进行规划和安排。无三维/四维。 SYNCHRO Open Viewer 可提交申请免费使用。以四维方式实现可视化，并与整个项目团队进行协作。

十一、协同平台 ProjectWise

Bentley 公司提出工程生命周期管理的概念，ProjectWise CONNECT Edition 正是基于此概念而产生，它把项目周期中各个参与方集成在一个统一的工作平台上，改变了传统的分散的交流模式，实现信息的集中存储与访问，从而缩短项目的周期时间，增强了信息的准确性和及时性，提高了各参与方协同工作的效率。

ProjectWise CONNECT Edition 工程内容管理及协同工作平台技术服务合同，通过此平台可以希望达到的目标可以概括为：

在分散的团队间搭建连接人员与信息的桥梁

全球化已经改变了我们的工作方式，让我们有机会与全球各地的人们展开项目协作。ProjectWise Design Integration 软件能够帮助您在地理上分散的团队间搭建连接人员与信息的桥梁，以便管理、查找和共享 CAD 和地理空间内容、项目数据以及业务文档。

使用 ProjectWise Design Integration，您可以确保紧密集成的多专业工作流程管理，从而加快项目文档的共享和重复使用，并可利用可追踪功能支持闭环流程，以缩短工期和推进项目。

与多专业团队开展协作

通过在分散的团队间实现全球工作共享，简化您的设计工作流。打破地理和技术上的界限，确保每个人都能查找、共享和重用项目信息、工程数据和通信内容，积极参与团队协作。

— 在不同的组织间安全地共享文件

— 定义可以查看和编辑项目内容的用户

— 使用 Microsoft Active Directory 管理用户身份验证

— 控制组、用户和文档层级访问

— 在 ProjectWise 管理的 PDF 内启用数字签名

提升项目效率和项目交付质量

避免数据丢失、版本控制问题以及电子邮件、FTP 和其他非受管通信的延迟。利用优化的可靠性和可追踪功能，创建并管理进行中的工程项目。借助项目信息管理功能，您可以降低未经授权访问的风险，并消除冗余数据。

— 集成 CAD 设计应用程序

— 提供多种格式的文档

— 为文档和工程内容创建索引

— 使用强大的搜索功能查找文档和内容

— 创建并管理文件版本

— 追踪文档在整个生命周期内的所有变更

— 管理所有参考文件和关系

— 从 ProjectWise Explorer 当中即可查询到与当前所选 DGN/ DWG 文件存在参考关系的所有关联文档

— 查找参考了任意给定工程图文件的所有文件

— 在检出主 CAD 文件时自动访问所有连接的参考文件

如果您对三维数字化工厂感兴趣，有相关的项目需求，或想采购以上软件，欢迎关注“艾三维技术”微信公众号，联系我们。

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