摘要：AEC行業面臨的挑戰可以概括為一個共同點：複雜性。針對這一挑戰，西門子的NX提供了面向AEC工程行業的設計解決方案，覆蓋：數位化和CAD設計、創新的創成式設計和算法建模、可視化和3D列印、模塊化和機電設計、協作和雲等內容。本文對這一面向AEC行業的解決方法做了概述，並介紹了相關行業的應用案例。
1. AEC行業的趨勢
AEC（建築、工程、施工）行業的未來是數位化的，並且建立在整體方法的基礎上，將所有相關方聯繫起來。通過IDC（國際數據公司）機構的調研信息可以看出，大部分的AEC（建築、工程、施工）公司開始思考和規劃如何利用數位技術和數據實現組織轉型。AEC行業的總體趨勢如圖1所示。
圖1.AEC行業趨勢
項目可視化。我們在AEC 中注意到的現象是後期變更導致施工成本增加和施工延誤，造成這些問題的原因是2D圖紙和靜態照片使客戶在到達施工現場之前無法識別問題，客戶需要更先進的可視化技術來避免這些問題。
模塊化結構。缺乏熟練勞動力，加上長期的成本和進度超支，迫使AEC行業採用新的施工方法。與現場施工相比，模塊化具有許多優勢，模塊在工廠製造，並在施工現場運輸和組裝。這改善了施工環境，更好地利用了熟練的勞動力，並且由於同步工作流程，可以更快的完成工程項目。此外，模塊化結構還減少了對環境的影響。但同時，模塊化結構也給製造商帶來了獨特的新挑戰，例如勞動力成本和移動完整組件的物流問題等。
數位化。在AEC 中，數位化發展非常迅速。政府法規要求透明的數字數據。德國要求企業提交3D數據（IFC）作為其提交的項目計劃的一部分。改進的掃描技術，如360°相機和無人機，使掃描工作更快，更輕鬆，更安全。但是，掃描的數據可能難以使用。所有建築師，工程師，施工規劃師，承包商等都不會使用任何單一的軟體供應商。因此，公司需要能夠集成來自多個來源的數據。
移動可訪問性。使用雲技術的移動可訪問性使得從多個來源生成的所有數據都可以保存並隨時隨地訪問，從而更輕鬆地確定項目的當前狀態。但是，收集項目數據需要一個團隊從許多不同的來源查找/收集數據，並創建一個全面的數字孿生體。
在AEC行業的所有趨勢中，BIM（Building Information Modeling 建設信息建模）將對未來建築產生最強烈的影響。AEC 組織正在通過項目和 BIM 工具，採用連接、自動化和數據可視化來快速轉變其組織。
2. AEC行業的挑戰
BIM面臨的挑戰與PLM一一對應，同樣的問題只是叫法不一樣。PLM 最初是一種以數字格式 （PDM） 管理爆炸式增長的工程信息的方法。PLM 是一種戰略性業務方法，它集成了人員、流程、業務系統和信息，可幫助組織在其生命周期內以更低的成本交付更好的產品。例如BIM會面臨需求管理、單一事實來源、變更管理、資產優化(IoT)、移動和自定義、應用設計互操作性、8D可視化、地理空間的挑戰，這與PLM的需求管理、數字孿生、變更管理和工作流程、高級分析和 AI、產品定製、多-CAD、視覺構造、地理信息系統投資等是一致的。
圖2.AEC行業BIM和PLM面臨的挑戰對應
但實際上，AEC行業面臨的挑戰，無論是OEM還是供應商還是下遊客戶，都可以概括為一個共同點：複雜性。複雜性正在呈爆炸式增長，我們不應迴避這種複雜性，而應學會接受和利用這種複雜性，以便在市場上創造真正的競爭優勢。
我們相信，行業領域的真正領導者、顛覆者，將接受下面三個關鍵概念，以便將複雜性轉化為競爭優勢：
第一個是最全面的數字孿生體 - 藉助來自綜合數字孿生體的見解和數據，公司可以非常準確地模擬其產品性能，從而使他們能夠構建更靈活和互聯的設計，處理更廣泛的產品，從而隨著消費者偏好的變化而快速響應。
第二個是現代、適應性強、個性化的解決方案 – 必須能夠為整個組織中的人員提供易於使用的工具，這些工具能夠從許多地方提取信息，並以一種適用於他們嘗試完成的任務的方式將這些信息呈現給他們。如果數據以令人困惑或複雜的方式呈現，則使得數據可能是沒有幫助的。它必須針對個人及其任務進行個性化設置。
