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Autodesk宣布在俄罗斯暂时停运

局势最新的进展如何?

#局势最新进展#

    3月4日消息，全球最大的二维、三维设计和工程软件公司 —— 欧特克（Autodesk）宣布在俄罗斯暂停运营。好巧不巧，3月7日全球最大的GIS地理信息软件公司易智瑞（Esri）也宣布制裁俄罗斯，至此，全球排名第一的BIM公司，和GIS公司均发布制裁消息，俄罗斯CIM（BIM+GIS）危矣。

   

    Autodesk 表示，将立即暂停其在俄罗斯的活动，并完全遵守所有现行制裁。随着情况的发展，还将考虑对该地区业务进行额外限制。

   

设计行业之芯“CAD”，建筑设计行业之魂“BIM”

BIM的第一款软件模型于1980年代初才开始出现，但由于早期软件运行所需的硬件价格非常昂贵，限制了相关技术发展应用。1984年，ArchiCAD的Radar CH提供了可以在个人电脑上运行的BIM软件。

21世纪初，随着互联网和计算机快速发展，BIM逐渐引起市场普遍关注，BIM的标准体系开始建立，使得BIM技术日趋成熟。CAD到BIM过程的本质是数据化，可以理解为建筑行业生产从PDF到Excel（数据库），这也符合国家在建筑行业倡导的数字换转型。因此BIM已经不止局限与建筑设计行业，而是可以利用丰富的建筑数据，结合云计算、物联网、人工智能、5G、建筑机器人、虚拟现实等新技术与BIM技术，促进建筑业信息化市场进一步重构。

无论在工民建或水电行业，占据BIM软件平台市场大多数份额的主要有三家公司，分别是欧特克(Autodesk)、奔特力(Bentley)、达索系统(Dassault Systems)，它们均有各自的BIM系统平台及其数据交换接口，并提出了各自的解决方案。目前欧特克在建筑上应用最多，奔特力在水电行业应用最成熟，达索系统在建立3D模型方面也有独特之处。其中欧特克（Autodesk）的Revit软件在中国设计市场份额更是高达97%以上，其余3%被本特利（Bentley）和达索及其余国外厂家瓜分，可以说欧美国家垄断了中国BIM基础软件行业。

研发设计类工业软件是工业软件中的皇冠，是产品研制能力和效率提升的关键所在，也是当前我国工业软件的短板和瓶颈。从欧特克制裁俄罗斯这次事件不难看出，自主可控工业基础软件的重要性和必要性，已经不单单是一个软件本身的制约，而是一个产业源头、技术底层根本的釜底抽薪。本文拟从技术和产业两个方面谈谈中国BIM工业软件的发展。

一、技术层面

01

几何引擎和几何约束引擎（BIM软件的心脏）

从最简单的三维基本实体“长方体”说起

一个三维长方体，在笛卡尔坐标系中至少有以下种表达方式：

1. 给出长方体的两个顶点坐标即可确定长方体；

2. 给出长方体8个顶点坐标；

3. 给出初始点坐标以及长，宽，高；

4. 如果一条边由2个点确定，给出12条边即可确定；

5. 如果一个面由四个顶点确定，给出6个面即可确定；

6. 给出一个函数表达式，限定任意一点坐标在长方体限定范围内；

1,2表达是同一方法，可以理解为常规表达，3是参数表达，4和5是最广泛使用的边界表达Boundary Representation（简称B-Rep结构），6则是约束表达，通常在建模过程中使用；

在实际应用中，我们可能还会有如下需求：

1. 编辑修改长方体(修改长宽高，并执行undo和redo操作)

2. 离散面片化长方体用来显示和划分网格

3. 网格化长方体供仿真使用

4. 长方体与别的物体进行布尔（并，减，差）运算；

5. 移动，缩放，旋转长方体

6. 根据业务需求找到理想的长方体长宽高参数，需要多次自动调整参数

7. 复制，阵列，变换该长方体

8. 点/线/面/实体 到长方体的距离/夹角

9. 赋值属性(颜色，材料，边界条件，荷载等)到长方体，或者长方体的面/线/点上

10.需要对长方体进行切割加工；

11.将几何导出为中间格式，供第三方软件使用

12.计算长方体本身的属性（质量，体积，面积，重心）

稍微介绍一下B-Rep结构，主流的几何内核都使用B-Rep结构，主要原因是这种几何表达信息丰富，可以满足几乎所有对几何数据的要求，但缺点也显而易见，数据过多冗余，在大规模数据上，性能是一个很大的问题。B-Rep就像是工具中的瑞士军刀，什么都能做。

B-Rep 边界表示方法，把所有的三维实体都通过封闭的边界面表示，比如长方体可以用过六个面表达。

由此可见，几何内核的作用在于表达，处理几何对象，对外提供接口。以两个长方体的布尔运算为例，如果只知道顶点坐标信息，布尔运算无法进行，顶点也无法表达出计算结果。只有知道了边/面，位置等足够信息后才能进行，几何内核的实体表达可以提供这些信息。

