從工廠建筑開始
廠房的設計是一個復雜的系統工程活動。對工廠的設計，核心是對生產設施支持系統的保障。它包含了生產空間的設計、物料流動、人與設備的關系等工廠布局。
單就廠房而言，它就是一座工業建筑。在工業化很長的一大段時間內，它就是鋼筋土泥水電氣的化身。這是一類專門面向建筑行業AEC(建筑、工程設計和施工)的三維設計軟件，包含了建筑、結構、水暖電等。還有一類是面向專業的領域，如石化、電力和海事(PPM)等。而這二者，都涉及到了地理信息系統GIS的應用。面向AEC領域的軟件，一般用來設計民用建筑、基礎設施，也包括工廠的建筑和結構；而PPM則需要考慮大面積的管道、反應容器等。
在民用建筑領域，建筑信息模型BIM也被廣泛使用。它可以說是在機械CAD發展到巔峰開始平緩的時候(大約在2000年左右)后的新一輪崛起，這一次它的突破口是建筑行業，背后的時代性動力依然是計算能力的提升。CAD系統植根于圖形，而難以充分解決建筑信息的問題。類似結構件的解決方式，基于BIM的建筑設計CAD開始出現。揮舞“結構件”大旗的Revit，一改機械CAD里面的點線面結構，實現了參數化設計，在建筑行業異軍突起。似曾相識，這里又要提到在1988年以“參數化建模”而徹底改變了機械CAD軟件PTC公司。是的，盡管一鳴驚人的PTC公司未能在建筑領域建樹威權，但他們出走的高管，卻是以同樣的思路，成立了新銳的Revit軟件 ，而且非常前衛地采用了訂閱制。這種方法超越了時代的腳步整整二十年，訂閱制成為許多CAD軟件的主流。當然，抵抗從來都有，即使在2020年，Revit的訂閱制受到了德國建筑界用戶前所未有的嚴厲批評和抵制。
回到二十年前，在二維CAD時代迅速崛起的Autodesk，早在1995年就開始研發建筑設計產品。然而，即使是擁有在二維機械CAD市場最大的裝機量優勢，在BIM領域也無法站穩腳跟。應該注意到了BIM崛起的勢頭，歐特克在2002年收購了Revit，并在同年推出BIM白皮書，讓這個早已被上個世紀七十年代學術界已經提出的概念，終于在市場端發揚光大。但歐特克有意將BIM鍛造成獨家“概念之錘”的趨勢——實際上這是一場國際學術上的口水官司，歐洲人認為是他們最早創建了這種軟件。但Autodesk的強勢，依然讓很多其它建筑軟件很尷尬，有時候會使用BIM，有時候也難免適當做些切割。拉拉扯扯的尷尬狀態持續了一段時間。而隨著物聯網時代，數字孿生概念的走紅，BIM這個概念的意義則大大被削減。相信這也許會讓很多建筑設計CAD的廠商松一口氣，不必籠罩在“BIM由誰打響”這樣的命題之下。到目前，全球BIM建模軟件有70款之多，僅常用的就有25款。
圖1 設計CAD面向的領域
最早建設設計CAD軟件的發展得益于美國對于建筑標準化的推進，使得面向AEC軟件快速發展。美國鷹圖軟件Intergraph在AEC領域的建樹，最早就是由美國一個城市建立數字地理空間的項目而形成。歐特克則更是推動建立了國際互操作聯盟，將美軍的軍用裝備格式STEP引入到建筑設計領域，并力推一種BuildingSmart格式。這似乎是一種全球建筑格式的新霸權，歐洲市場對此反應激烈。德國的Nemetschek并購了匈牙利Grahpisoft公司的ArchiCAD軟件，它一直以來都是Revit的熱門對手。Nemetschek經歷了大量的并購發展，最終建立了與美國相抗衡的開放式OpenBIM體系。這段爭斗的歷史，反應了歐洲對美國在建筑設計軟件格式標準上的壟斷所具有的高度警惕性。而德國這家建筑設計軟件巨頭旗下現在已經累積了16個BIM軟件品牌，ArchiCAD名氣最大并在中國建筑設計方面優勢很大。一點都不意外的是，這款BIM軟件最早也是一批匈牙利的建筑師與數學家一起合作開發的。無處不在的提示，軟件的起源，總是跟數學有很好的綁定。