第三個是靈活的開放生態系統 – 信息技術在追求複雜性作為競爭優勢方面發揮著關鍵作用。沒有一個工具或供應商可以做到這一切。如果你選擇的工具不能很好地協同工作，你的追求將遠遠達不到你的目標。
3. 西門子NX在AEC行業的設計解決方案概述
西門子的Xcelerator是一個全面、集成的軟體、服務和應用程式開發平臺產品的組合。它旨在幫助各種規模的公司成為數位化企業，其解決方案可以滿足個性化和適應客戶和行業特定需求。NX 是 Xcelerator 的關鍵部分，提供跨學科集成的高級 3D 設計功能，提供全面的數字孿生。
西門子的NX設計解決方案在面臨AEC行業的複雜性這個挑戰上，表現出了卓越的能力，主要體現在以下三個方面的競爭優勢：
圖3.NX在AEC設計解決方案的競爭優勢
第一是全面數字孿生。全面的數字孿生體由幾個領域組成，從產品設計到生產計劃、製造，最後是使用中的產品。在整個過程中，每個階段的見解都會反饋出來，並用於不斷改進產品生命周期的各個方面。該流程完全集成，可實現市場上最全面的數字孿生體。
第二是解決方案更具適應性，個性化和現代化，我們利用機器學習來加速設計和學習，通過我們新的自適應用戶界面，能夠預測設計人員需要的下一個命令，使設計過程更加高效。
第三是能夠提供獨特、開放和集成的東西，來滿足客戶單一流程中的所有需求，西門子採用的開放式架構是實現這些目標的關鍵功能。NX 是唯一一個經過 ProStep 認證的主要 MCAD 工具。同時NX也支持雲，建立在靈活且可擴展的架構之上，可以通過不同的方式進行部署和訪問。Microsoft Azure 上的 NX 是最新的部署選項之一，可讓您在當今不斷變化的環境中靈活地使用 CAD 工具。Microsoft Azure 為您提供尖端技術，使您能夠掌握業務需求並適應未來的任何變化。
4. NX在AEC行業設計解決方案的關鍵功能
基於NX先進的結構設計能力，NX 提供了全面的 AEC 設計解決方案，可顯著提高生產率。它支持建模和數位化、革命性的創成式工程技術和人工智慧、可視化、3D 列印、模塊化和機電設計，所有這些都在完全支持雲的協作環境中實現。
圖4.NX在AEC行業的下一代設計
AEC行業的設計流程與機械設備設計流程的區別是，從開發項目的上下文開始，項目將從導入地形、掃描數據和現有建築結構開始。NX 支持導入典型的數據格式（如 LandXML）、掃描的點雲數據以及 CAD 數據（如 DXF/DWG 和 IFC）。項目設計是在地形和現有結構的背景下開發的。
很多公司通常會利用多個工具，例如，一個用於標準建築物的工具，另一個用於外觀和結構的CAD工具，另一個用於MEP（暖通、電氣和給排水）的工具，另一個用於混凝土或鋼材的CAD工具。而NX單一工具就能完成所有這些工作。NX 擁有一套完整的設計工具，用於創建複雜的自由形式幾何體（例如：雙曲面牆、地鐵交叉口等），管理大型裝配體並描繪多個構建階段。NX可以在託管環境中使用，使總承包商、建築師、分包商等所有參與者能夠在共享設計空間內進行協作。相比於傳統設計中的設計機械、電氣和管道的分包商經常在過時的沒有更新的設計數據環境中工作，NX可以使設計 MEP 的分包商能夠始終訪問最新設計，並確信他們的設計是正確的。此外，由於數據始終是最新的，因此與業主或分包商一起準備設計審查可以在幾分鐘而不是幾天內準備好。
圖5.NX的關鍵設計功能