此外，好的几何内核提供了约束建模，参数建模，驱动建模，事务等各种底层机制，方便上层BIM应用的开发。

几何约束引擎是公认的CAD/BIM参数化设计的关键核心技术，是BIM的关键基础组件，技术难度大，可靠性要求极高，目前被国外垄断。

20世纪90年代至2006年，英国剑桥大学Owen教授创办D-Cubed公司开发约束引擎，长期占据引擎70%市场。DCM市场并不大，截至2018年销售额不过3000万美元，但其在产业发展中属于“卡脖子”工程。为了在竞争中保持优势地位，西门子公司于2006年全资收购了D-Cubed，引发业内震动，许多著名CAD/BIM厂商如Autodesk公司为了不受制于人，纷纷宣布自行开发几何约束引擎，以确保技术安全。几何约束引擎的重要性由此可见一斑。

几何约束引擎，广泛应用在草图轮廓表达、零件建模参数表达、装配约束以及碰撞检查等场景中，为快速确定设计意图表达、检查干涉、模拟运动提供了强有力的支持，可帮助最终用户提高生产效率。在计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程（CAE）以及建筑、工程和施工（Architecture, Engineering & Construction，AEC）等应用领域，几何约束引擎都是最基础的核心组件。

当前，企业为应对定制化的需求，对基础组件的几何约束引擎的需求量越来越大，开发国产自主的几何约束引擎不仅可以为国产BIM提供性价比高的解决方案，更可精准地响应国内的需求，助力企业创新。

02

几何约束引擎技术的发展

自1960年初MIT的Sutherland提出CAD的概念后，随着计算机技术的飞速发展，作为替代手工绘图的计算机辅助绘图技术，CAD伴随着汽车、航天和航空行业的发展而迅速成长，广泛应用于机械、电子、轻纺产品、建筑、管道铺设等领域，并延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益。从人工智能的角度来看，设计问题本质上是一个约束满足问题（Constraint Satisfaction Problem，CSP），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得满足设计要求的设计对象的细节。在建筑行业中，BIM利用几何约束，通过参数化实现了建筑的快速设计、精准表达、参数分析，满足了原来CAD阶段对于建筑设计过程的精准把控问题和设计论证问题，并提升了设计效率和数据价值。

例如：迅维建模工具拥有国产自主几何约束引擎，实现了建筑构件的参数约束和几何表达（图一、图二）

图一 参数约束表达

图二 几何表达

CAD几何建模技术自20世纪60年代以来已发展近60年，取得了辉煌成就，被评为20世纪十大工程技术创新。经过几十年市场竞争演化，CAD技术与产品已形成垄断。自2000年以来，德国西门子公司和法国航空巨头达索公司开展了大规模并购，打造全生命周期工业软件体系，进一步巩固强化其技术和市场优势。在CAD技术产品发展过程中形成的关键“卡脖子”中间件也分别被西门子、达索收购，西门子掌控了几何引擎ParaSolid、几何约束引擎DCM，达索则收购了几何引擎ACIS和多领域约束融合技术公司Dymola，实现了几何建模与功能建模的融合，在多领域融合引擎技术上占得先机，并推出了CATIA V6 3DE。

03

CPS技术推动约束引擎从几何空间走向状态空间

（1）信息物理融合（CPS）对传统的工业软件技术及体系带来挑战

2000年以来，信息技术以爆炸的方式改变、推动人类文明的发展，人类已进入信息高度发展的后工业化社会。2006年前后，国际上以美国加州大学伯克利分校控制系著名教授Edward A. Lee为代表的学者提出建立“联合动力学”（Joint Dynamics），以解释信息高度发展的后工业化社会的动力学机理，并提出了信息物理融合系统（CPS）概念，认为CPS是未来智能的工业和社会的根本技术特征。为应对以CPS为特征的复杂产品系统的挑战，必须开展相关基础理论方法研究和技术创新。

（2）以多领域约束融合为基础创新的、基于模型的系统工程是技术发展趋势

多学科复杂产品研发技术创新一直是国际上的研究热点。1997年，鉴于IC领域硬件描述语言在支撑IC复杂系统产品开发方面取得的巨大成功，欧盟在“下一代多电飞机”研究项目中提出研究、设计工业领域普适的多领域物理统一建模语言Modelica，为欧洲工业的智能协同提供模型标准。2006年6月，国际产品全生命软件巨头法国达索公司认定“Modelica是未来工业知识的表达标准”。2006年，欧盟为推动Modelica技术体系研究和应用，启动了欧洲系统模型库项目EUROSYSLIB（见图三）。2011年，美国国防部先进研究项目局公布了“自适应运载器MAKE”计划，提出统一模型标准（包括Modelica），采用基于模型的系统工程方法，在一个技术体系下快速研发、部署海陆空天运载器，效率提高5倍，实现了“构造即正确”。2013年4月发布的德国工业4.0认为软件是工业的未来，未来的工业软件应基于模型的理论、方法和工具自动产生，建立全系统模型必须建立跨领域的模型标准，Modelica是工业领域重要的模型表达与互联标准。