各個軟件都會找到自己的不同定位，比利時的BricsCAD以輕巧取勝(已經被大胃口的海克斯康收購了)，而芬蘭的Tekla則是一家專業鋼結構軟件研發，對各種鋼結構的設計與制造有著豐富的經驗。這種基于鋼結構深層次的渲染能力而形成的特色，也使得它可以在BIM市場找到自己的一席之地。而達索系統的BIM，雖然是后起之秀，但也找到了一種進入的方法。一般BIM的顆粒度不會太精細，而達索系統基于Catia內核所開發的BIM軟件，進一步將其顆粒度深化，進入了可以制造的層面。在特別復雜的建筑如大興機場，已經成為一個人居體驗的藝術品，占據一席之地。大興機場的頂部大雙曲玻璃有8000多塊，每一張都是獨一無二的，它的設計由前到后，自動轉換，從生產施工到單零件級，可以驅動彎管機或切割機直接加工出料件。
基于原有機械CAD內核開發的BIM軟件，整體而言是勝少敗多。它們往往被用于特殊的場合。Gehry Technologies 基于CATIA進行二次開發而形成的行業應用DigitalProject，發展成了建筑設計輕量化SaaS端應用。而在2014年，這家公司就被美國天寶收購。作為全球最有名的高精度衛星導航定位系統商，天寶在工程機械領域被廣為熟知，它建立了工地建筑的標桿導航系統。全球第一大工程機械商卡特彼勒也持有它的股份。而收購谷歌的數字地圖設計軟件SketchUp，則加強了它對工地現場的幾何造型能力。作為地理信息系統GIS的佼佼者，天寶在地理環境建模與施工機械導航之間形成了一體化的數據連通。從近幾年的布局來看，這也是它進入工業物聯網領域的關鍵戰略之一。
在中國，依靠建設部對于標準的執著要求，中國面向AEC軟件也有了較快的發展。盡管在BIM的核心建模軟件仍然落后，但在其它方面也算是各有斬獲。包括北京PKPM、北京盈建科、廣州廣聯達、品茗、蘇州浩辰、北京博超等軟件。面向結構分析的PKPM，源自中國建筑科學研究院，借助于863計劃的工程三維設計系統的課題而研發成功，一度占據勘察設計院90%的市場。后來該軟件的主要開發人離職后創建了盈建科，在土木工程結構設計軟件市場中也迅速崛起。
而在工廠設計方面，鄭州六院本來有著很好的機會。當時開發了工廠設計的JJ軟件包，在九十年代很活躍。它收集了當時所有機床廠家的設備數據庫(樣片庫)，包含了很多工藝軟件計算包，可以進行工藝流、干涉性分析、計算負荷等。可惜隨著改制的變遷，跟當時很多冉冉興起的國產軟件一樣，慢慢失去了更新的能力。這再一次表明軟件的特點，它是一個慢步長跑的事情。就算是靠攻關集中攻克出來，但后續如果沒有持續更新能力，那也不會有前景。軟件，需要持續地使用：常用才會常新。
而在工程造價方面，中國也有著獨特的優勢。除了魯班之外，廣聯達表現突出。它呈現了一個國外成熟軟件公司所具有的特性，那就是對并購的偏愛。它在2014年收購了芬蘭的BIM軟件MagiCAD，作為一個可視化和參數化模型，它擁有龐大的建筑產品模型庫，包括了窗戶、消防栓、動力電纜等數十萬種不同類別的產品。這使得現場的建筑設計變得更加輕松。在中國工業軟件沉悶的資本市場上，廣聯達是少有的擅長并購組合的企業。最新一次收購則是在2020年，收購了以設備模型見長、建立在Revit平臺基礎上的北京鴻業軟件。而作為新興的地理信息系統與GIM的結合，主打輕量化的上海葛蘭岱爾也嶄露頭角。可以說，在各種軟件領域中，面向AEC軟件，中國算是咬得最緊、跟隨國外品牌跑得最近的一個領域。