仿真和製造通常從工程圖開始，需要花費大量時間從每個特定學科的繪圖中重新創建模型。NX是一種多專業工具，使 CAD 模型能夠立即用於仿真、製造和文檔編制。設計、仿真、製造之間的關聯性消除了重塑項目所浪費的大量精力，並使公司能夠將更多時間花在創新和優化上。例如，像 HEED 這樣的工具可以通過運行 100+ 次參數化更改或拓撲優化，來優化設計結構的重量和強度。製造操作與設計模型相關聯，能夠在設計更改時自動更新（例如焊接，CNC）。雖然這種級別的互操作性和關聯性在汽車和航空航天領域很常見，但大多數AEC公司仍然有這方面的需求，但是實際設計中很少考慮關聯性的潛在好處。
在 AEC行業中，繪圖是記錄設計並相互協作的主要方式。NX能夠根據AEC 繪圖標準記錄設計。NX提供專門的NX AEC文檔使工程師能夠創建 AEC 項目所需的標準工程視圖、尺寸、符號、注釋、表格等。
4.1 建模和數位化
CAD建模是一項成熟的技術，但AEC仍然有很多挑戰需要應對。傳統設計常常被迫使用多個不相連的解決方案來完成整個設計、驗證和製造過程。處理來自多個CAD系統的數據轉換和模型中的設計意圖的丟失是非常頭疼的問題。一些設計人員被迫使用基於歷史的參數化模型，而不是從其他數據類型中受益。由於質量不一致，掃描的數據可能難以處理。最後，共享和保留設計知識的能力比以往任何時候都更加重要，成本和截止日期的壓力也更大。
NX 支持靈活的設計方法，允許參數化、曲面和小平面幾何體在單個模型中無縫工作。可以使用知識工程捕獲和重用設計意圖和用戶智能，以便提高設計速度和生產力。NX 產品模板工作室以易於重用的形式捕獲模塊化產品設計，使用經過驗證的設計和知識減少重複性工作。可以使用同步建模技術來使用和修改來自任何源的數據。NX 還具有智能專用工具來自動執行打包任務。
圖6.NX CAD建模設計示例
傳統掃描的3D數據，過程非常麻煩，特別是不規則形狀需要大量的逆向工程，以便將其用於3D列印，模具設計，分析或其他用途。NX的收斂建模通過將掃描的數據作為小平面引入來減少對這種重複工作的需求，因此無需映射曲面、創建實體或執行任何其他手動形狀創建。可以掃描數據並立即開始使用它來構建3D 列印支架、基於形狀創建模具、將其包含在裝配體中、對其進行分析或執行要對 CAD 數據執行的任何其他操作。毋庸置疑，這代表了時間和成本的巨大節省。
圖7.NX點雲和收斂建模
NX強大的重用庫減少開始新項目所需的時間。提供OOTB常用BIM組件，提供高度可定製且易於使用的框架，可定義帶有規則的自定義庫，跨各個庫的一致參數名稱和圖例，用於快速設置的專用安裝工具。同時，CADENAS 庫與 NX 的集成提供了現成的組件，可立即下載。當 NX 用戶瀏覽數字目錄並從 CADENAS 目錄中的 700 多家供應商之一中選擇組件時，CADENAS 軟體會生成本機 NX 零件和裝配體（包括特徵、參數、零件屬性、裝配約束等）。由於內容是使用NX 開放API 動態生成的，因此生成的部件質量非常高，具有豐富的元數據。
圖8.NX重用庫
AEC 繪圖具有獨特的特徵。項目主要使用立面/側視圖和平面圖/頂部視圖進行記錄。包含建築材料（例如混凝土和土壤）剖面線的專用剖面圖（例如縱向剖面）。NX AEC文檔構建在 NX 業界領先的NX 製圖應用程式之上，並已完全集成。它提供了一套文檔工具，可以快速準確地創建工程圖紙。AEC 文檔是一個 NX 製圖環境，可自定義支持 AEC 繪圖標準（例如，專用工程圖視圖、符號、尺寸、剖面線等）。它還支持行業特定的標準。
圖9.NX AEC繪圖工具
4.2 衍生式工程和人工智慧
高昂的材料成本和環境問題正在推動減少浪費的需求。保持強度和穩健性的創新、複雜設計，很難通過脫節的解決方案和老舊的勞動密集型設計技術來實現，這就催生了全新的CAD創新設計方法，包括：創成式設計、算法建模、人工智慧等。
技術的融合正在為設計開闢新的可能性。特徵參數優化（HEEDS） 和收斂建模等工具，結合面向設計人員和增材製造的拓撲優化，正在實現全新的設計。設計師可以指定設計的重要功能和參數，並生成針對材料使用、強度和其他因素進行優化的形狀。探索多種設計方案以找到效果最好的設計方案也容易得多。NX結合了集成特徵參數優化、收斂建模和拓撲優化，能夠實現創成式工程在輕量化和節省材料方面的巨大潛力的挖掘。