图三欧洲基于模型规范的生态创新

总之，在数字化设计领域，约束引擎技术已从面向几何建模的静态几何约束求解（代数方程系统）迈向面向功能建模的广泛联合仿真学系统求解，实现多领域约束融合方向的发展。

04

技术水平差距及存在的问题

我国无论是高校研究机构还是一些国产BIM厂商，都曾经在BIM平台领域做过一些研究和探索，但主要是应用国外ACIS内核。国内清华大学、北京航空航天大学、浙江大学、华中科技大学等高校在20世纪80年代到90年代末开展了几何约束引擎研究，培养了一批技术人才，取得了一批成果，在当时处于起步阶段的国产软件中得到了应用。

从自主角度而言，要实现支持持续创新的机制需要有自主的技术，有查错能力和修改能力，因此如果局限于使用国际市场上所谓成熟的组件，则有受制于国外技术限制的风险，无法保障产品创新与技术引领。我国BIM技术研究起步于高校，力量分散、技术积累少、持续性不够，而且以研究为主，缺乏产业化的机制，工程化、产品化内在动力不足。

我国的基础研究在取得一定成绩的同时，也面临着比较大的风险，主要体现在以下几方面。

（1）缺少核心技术，产业生态发展没有根基

在国外BIM产品近乎垄断的环境下，国内BIM产业发展受限，导致为数不多的技术团队和技术成果难有应用迭代发展的机会，坚持者寥寥。

几何约束引擎作为关键中间件产品，技术难度大、人才要求高、研发周期长，直接市场相对小，以目前的情况国内BIM公司独立研制投入产出比不高，风险大。

因为没有中国自主知识产权的几何内核（几何引擎、几何约束引擎），所以中国的工业设计软件都是基于国外的几何内核，这样实质上不可能造出高质量的产品，我国必须在工业设计软件的几何内核领域造出自己的“太行”发动机。

（2）国产工业设计软件缺少行业标准和行业品牌

行业标准和行业品牌的缺少是阻碍我国制造业产业升级的主要原因之一。以三维CAD/CAM技术应用最成熟、依赖性也最强的国防军工产业为例，其所采用的标准和使用的软件如表1所示。

表1 国防军工行业设计标准

行业	标准	依托软件
航空航天	航空产品数字化设计与制造系列标准（DS）	法国达索CATIA
	航空行业标准（HB）	德国西门子NX
兵器工业	兵器产品三维建模基本规定	美国PTC Pro/E

注：本表内容引自《三维CAD应用技术规范》。

可以看到，即使在对标准自主可控性要求最高的国防军工行业，依然主要采用国外标准，应用的也是国外的品牌软件，这为我国国防信息化建设带来了严重的信息隐患。

在民用制造领域，企业用的、学校教的、市场上看到的也都是以国外品牌软件为主，鲜有我国自主品牌得到认可，这严重阻碍了我国工业设计软件产业的发展。

看到以上的数据和事实，就能充分认识到，发展完全自主知识产权的高端三维工业设计软件，实现工业设计与制造平台软件的技术突破和产业化成功，已经迫在眉睫。

（3）大型项目、大型企业缺少工业设计软件创新研发的技术支持

我国大型项目、大型企业以前主要以型号实现为目标，各类软件以采购现有国外商业软件为主，辅以各类软件的二次开发或集成开发，对于自主创新工业软件的支持有限。我国BIM产业多年的实践证明，从依赖国外内核或整套平台技术转变为能够完全自主开发之路非常困难，结果很可能是完全依赖国外上游内核技术，代价是沉重的。这些代价也反复证明，完全停留在中下游层次上的技术摸索学习无助于根本技术能力的成长，最后只能导致技术依赖， 而永远不可 能实现“再创新”。

二、产业层面

中国BIM的主要差距，不完全在技术本身，而在于将其从科学计算程序，转向软件工程。从分散在各行业内部的基础软件相关程序的水平看，差距还有一二十年；除了国外软件发展起步较早、造成实力强大无法抗衡外，还存在以下几方面内因：

 1、缺乏资金支持

公司多为个人筹资建立，资金有限，一般只能维持一到两年运行，因此必须依靠承接相关项目以获得经费支持；

 2、无力潜心研发

公司依靠承接项目维持运营直接导致开发人员疲于应付项目而无暇顾及产品持续研发；

 3、技术积累单薄

研发团队技术积累有限，多为研发人员在工作中或读学位期间自己编写的相关程序，功能单一并且不系统，可利用价值很低，基本上是零起点开发；

 4、缺乏成果转化

国内积累下来的较为系统的行业BIM程序集中在各类科研院所内部，BIM开发团队因为政策与资金两重原因而无法获得科研院所的BIM程序成果转化，更加降低了国内自主BIM开发的起点；