工廠設計的交付
而在民用建筑之外，工廠的設計尤其是在石化、電力和海事等PPM領域，進入了非常專業的工廠設計范疇。AEC領域的供電、通風、土建以及給排水等，在PPM領域這里還只是一個開始。在石油化工、電力、制藥等行業，有著無數個大塊頭反應釜和彎彎曲曲的管道。安全、控制開始變得無比的重要。于是面向廠房設計的軟件，就成為一個獨立的分支。這其中佼佼者包括施耐德電氣收購AVEVA的工廠設計軟件PDMS。與民用建筑的AEC更偏重于土建相比，工廠設計類軟件更重視工藝流程走向、設備與管道的布置，以及各類設備與管道之間的碰撞干涉檢查與處理 。AVEVA軟件最早起源于上個世紀六十年代英國劍橋大學CAD中心的項目，這也再次確認了英國大學與CAD/CAM軟件的廣泛聯系。政府撥款的軟件項目，在結束之后，就會孵化出商業軟件。我們應該聽過太多類似的故事。跟機械CAD一樣，它也同時發育成長。二者的差別直到1977年才開始變得迥然不同。這一年，管道設計軟件PDMS成為一個劃時代的產品。更準確地說，它開創了一個全新的分支。然而這樣的標桿性路標，還需要另外兩家美國企業來分享。
美國鷹圖Intergraph和本特利MicroStation則是一對天生的冤家。鷹圖Intergraph有著CAD活化石的痕跡。它是上個世紀八十年代的五大CAD廠商之一(其它四家都隨著硬件與軟件的分離而消失或者被收購)。它最早是做印刷電路板PCB的設計，后來由于美國城市的地理數據化項目而進入AEC領域，最后在1981年與一家工程公司合作開發了工廠管理設計系統PDS，從而成為一棵常青樹產品。
本特利的MicroStation則是一個平行交織的故事。鷹圖當時最重要的一個客戶是杜邦化工，而本特利正是天天使用這個軟件的工程師。應該是感覺這樣一個軟件實在過于復雜，于是自行重新開發了輕靈版的廠房設計軟件，并成立了本特利公司。這個公司推出的MicroStation的低成本部署方案廣受歡迎。鷹圖甚至投資本特利公司，并一度成為后者重要的銷售渠道。在軟件發展歷史上，低成本一向是行業發生變局的重要標志，MicroStation很快就抓住了PC機開始普及的機會，從小型機市場果斷撤出，進入了個人機市場 。在不同的陣地上，這類故事都是用著同樣的旋律。跟Autodesk、PTC、Solidworks等機械CAD軟件抓住硬件變遷的浪頭一樣，MicroStation也得到了時代對于善變者的嘉獎。后來經過復雜的變遷，它跟Intergraph已經成為最重要的競爭對手。加上AVEVA，基本成為流程電力造船行業最重要的三個工廠設計玩家。但時代進化總會產生裂痕，猛虎也會被大地吞噬。Intergraph在輝煌時期經歷了跟英特爾復雜的官司訴訟，加上戰略判斷失誤，逐漸開始走下坡路，在2006年被投資公司并購,并在四年后加入三維坐標測量公司瑞典海克斯康的旗下。而AVEVA則在2018年被施耐德電氣反向收購。至今，三劍客之中，只有本特利仍然保持獨立的發展。
鷹圖Intergraph在后期也一度在電子設計自動化EDA領域進行過耕耘，并最終將相關部門賣給了當前依然活躍的三大EDA軟件商之一的CADENCE。這不免給人一種印象，一個集成電路板不過就是另外一座龐雜的建筑而已。在那里，各種微弱電流往返的超微通道跟北京上海城市的大路并無不同。這種視角，會讓我們更好地理解工業軟件為何一定是強大制造底層的基石。即使從同一個點出發，工業軟件也有很多指向。InterGraph公司不僅僅設計了廠房設計、電子設計自動化軟件，即使在機械CAD市場也大有斬獲。值得一提的是，這家公司是中低端三維CAD軟件SolidEdge的創立者，現在已經成為西門子旗下的產品，品牌依然活躍。