圖10. NX創成式工程
算法建模是一種直觀的方法，用於創建由邏輯和算法驅動的複雜設計。它節省了大量設計時間，並能夠創建這些高度複雜的設計，同時不再需要高級編程知識。
圖11.NX算法建模
NX提供一種新的草圖繪製方法，該方法已被證明可以將普通用戶花在捕捉其想法上的時間減少30%以上。新的NX草圖是智能的，它可以預測您要修改的內容以及與該更改相關的對象的邏輯關係，它允許您快速修改設計並更改正在創建的形狀。重要的是，作為NX開放理念的一部分，它既適用於在NX內部創建的數據，也適用於從其他系統導入的數據，並與從其他程序引入NX的數據無縫協作。
4.3 可視化和3D列印
可視化在AEC中變得比以往任何時候都更加重要。2D圖紙和傳統表示使得設計結果難以可視化呈現，從而導致錯誤和延遲。數字樣機可減少或消除物理樣機，使用數字樣機功能來可視化和分析虛擬樣機，能夠使用複雜的空間分析工具（包括間隙和幹涉分析功能）在設計過程的早期發現並解決形狀/符合性/功能等設計問題。NX 具有沉浸式 3D 虛擬環境，您可以在其中通過步行和漫遊導航設計結果，全尺寸處理實際的 NX 數據，並在更好地理解的情況下確保首次就獲得正確的設計。整個團隊都可以在虛擬的沉浸式3D環境中"見面"。每個人都可以查看相同的模型，並實時查看、討論和提供反饋。這有助於更好地理解問題並更快地解決問題。過去，培訓服務員工一直需要物理部件。藉助 AR 和 VR，他們可以與 NX 中的數字孿生體進行交互，從而降低成本並確保始終使用最新設計。
圖12. NX基於數字樣機的可視化
在製造產品之前了解產品的外觀是一個巨大的優勢，可以讓設計人員儘早做出有關美學或材料的決定。隨著Lightwork Design的加入，西門子將為客戶提供一流的高級3D可視化、高端渲染和虛擬實境功能，以幫助實現其產品的數位化雙胞胎。在產品開發方面，3D渲染經常被忽視，但它在這個過程中扮演著非常重要的角色。在產品開發的早期階段，在投入大量辛勤工作和時間來實現設計之前，將一個概念可視化，可以促進協作，幫助其他人可視化查看我們的設計和願景。
在產品開發過程中評估對設計的反應，讓設計人員更加了解自己的創意，產品設計是否成功？是否應該進行任何更改等？同時在使用實際材料之前，確定設計問題並努力糾正所有問題。還可以縮短上市時間，不必等待產品的物理原型來獲得反應，反饋或進行更改，能夠更快地將產品推向市場。在市場上銷售產品，營銷人員可以在廣告中使用設計的逼真圖像，以便在產品最終確定後銷售產品，甚至創建自己的宣傳材料。
圖13.NX照片級真實渲染
3D列印是可視化的一個重要內容，藉助 NX，可以通過變更管理和需求跟蹤在同一系統中執行整個 3D 列印過程。晶格設計等工具可以創建堅固、輕便的設計。通過在設計階段確保零件的可製造性，可以避免代價高昂的重新設計。質量檢查工具可查找潛在的製造問題，例如不受支持的懸垂。西門子提供的NX AM增材製造解決方案提供全流程的解決方案。
圖14.NX3D列印解決方案
4.4 模塊化和機電設計
我們在AEC這個領域看到的問題之一主要與脫節的機械和電氣設計系統有關。這些都會造成信息丟失和可追溯性有限等問題，並且很難看到更改的影響。這種趨勢也帶來了新的挑戰，包括高壓布線、傳感器、HVAC等。
NX 多專業CAD 支持在單個軟體環境中進行電氣、機械和管道的設計、分析和製造。使用 NX 開發和可視化所有可能的配置，包括運動動畫設計器、工廠布局設計等功能，用於可視化和優化施工流程。