 5、程序员工资低

资金缺乏导致开发人员工资待遇较低，在互联网软件、游戏、移动APP开发人员高工资的冲击下，很难留住高水平开发人员从事BIM软件开发；

 6、人才流失海外

国外BIM软件公司中，有为数不少的大陆华人从事BIM软件开发工作，同时也有很多国外BIM软件公司在大陆成立研发中心，直接聘用国内BIM几何约束及前后处理器研发人员；

 7、尚未得到重视

买得到、有的用的事实迷惑了人们视线，没有什么比花钱拿来用更简单的事情了，从而导致忽视了其重要性。另外，BIM软件本质是科学计算，表象是软件，应用领域在工业，也导致上属主管主抓关系没有很好理顺，近乎三不管地带；

 8、应用生态缺失

国产商业BIM软件市场占有率极低，导致国产BIM软件极度缺乏市场应用评估反馈，成长过程中得不到市场的促进，也就是应用生态建立不起来，缺乏客户应用的反馈意见。

【国产软件的破局之道】

▌未来断供潮，只会更加严重！
美国断供传闻不断，断供传闻的坐实也不断，已经不仅仅是竞选议题，川宝宝提出“四年平华”战略，经过这几年的骚操作您可能不觉得惊讶，而拜登必须提出更激进的“三年平华”、“一年胜华”才能打压川宝宝，无论是谁上，都要祭出打断中国工业升级进程的大旗。
那么，如何填补我国自主可控BIM软件空白，在“智能制造”、“两化深度融合”、“工业互联网”“数字孪生城市”轰轰烈烈蓬勃发展的大潮中，寻找工业基建软件的发展之路？
▌国内BIM软件发展的可行途径
专家指出，商业化开发是软件生命力的重要保证，国外BIM软件的发展也证实了商业化开发是促进软件开发良性循环的最佳途径，可以突破行业壁垒，将共性技术广泛应用到众多行业，减少低水平重复与内耗，另外，商业化开发可以有效实现可持续开发，不因人员流动而影响软件的发展。
国外BIM软件的成长壮大基离不开政府的长期扶持。BIM软件具有极其重要的战略地位，因此受到国家层面的极大重视，如美国政府通过国家战略投资计划投资了众多科学计算基础设施，实施了大量产业培育举措，这是BIM产业最早在美国得到蓬勃发展的一个重要因素。在国家战略层面，美国也确实是把科学计算和建模仿真作为服务于国家利益的关键技术，从未停止过投资。
总结为一句话，在政府扶持、企业伴生下，矢志不移长期潜心研发，通过商业化运维，在市场哺育下发展是BIM软件成长壮大的成功之路。
▌为加快我国BIM软件快速发展，其它领域的发展经验值得借鉴，二十一世纪以来，我国在在高铁落后的情况下，实现快速发展并达到世界领先水平，为国产BIM的发展提供了很好的范式：
高铁的核心技术并不是我们的原始创新，但是根据我们地域广阔、东西、南北跨度巨大的现状，解决了东北与西北的高寒、南部的湿热、西北的高海拔以及沙漠戈壁风沙等严酷环境的适应问题，在很短的时间内使我国的高铁技术成为国际上最先进的高速铁路技术。对于BIM软件而言，找到中国在BIM软件生态的优势，如建筑行业迎来了数字孪生和CIM这个国际新兴的产业，在市场需求端走在了和国外厂商同步的舞台上，利用中国丰富的建筑数字孪生应用场景，在政府投资数字孪生和市场需求引导的生态环境中，反哺和迭代基础软件升级，培养生态，沉淀技术，吸纳资金，实现商业化运维，达到“高铁式”的创新。
▌中国“智慧”产业是以GIS、BIM、IOT、人工智能、区块链、大数据等为底座。以欧特克BIM软件为例，如果出现断供将影响整个智慧产业的底座！

“有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；苦心人，天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴”。国家政策方面已逐步开始重视工业软件的开发，许多“数值水池”、“数值风洞”等大型工业软件开发项目也纷纷启动，民间资金也在跃跃欲试，工业软件正在面临着一个大好的局面，打破工业软件“无可替代”的窘迫局面，或许可以重新期待。

部分文案摘录自《2018工业互联网APP优秀解决方案精选集》

-END-

「迅维」是一家城市数字孪生领域建模工具与数字孪生引擎提供商，成立于2016年，拥有国产自主可控的几何约束引擎实现的基础建模工具及数字孪生引擎技术的研发，可服务于城市仿真、交通调度优化、城市应急安全、城市电力管理等场景，为客户提供信息建模能力、数字孪生业务仿真能力及数据服务管理能力，帮助客户实现基于数字孪生数据的可感知、可分析、可预测、可仿真的工具能力。