這類需要考慮行業特性的管道設計到后來都發展成為綜合性的工廠設計軟件，大量工藝和設備的知識，也提前進入工廠設計軟件之中。世界變得復雜了，軟件也同步跟進。人類看待世界的顆粒度，其實是由軟件來固化。無論是精細的生物結構，還是宏大的宇宙空間，軟件呈現了伸縮自如的尺寸，如影相隨。工廠設計，有廠房，有機器，有管道，需要包含一套智能建造。如果希望工廠建好之后，管道里的液體流動跟想象中一樣的安全穩健，那么就需要在實際安裝之前，洞察管道流動的物理和化學機理。從設計師的想象，到現場工人的操作，跨越時間和空間握手，只有軟件才能完成這樣的穿越和連接。造物者，起于心成于手，只有軟件才能實現在工程中精確地復制創意，一遍又一遍而不走樣。
工廠的數字化交付應運而生。有了這些軟件生成的物理模型和仿真機理，如果能夠跟將來的工廠運維結合起來，數據將真的實現全生命周期的流轉。這是工廠里一次前所未有的新氣象。廠房設計的軟件，將再次發揮著重要的作用。國內這方面的軟件，跟機械CAD市場有些類似，在設計端相對較弱，很難進入設計院。這塊市場也基本被前面幾個品牌所壟斷。國內主要有長沙優易軟件UESOFT作為國產三維管道CAD/CAE一體化設計的代表之一，在能源石化領域也有一席之地 。當設計院完成工藝設計之后，圖紙就會進入建造方和之后的運營。這中間涉及到了大量的數據斷點，給國內一些做模型重構的軟件公司，如中科輔龍科技、圖為、綏通等國產軟件，留下了重新打穿數據通道的機會。一些來源自各行業工廠設計背景的公司如中機六院牽頭聯合國機集團相關單位成立的國機互聯等也跨界投入了這一領域的軟件開發。從定制化起家，這些企業有一個共同的特點，那就是對設備特性和建模非常熟悉，對數據的格式轉換也有很好的駕馭。畢竟，就像手術室縫合傷口一樣，對數據工藝特性的了解，決定了數據連接的精度。數字化交付，有了可以信賴的顆粒度。
中國基建狂飆猛進的背后，是一個國外廠家不太熟悉的三邊工程(邊設計、邊采購、邊施工)。三邊工程在國內也是備受爭議，但卻屢見不鮮。一方面跟工期計劃安排過緊有關系，另一方面也是與信息流通不暢有關。而數字化技術，正在試圖挽回這樣的局面。那些被切斷的數據，正在被重新連接。從前到后，按照圖紙和設備的數據，在數字化交付的大背景下，可以用數字孿生方式重構工廠的生產設施支持。數字孿生，將是打通三邊工程的一個重要抓手。
以前，現場進展數據不清晰不準確，對于物資到貨、施工進度等數據，主要依賴于項目進展而非圖紙資料。這在信息化高度發達的今天，聽起來簡直是不可思議。由于現場項目經理無法了解詳細的施工進展，不清楚材料到貨與剩余施工計劃是否匹配，只能經常召開進度協調會，每次會議長達半天。而中科輔龍科技采用數字孿生技術構建工廠模型，基于工廠對象自動識別設計變更并疊加施工進展和庫存等信息，就可以降低一半以上的會議頻率和時長。
當前，石油化工行業正在躍躍欲試地推進工廠資產如各種設備的數字孿生，以工藝特性為基礎，建立高保真的物理模型是首當其沖的任務。而數字化交付也迎來了新的春天。
小記
工業軟件，總是藏得很深。宏偉的工廠，令人生畏；而背后的設計軟件，卻經常被一筆帶過，甚至無人知曉。而工廠的數字化交付，正將二者虛虛實實地結合在一起，設計師和操作員完成了穿越時間的對話。
作者：林雪萍(北京聯訊動力咨詢公司總經理，上海交大中國質量發展研究院客座研究員)
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