基于PDCA循環的三維協同設計質量管理應用實踐

崔龍，李義興，張金亮，田忠

(山東天力科技工程有限公司，山東 濟南 250100)

0 引言

隨著數字化和信息化技術的快速發展，三維協同設計技術也越來越成熟，工程設計行業逐步由傳統的二維設計轉變到三維設計，成為設計行業發展的主流方向。三維協同設計基于統一的軟件平臺，使各專業相對獨立的設計模型互聯互通，實現設計數據的一致性和準確性，能及時發現各專業設計間的碰撞或不合理，保障現場施工順利進行。

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

1 計劃階段(Plan)

1.1 現狀調查

為準確掌握三維協同工程設計質量管理的現狀，采用問卷調查法進行相關信息采集，調查對象為以往工程設計中涉及的業主、設計、施工、監理、咨詢等相關單位。通過問卷調查發現，三維協同設計的效率并沒有達到項目建設的工期要求，對設計服務產生了一定的負面影響。多數項目在設計實施過程中存在拖期、延誤、不能按時提交設計文件的現象。通過對調查問卷統計分析發現，如圖1所示，僅結構模型布置設計和管道模型布置設計就占用整個工程設計耗時的76.3%，造成工期的延誤[4]。因此，如何建立系統性和流程化的三維協同設計體系、降低結構和管道設計消耗工時是提高工程設計效率應考慮的關鍵問題。

圖1 三維協同設計各部分模型耗時分布圖

1.2 問題分析

針對項目在設計過程中出現的問題進行歸納、分析總結，找出影響三維協同設計的末端因素，包括：設計人員設計水平、創新意識、設計任務安排的合理性、業務重視程度、三維協同軟件體系健全程度、專業模型建模速度、三維專業模型資源庫豐富程度、三維全流程設計體系的完整程度等。

經過全體成員專題會議討論，確認“軟件體系不健全”“未構建專業模型資源庫”“缺乏三維全流程設計體系”等是影響三維協同技術應用的三個要因。搭建全流程協同設計軟件平臺，能使整個項目數據一次性輸入；構建豐富的專業模型資源庫，能在設計之前準備充足的素材；構建完整的三維全流程設計體系，建立嚴格的三維設計校審流程，可以有效地提高工程設計的質量。

1.3 目標設定

根據項目經驗，該項目實施PDCA循環管理活動前預計使用工時約為3000 h，其中結構模型布置設計工時為3000×32.7%=981 h，管道模型布置設計工時為3000×43.6%=1308 h。

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

(1)通過構建管理體系和創新管理新模式提升三維協同設計效率，使項目整體設計工時節約5%：3000×5%=150 h；

(2)通過運用三維協同設計體系使結構模型和管道模型設計工時節約50%：(981+1308)×50%=1145 h。

綜合以上效率提升目標，通過解決關鍵問題，實現該項目三維協同設計效率提高，擬將項目設計目標使用工時設定為：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管理背景及三維技術設計能力，能夠針對出現的問題進行分析，提出合理的解決方案。設計人員本身素質較高，責任心也較強，加強技術培訓工作，能夠達到執行統一技術措施的要求。由各專業負責人及專業小組長專職制定統一技術措施，并持續更新完善。制定項目組內部質量管理體系，加強各節點的控制及落實，保證了設定目標的可行性。

1.4 制定對策

針對“軟件體系不健全”“未構建專業模型資源庫”及“缺乏三維全流程設計體系”等三個要因進行認真分析討論，分別制定出了相應對策。

安排專人構建三維協同設計體系軟件，同時完善各類數據接口。從而建立統一的軟件體系，使工程數據的調用隨著規范和規程的修訂及時更新與完善。具體措施是：安排專業負責人及小組長專職制定統一的軟件體系及數據調用方式。

安排每個專業的負責人建立本專業的資源庫，并不斷填充相關模型資源，以便于調用相類似項目的資源。通過建立專業模型資源庫，實現提高三維模型建模效率的目標。具體措施是：調研專業資源庫的構建內容；開展資源庫專題培訓，組織人員對資源庫進行填充，把資源庫應用到項目中。

按協同設計流程制定行業內的三維全流程設計體系和各個控制點的設計三維設計內容，并召開項目總結會，并形成成果，從而達到及時總結成果、統一技術措施的目標。具體措施是由項目負責人召開項目總結會，由專人記錄總結，形成三維全流程設計體系文件。

2 實施階段(Do)

2.1 搭建完整三維協同設計軟件應用平臺

為改進軟件體系不健全的問題，搭建完整三維協同設計軟件平臺，制定統一的軟件應用體系及數據調用方法。如圖2所示，根據現有軟件具體情況，以三維工廠設計軟件(CADWorx Plant Professional)為核心，集合工藝流程設計(CADWorx P&ID )、應力分析(CAESAR II)、建筑三維設計(Revit)、三維漫游(Navisworks)、結構配筋(PKPM)、應力分析(CAESAR II)等軟件搭建成完整的三維協同設計軟件應用平臺，開通軟件之間的數據互聯互通接口，建立順暢的三維設計數據流轉體系[5-6]。根據該三維協同設計軟件平臺體系，制定各個軟件的相關應用手冊，幫助設計人員規范、熟練地應用設計軟件。