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    3月4日消息，全球最大的二维、三维设计和工程软件公司 —— 欧特克（Autodesk）宣布在俄罗斯暂停运营。好巧不巧，3月7日全球最大的GIS地理信息软件公司易智瑞（Esri）也宣布制裁俄罗斯，至此，全球排名第一的BIM公司，和GIS公司均发布制裁消息，俄罗斯CIM（BIM+GIS）危矣。

   

    Autodesk 表示，将立即暂停其在俄罗斯的活动，并完全遵守所有现行制裁。随着情况的发展，还将考虑对该地区业务进行额外限制。

   

设计行业之芯“CAD”，建筑设计行业之魂“BIM”

BIM的第一款软件模型于1980年代初才开始出现，但由于早期软件运行所需的硬件价格非常昂贵，限制了相关技术发展应用。1984年，ArchiCAD的Radar CH提供了可以在个人电脑上运行的BIM软件。

21世纪初，随着互联网和计算机快速发展，BIM逐渐引起市场普遍关注，BIM的标准体系开始建立，使得BIM技术日趋成熟。CAD到BIM过程的本质是数据化，可以理解为建筑行业生产从PDF到Excel（数据库），这也符合国家在建筑行业倡导的数字换转型。因此BIM已经不止局限与建筑设计行业，而是可以利用丰富的建筑数据，结合云计算、物联网、人工智能、5G、建筑机器人、虚拟现实等新技术与BIM技术，促进建筑业信息化市场进一步重构。

无论在工民建或水电行业，占据BIM软件平台市场大多数份额的主要有三家公司，分别是欧特克(Autodesk)、奔特力(Bentley)、达索系统(Dassault Systems)，它们均有各自的BIM系统平台及其数据交换接口，并提出了各自的解决方案。目前欧特克在建筑上应用最多，奔特力在水电行业应用最成熟，达索系统在建立3D模型方面也有独特之处。其中欧特克（Autodesk）的Revit软件在中国设计市场份额更是高达97%以上，其余3%被本特利（Bentley）和达索及其余国外厂家瓜分，可以说欧美国家垄断了中国BIM基础软件行业。

研发设计类工业软件是工业软件中的皇冠，是产品研制能力和效率提升的关键所在，也是当前我国工业软件的短板和瓶颈。从欧特克制裁俄罗斯这次事件不难看出，自主可控工业基础软件的重要性和必要性，已经不单单是一个软件本身的制约，而是一个产业源头、技术底层根本的釜底抽薪。本文拟从技术和产业两个方面谈谈中国BIM工业软件的发展。

一、技术层面

01

几何引擎和几何约束引擎（BIM软件的心脏）

从最简单的三维基本实体“长方体”说起

一个三维长方体，在笛卡尔坐标系中至少有以下种表达方式：

1. 给出长方体的两个顶点坐标即可确定长方体；

2. 给出长方体8个顶点坐标；

3. 给出初始点坐标以及长，宽，高；

4. 如果一条边由2个点确定，给出12条边即可确定；

5. 如果一个面由四个顶点确定，给出6个面即可确定；

6. 给出一个函数表达式，限定任意一点坐标在长方体限定范围内；

1,2表达是同一方法，可以理解为常规表达，3是参数表达，4和5是最广泛使用的边界表达Boundary Representation（简称B-Rep结构），6则是约束表达，通常在建模过程中使用；

在实际应用中，我们可能还会有如下需求：

1. 编辑修改长方体(修改长宽高，并执行undo和redo操作)

2. 离散面片化长方体用来显示和划分网格

3. 网格化长方体供仿真使用

4. 长方体与别的物体进行布尔（并，减，差）运算；

5. 移动，缩放，旋转长方体

6. 根据业务需求找到理想的长方体长宽高参数，需要多次自动调整参数

7. 复制，阵列，变换该长方体

8. 点/线/面/实体 到长方体的距离/夹角

9. 赋值属性(颜色，材料，边界条件，荷载等)到长方体，或者长方体的面/线/点上

10.需要对长方体进行切割加工；

11.将几何导出为中间格式，供第三方软件使用

12.计算长方体本身的属性（质量，体积，面积，重心）

稍微介绍一下B-Rep结构，主流的几何内核都使用B-Rep结构，主要原因是这种几何表达信息丰富，可以满足几乎所有对几何数据的要求，但缺点也显而易见，数据过多冗余，在大规模数据上，性能是一个很大的问题。B-Rep就像是工具中的瑞士军刀，什么都能做。

B-Rep 边界表示方法，把所有的三维实体都通过封闭的边界面表示，比如长方体可以用过六个面表达。

由此可见，几何内核的作用在于表达，处理几何对象，对外提供接口。以两个长方体的布尔运算为例，如果只知道顶点坐标信息，布尔运算无法进行，顶点也无法表达出计算结果。只有知道了边/面，位置等足够信息后才能进行，几何内核的实体表达可以提供这些信息。