西門子在 Capital布線系統設計軟體和 NX 之間提供雙向數據交換，包括空間預留和捆綁拓撲定義。實時"連接"模式可讓您通過無縫數據流和工作流進行實時協作。這意味著真正的機械和電氣互操作性，通過並行工作而不是串行工作來縮短開發周期，簡化合規性和認證，並通過及早發現和修復故障來降低項目風險。NX還具有完全集成的 3D 電線布線應用程式，可幫助設計人員在最複雜的裝配體中設計布線線束。
圖15.NX模塊化和機電設計
4.5 協作和雲
協作比以往任何時候都更加重要，可以儘可能避免後期設計變更。行動裝置是功能強大的工具，但到目前為止，它們尚未在作業現場得到正確利用。項目日益複雜，協作對建築商來說是一個重大問題。
通過從 NX內部訪問 Teamcenter 數據，可以花更少的時間搜索與正在執行的任務相關的信息，從而做出更好、更快的決策，並將設計任務劃分為可管理的子系統。通過突出顯示可視化報表中的問題，可以看到大局。Xcelerator Share可實現輕鬆的數據/文件管理。
Teamcenterfor Capital Asset Lifecycle Management 通過允許內部和外部利益相關者對從多個來源（如第三方CAD/CAE/BIM 系統）聚合到聯合數據的單一訪問點的項目數據進行數位化協作，從而管理資產生命周期。該解決方案可建立企業級項目意識，幫助學科和團隊了解當前項目狀態以及變更對每個參與者工作範圍的影響。從項目承包商和分包商到解決方案環境的設計和信息模型的協調提供了無與倫比的洞察力和監督，這有助於加強風險管理，減少項目延誤和成本超支。對項目、資產及其流程的企業級控制、可視化和模擬，使用戶不僅可以應用經過驗證的業務流程，還可以採用模擬驅動的方法來設計和施工，這將有助於提高項目質量、速度、生產力和效率。
一些趨勢推動了使用多CAD數據的需求，合作夥伴之間的外包和協作設計，無論設計軟體如何，都需要提高設計溝通的準確性和速度，以及多CAD數據質量的變化。NX 中允許無縫使用多 CAD 數據。使用同步建模技術修改來自任何來源的數據。支持 JT 的裝配體將多 CAD 數據與 NX 集成在一起，便於協作和數據共享。還可以在 NX 中擁有混合程序集。自動數據清理工具可使導入的數據更清晰、更可靠且更易於編輯。通過消除重新創建非本機數據的需要，可以節省大量時間，無需昂貴的數據轉換器或數據質量修復軟體，清理後的幾何圖形更可靠，更易於編輯。
NX-Mendix 連接器框架能夠開發自定義 NX-Mendix 低代碼 Web 和行動應用程式。這意味著工程師可以做出快速、智能、數據驅動的設計決策，而無需 CAD 或 PLM 專業知識。它支持輕鬆訪問多平臺元數據報告和分析，使協作比以往更容易。
NX 能夠利用西門子 Mindsphere 物聯網 （IoT） 平臺。這意味著工程師可以通過分析實際性能數據來改進和迭代設計。
圖16.NX協作和雲
5. NX面向AEC行業的應用案例
5.1歐博邁亞集團（Obermeyer Corporate Group）應用案例
歐博邁亞企業集團是一家獨立的工程諮詢公司，為幾乎所有建築規劃領域提供技術和綜合規劃，包括建築、交通基礎設施、能源和環境。詳細的應用案例介紹見圖17.
圖17.NX在歐博邁亞公司的應用案例
5.2 Max BoglGroup公司應用案例
Max Bögl是一家國際建築和專業服務提供商。核心競爭力包括建築和運輸基礎設施建設，橋梁建設，結構工程，鋼鐵和工廠建設以及混凝土構件預製。詳細的應用案例介紹見圖18.
圖18.NX在Max Bogl Group公司的應用案例
5.3 Cabycal公司應用案例
Cabycal是一家位於西班牙瓦倫西亞阿拉誇斯的工程公司，負責設計，開發和製造用於工業部門表面和零件的處理和塗裝設施。詳細的應用案例介紹見圖19.
圖19.NX在Cabycal公司的應用案例
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