圖2 三維協同設計軟件平臺架構圖

2.2 構建全專業模型資源庫

三維設計是以工程數據為核心，三維圖形為表現手段的設計理念，所以數據庫建設在三維設計工作中占據了相當大的比重。專業模型資源數據庫的建立需要分成專業工程數據庫和專業圖形庫兩大類建設。這樣才能實現數據的可重復性使用。專業模型資源庫是三維模型的圖形及資料表現方式，實現模型資源從文檔級向對象級的儲存和查詢利用，專業模型資源庫分為元件模型資源庫、設備模型資源庫、建構筑物模型資源庫等[7]。根據三維標準化設計需要，修改和新增各類圖元。

2.3 建立三維協同全流程設計體系

按照三維模型設計工作的過程，將三維全流程設計劃分為三維項目建立、專業模擬研究、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同全流程設計體系。

第一階段為三維項目建立階段：包括建立設備模型、建筑模型、結構模型、設備位置模型等，進行30%模型審查工作。

第二階段為專業模擬研究階段：包括配管模擬、電氣橋架模擬、儀表設備模擬、HVAC設備模擬、安全區域模擬、土建設施模擬、結構模擬，進行70%模型審查工作。

第三階段為模型碰撞檢查階段：根據施工圖版參考資料、P&ID、供貨商資料、土建、結構資料對模型進行檢查，進行90%模型審查工作。

最后完成施工圖版的三維模型，出具施工圖版設計成品文件。

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

第一階段：30%模型審查項目

工藝設備審查要點包括：設備定位及基礎要求；設備外形輪廓；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：工藝配管統一規定要求；工藝設備布置；防火區域設置和防火通道；主管道布置和有應力要求的管線布置；重要管架設置。

建筑結構審查要點包括：管廊和關鍵管架結構；維修和安全通道；土建基礎和樁基布置；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；設備布置、設備樓梯平臺布置；安全維修通道；構筑物布置；物料裝卸通道；公用工程站基本布置；完成全廠區單體布置。

第二階段：70%模型審查項目

工藝設備審查要點包括：維修空間和維修通道；閥門和設備的操作平臺布置。

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

建筑結構審查要點包括：結構尺寸和平臺布置；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施布置；起重設備和裝卸運輸設備的布置。

第三階段：90%模型審查項目

工藝設備審查要點包括：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。

建筑結構審查要點包括：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；各專業設計完整性；公用工程、消防布置的完整性。

3 檢查階段(Check)

3.1 目標值檢查

經過統計，如圖3所示，該項目實施PDCA循環管理活動前預計設計工時約為3000 h，實施PDCA循環管理活動的目標工時為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%，達到了前期設定的管理目標，極大地提升了三維協同設計的效率。

圖3 設計效果對比柱狀圖

3.2 應用效果評價

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

表1 成本節約一覽表

實施要因對策后，解決了“軟件體系不健全”“未構建專業模型資源庫”及“缺乏三維全流程設計體系”等主要問題。不僅順利完成提高了該項目的三維協同設計效率，還把活動成果推廣應用到其他三維協同設計項目，最后取得了巨大成功，進一步驗證了PDCA循環活動的成果具有可復制性和推廣性。

4 改進階段(Action)

為了加強項目實施成果，經過總結討論制定以下持續改進措施，歸納整理形成報告。

措施1：對三維協同設計流程進行程序化性固化，制定《三維協同設計管理流程及控制說明》，并根據實際工程中新發現的問題持續改進該流程。

措施2：制定《專業模型資源庫使用手冊》，并根據實際工程中新產生的設備模型資源、結構模型資源、元件模型資源、建筑模型資源、暖通模型資源等分類進入專業模型資源庫，并配備對應的模型說明。

措施3：根據相關規范的升級，不斷完善總結各三維軟件的使用技巧，同時制定三維軟件的使用標準。提高設計人員的軟件應用的有效工作效率，實時總結發布新的統一措施，使每個設計人都全面掌握、不斷提升三維設計軟件的應用技能。

5 結語

三維協同設計要求設計人員以三維設計模型為平臺開展工作，把設計任務按照專業內協同及專業間協同的要求進行合理分解，實現設計構件的組裝、信息共享，避免信息的重復創建、更新與修改，從而有效地提高數據的一致性、可靠性、共享性和安全性，實現規范化、標準化、自動化的工作流程，提高設計質量和效率[9]。

通過本次PDCA循環質量管理活動，探索出了運用三維協同設計技術提升工程設計效率的質量管理新模式，不僅提高了設計項目的工作效率和設計質量，節約了設計成本，減少了人力資源浪費，還培養了項目成員的質量意識、管理意識和運用PDCA循環方法進行質量管理改進的能力。持續進行PDCA循環活動能夠不斷改進三維協同設計技術應用體系，使得三維協同設計和質量管理模式更加具有適應性和匹配性。