此外，好的几何内核提供了约束建模，参数建模，驱动建模，事务等各种底层机制，方便上层BIM应用的开发。

几何约束引擎是公认的CAD/BIM参数化设计的关键核心技术，是BIM的关键基础组件，技术难度大，可靠性要求极高，目前被国外垄断。

20世纪90年代至2006年，英国剑桥大学Owen教授创办D-Cubed公司开发约束引擎，长期占据引擎70%市场。DCM市场并不大，截至2018年销售额不过3000万美元，但其在产业发展中属于“卡脖子”工程。为了在竞争中保持优势地位，西门子公司于2006年全资收购了D-Cubed，引发业内震动，许多著名CAD/BIM厂商如Autodesk公司为了不受制于人，纷纷宣布自行开发几何约束引擎，以确保技术安全。几何约束引擎的重要性由此可见一斑。

几何约束引擎，广泛应用在草图轮廓表达、零件建模参数表达、装配约束以及碰撞检查等场景中，为快速确定设计意图表达、检查干涉、模拟运动提供了强有力的支持，可帮助最终用户提高生产效率。在计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程（CAE）以及建筑、工程和施工（Architecture, Engineering & Construction，AEC）等应用领域，几何约束引擎都是最基础的核心组件。

当前，企业为应对定制化的需求，对基础组件的几何约束引擎的需求量越来越大，开发国产自主的几何约束引擎不仅可以为国产BIM提供性价比高的解决方案，更可精准地响应国内的需求，助力企业创新。

02

几何约束引擎技术的发展

自1960年初MIT的Sutherland提出CAD的概念后，随着计算机技术的飞速发展，作为替代手工绘图的计算机辅助绘图技术，CAD伴随着汽车、航天和航空行业的发展而迅速成长，广泛应用于机械、电子、轻纺产品、建筑、管道铺设等领域，并延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益。从人工智能的角度来看，设计问题本质上是一个约束满足问题（Constraint Satisfaction Problem，CSP），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得满足设计要求的设计对象的细节。在建筑行业中，BIM利用几何约束，通过参数化实现了建筑的快速设计、精准表达、参数分析，满足了原来CAD阶段对于建筑设计过程的精准把控问题和设计论证问题，并提升了设计效率和数据价值。

例如：迅维建模工具拥有国产自主几何约束引擎，实现了建筑构件的参数约束和几何表达（图一、图二）

图一 参数约束表达

图二 几何表达

CAD几何建模技术自20世纪60年代以来已发展近60年，取得了辉煌成就，被评为20世纪十大工程技术创新。经过几十年市场竞争演化，CAD技术与产品已形成垄断。自2000年以来，德国西门子公司和法国航空巨头达索公司开展了大规模并购，打造全生命周期工业软件体系，进一步巩固强化其技术和市场优势。在CAD技术产品发展过程中形成的关键“卡脖子”中间件也分别被西门子、达索收购，西门子掌控了几何引擎ParaSolid、几何约束引擎DCM，达索则收购了几何引擎ACIS和多领域约束融合技术公司Dymola，实现了几何建模与功能建模的融合，在多领域融合引擎技术上占得先机，并推出了CATIA V6 3DE。

03

CPS技术推动约束引擎从几何空间走向状态空间

（1）信息物理融合（CPS）对传统的工业软件技术及体系带来挑战

2000年以来，信息技术以爆炸的方式改变、推动人类文明的发展，人类已进入信息高度发展的后工业化社会。2006年前后，国际上以美国加州大学伯克利分校控制系著名教授Edward A. Lee为代表的学者提出建立“联合动力学”（Joint Dynamics），以解释信息高度发展的后工业化社会的动力学机理，并提出了信息物理融合系统（CPS）概念，认为CPS是未来智能的工业和社会的根本技术特征。为应对以CPS为特征的复杂产品系统的挑战，必须开展相关基础理论方法研究和技术创新。

（2）以多领域约束融合为基础创新的、基于模型的系统工程是技术发展趋势

多学科复杂产品研发技术创新一直是国际上的研究热点。1997年，鉴于IC领域硬件描述语言在支撑IC复杂系统产品开发方面取得的巨大成功，欧盟在“下一代多电飞机”研究项目中提出研究、设计工业领域普适的多领域物理统一建模语言Modelica，为欧洲工业的智能协同提供模型标准。2006年6月，国际产品全生命软件巨头法国达索公司认定“Modelica是未来工业知识的表达标准”。2006年，欧盟为推动Modelica技术体系研究和应用，启动了欧洲系统模型库项目EUROSYSLIB（见图三）。2011年，美国国防部先进研究项目局公布了“自适应运载器MAKE”计划，提出统一模型标准（包括Modelica），采用基于模型的系统工程方法，在一个技术体系下快速研发、部署海陆空天运载器，效率提高5倍，实现了“构造即正确”。2013年4月发布的德国工业4.0认为软件是工业的未来，未来的工业软件应基于模型的理论、方法和工具自动产生，建立全系统模型必须建立跨领域的模型标准，Modelica是工业领域重要的模型表达与互联标准。

图三欧洲基于模型规范的生态创新

总之，在数字化设计领域，约束引擎技术已从面向几何建模的静态几何约束求解（代数方程系统）迈向面向功能建模的广泛联合仿真学系统求解，实现多领域约束融合方向的发展。

04

技术水平差距及存在的问题

我国无论是高校研究机构还是一些国产BIM厂商，都曾经在BIM平台领域做过一些研究和探索，但主要是应用国外ACIS内核。国内清华大学、北京航空航天大学、浙江大学、华中科技大学等高校在20世纪80年代到90年代末开展了几何约束引擎研究，培养了一批技术人才，取得了一批成果，在当时处于起步阶段的国产软件中得到了应用。

从自主角度而言，要实现支持持续创新的机制需要有自主的技术，有查错能力和修改能力，因此如果局限于使用国际市场上所谓成熟的组件，则有受制于国外技术限制的风险，无法保障产品创新与技术引领。我国BIM技术研究起步于高校，力量分散、技术积累少、持续性不够，而且以研究为主，缺乏产业化的机制，工程化、产品化内在动力不足。

我国的基础研究在取得一定成绩的同时，也面临着比较大的风险，主要体现在以下几方面。

（1）缺少核心技术，产业生态发展没有根基

在国外BIM产品近乎垄断的环境下，国内BIM产业发展受限，导致为数不多的技术团队和技术成果难有应用迭代发展的机会，坚持者寥寥。

几何约束引擎作为关键中间件产品，技术难度大、人才要求高、研发周期长，直接市场相对小，以目前的情况国内BIM公司独立研制投入产出比不高，风险大。

因为没有中国自主知识产权的几何内核（几何引擎、几何约束引擎），所以中国的工业设计软件都是基于国外的几何内核，这样实质上不可能造出高质量的产品，我国必须在工业设计软件的几何内核领域造出自己的“太行”发动机。

（2）国产工业设计软件缺少行业标准和行业品牌

行业标准和行业品牌的缺少是阻碍我国制造业产业升级的主要原因之一。以三维CAD/CAM技术应用最成熟、依赖性也最强的国防军工产业为例，其所采用的标准和使用的软件如表1所示。

表1 国防军工行业设计标准

行业	标准	依托软件
航空航天	航空产品数字化设计与制造系列标准（DS）	法国达索CATIA
	航空行业标准（HB）	德国西门子NX
兵器工业	兵器产品三维建模基本规定	美国PTC Pro/E

注：本表内容引自《三维CAD应用技术规范》。

可以看到，即使在对标准自主可控性要求最高的国防军工行业，依然主要采用国外标准，应用的也是国外的品牌软件，这为我国国防信息化建设带来了严重的信息隐患。

在民用制造领域，企业用的、学校教的、市场上看到的也都是以国外品牌软件为主，鲜有我国自主品牌得到认可，这严重阻碍了我国工业设计软件产业的发展。

看到以上的数据和事实，就能充分认识到，发展完全自主知识产权的高端三维工业设计软件，实现工业设计与制造平台软件的技术突破和产业化成功，已经迫在眉睫。

（3）大型项目、大型企业缺少工业设计软件创新研发的技术支持

我国大型项目、大型企业以前主要以型号实现为目标，各类软件以采购现有国外商业软件为主，辅以各类软件的二次开发或集成开发，对于自主创新工业软件的支持有限。我国BIM产业多年的实践证明，从依赖国外内核或整套平台技术转变为能够完全自主开发之路非常困难，结果很可能是完全依赖国外上游内核技术，代价是沉重的。这些代价也反复证明，完全停留在中下游层次上的技术摸索学习无助于根本技术能力的成长，最后只能导致技术依赖， 而永远不可 能实现“再创新”。

二、产业层面

中国BIM的主要差距，不完全在技术本身，而在于将其从科学计算程序，转向软件工程。从分散在各行业内部的基础软件相关程序的水平看，差距还有一二十年；除了国外软件发展起步较早、造成实力强大无法抗衡外，还存在以下几方面内因：

 1、缺乏资金支持

公司多为个人筹资建立，资金有限，一般只能维持一到两年运行，因此必须依靠承接相关项目以获得经费支持；

 2、无力潜心研发

公司依靠承接项目维持运营直接导致开发人员疲于应付项目而无暇顾及产品持续研发；

 3、技术积累单薄

研发团队技术积累有限，多为研发人员在工作中或读学位期间自己编写的相关程序，功能单一并且不系统，可利用价值很低，基本上是零起点开发；

 4、缺乏成果转化

国内积累下来的较为系统的行业BIM程序集中在各类科研院所内部，BIM开发团队因为政策与资金两重原因而无法获得科研院所的BIM程序成果转化，更加降低了国内自主BIM开发的起点；

 5、程序员工资低

资金缺乏导致开发人员工资待遇较低，在互联网软件、游戏、移动APP开发人员高工资的冲击下，很难留住高水平开发人员从事BIM软件开发；

 6、人才流失海外

国外BIM软件公司中，有为数不少的大陆华人从事BIM软件开发工作，同时也有很多国外BIM软件公司在大陆成立研发中心，直接聘用国内BIM几何约束及前后处理器研发人员；

 7、尚未得到重视

买得到、有的用的事实迷惑了人们视线，没有什么比花钱拿来用更简单的事情了，从而导致忽视了其重要性。另外，BIM软件本质是科学计算，表象是软件，应用领域在工业，也导致上属主管主抓关系没有很好理顺，近乎三不管地带；

 8、应用生态缺失

国产商业BIM软件市场占有率极低，导致国产BIM软件极度缺乏市场应用评估反馈，成长过程中得不到市场的促进，也就是应用生态建立不起来，缺乏客户应用的反馈意见。

【国产软件的破局之道】

▌未来断供潮，只会更加严重！
美国断供传闻不断，断供传闻的坐实也不断，已经不仅仅是竞选议题，川宝宝提出“四年平华”战略，经过这几年的骚操作您可能不觉得惊讶，而拜登必须提出更激进的“三年平华”、“一年胜华”才能打压川宝宝，无论是谁上，都要祭出打断中国工业升级进程的大旗。
那么，如何填补我国自主可控BIM软件空白，在“智能制造”、“两化深度融合”、“工业互联网”“数字孪生城市”轰轰烈烈蓬勃发展的大潮中，寻找工业基建软件的发展之路？
▌国内BIM软件发展的可行途径
专家指出，商业化开发是软件生命力的重要保证，国外BIM软件的发展也证实了商业化开发是促进软件开发良性循环的最佳途径，可以突破行业壁垒，将共性技术广泛应用到众多行业，减少低水平重复与内耗，另外，商业化开发可以有效实现可持续开发，不因人员流动而影响软件的发展。
国外BIM软件的成长壮大基离不开政府的长期扶持。BIM软件具有极其重要的战略地位，因此受到国家层面的极大重视，如美国政府通过国家战略投资计划投资了众多科学计算基础设施，实施了大量产业培育举措，这是BIM产业最早在美国得到蓬勃发展的一个重要因素。在国家战略层面，美国也确实是把科学计算和建模仿真作为服务于国家利益的关键技术，从未停止过投资。
总结为一句话，在政府扶持、企业伴生下，矢志不移长期潜心研发，通过商业化运维，在市场哺育下发展是BIM软件成长壮大的成功之路。
▌为加快我国BIM软件快速发展，其它领域的发展经验值得借鉴，二十一世纪以来，我国在在高铁落后的情况下，实现快速发展并达到世界领先水平，为国产BIM的发展提供了很好的范式：
高铁的核心技术并不是我们的原始创新，但是根据我们地域广阔、东西、南北跨度巨大的现状，解决了东北与西北的高寒、南部的湿热、西北的高海拔以及沙漠戈壁风沙等严酷环境的适应问题，在很短的时间内使我国的高铁技术成为国际上最先进的高速铁路技术。对于BIM软件而言，找到中国在BIM软件生态的优势，如建筑行业迎来了数字孪生和CIM这个国际新兴的产业，在市场需求端走在了和国外厂商同步的舞台上，利用中国丰富的建筑数字孪生应用场景，在政府投资数字孪生和市场需求引导的生态环境中，反哺和迭代基础软件升级，培养生态，沉淀技术，吸纳资金，实现商业化运维，达到“高铁式”的创新。
▌中国“智慧”产业是以GIS、BIM、IOT、人工智能、区块链、大数据等为底座。以欧特克BIM软件为例，如果出现断供将影响整个智慧产业的底座！

“有志者，事竟成，破釜沉舟，百二秦关终属楚；苦心人，天不负，卧薪尝胆，三千越甲可吞吴”。国家政策方面已逐步开始重视工业软件的开发，许多“数值水池”、“数值风洞”等大型工业软件开发项目也纷纷启动，民间资金也在跃跃欲试，工业软件正在面临着一个大好的局面，打破工业软件“无可替代”的窘迫局面，或许可以重新期待。

部分文案摘录自《2018工业互联网APP优秀解决方案精选集》

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「迅维」是一家城市数字孪生领域建模工具与数字孪生引擎提供商，成立于2016年，拥有国产自主可控的几何约束引擎实现的基础建模工具及数字孪生引擎技术的研发，可服务于城市仿真、交通调度优化、城市应急安全、城市电力管理等场景，为客户提供信息建模能力、数字孪生业务仿真能力及数据服务管理能力，帮助客户实现基于数字孪生数据的可感知、可分析、可预测、可仿真的工具能力。

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