陶建利，余 靖（（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南　長(zhǎng)沙　41008；2.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南　長(zhǎng)沙　41008；.廣州君和信息技術(shù)有限公司，廣東　廣州　51000）

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基于三維設(shè)計(jì)的工藝布置

陶建利1，2，余 靖3
（（1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙410083；2.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；3.廣州君和信息技術(shù)有限公司，廣東廣州510030）

摘要：闡述目前冶金行業(yè)主流的幾款三維設(shè)計(jì)軟件，重點(diǎn)介紹了Bentley公司的OpenPlant三維工廠軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括項(xiàng)目組織、廠房建模、設(shè)備建模、非標(biāo)件建模、碰撞檢測(cè)等，簡(jiǎn)述建模完成后的成品輸出。

關(guān)鍵詞：三維設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)軟件；工藝布置；OpenPlant；冶金礦山

0　引 言

工程制圖，是實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的一個(gè)手段，主要用于將設(shè)計(jì)者的意圖通過(guò)可視的、標(biāo)準(zhǔn)化的、準(zhǔn)確的圖紙等形式傳給施工服務(wù)人員，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能?，F(xiàn)有工程設(shè)計(jì)，需經(jīng)歷“三維—二維—三維”這3個(gè)階段。藍(lán)圖的輸出從信息傳遞的角度講，是一個(gè)信息傳遞媒介。但是，信息在傳遞的過(guò)程中，由于傳遞方式不同，媒介不同，會(huì)出現(xiàn)不同程度的信息失真。該文基于三維設(shè)計(jì)來(lái)指導(dǎo)施工建設(shè)，減少設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的“二維”轉(zhuǎn)換階段，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)以及大型工程軟件的發(fā)展，使得采用計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)變得越來(lái)越便捷和高效。同時(shí)，由于三維較二維在可視化和交互性方面的優(yōu)勢(shì)，也使得業(yè)主越來(lái)越認(rèn)同，特別是在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)將三維設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)基本要求，工程設(shè)計(jì)文件需提供完整的三維選礦廠模型。因此，三維設(shè)計(jì)也將是國(guó)內(nèi)工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

1　常規(guī)設(shè)計(jì)

工程制圖經(jīng)歷過(guò)采用工程制圖板、三角板、T字尺的手工繪圖，然后進(jìn)入采用CAD、天正等計(jì)算機(jī)軟件輔助制圖，這2種方式，基本為二維制圖。

冶金礦山工程設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者首先在大腦中構(gòu)建方案的初步三維圖像，然后將構(gòu)件的方案用二維的方法繪制出來(lái)，再通過(guò)三維視圖來(lái)檢查各尺寸之間的相互關(guān)系，最終輸出藍(lán)圖。工程施工時(shí)，工程技術(shù)人員根據(jù)藍(lán)圖在大腦中構(gòu)建三維模型，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，過(guò)程與設(shè)計(jì)相反。從轉(zhuǎn)換的角度來(lái)說(shuō)，工程設(shè)計(jì)信息的傳遞為“三維—二維—三維”，由于存在這樣的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖在轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能會(huì)失真，同時(shí)，二維形式的文件不能夠較直觀的檢查各組件之間的空間關(guān)系，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

此外，從現(xiàn)在流行的“數(shù)字化”角度講，常規(guī)的二維設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)是相對(duì)獨(dú)立的，沒(méi)有進(jìn)行統(tǒng)一管理，沒(méi)有參數(shù)化的概念，缺少交互形式，不能貫穿設(shè)計(jì)的整個(gè)壽命周期。

2　三維設(shè)計(jì)

與二維設(shè)計(jì)相比，三維設(shè)計(jì)有許多其無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，它形象逼真，能夠?qū)崿F(xiàn)三維動(dòng)態(tài)模擬，同時(shí)，能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的查看各部件之間的空間關(guān)系，進(jìn)行安全碰撞檢查，提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。目前主要使用的三維設(shè)計(jì)軟件有：AutoCAD、3DMAX，Solid-Works、Pro／Engineer、UG、PSDS、PDS、PDMS和 Microstation、OpenPant。總體而言，這些三維設(shè)計(jì)軟件的主要功能包括：①輸入數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)化；②模型數(shù)據(jù)的參數(shù)化；③模型的可視編輯化；④模型軟、硬碰撞檢查；⑤二維工程圖紙的成和處理；⑥材料報(bào)表自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)。

3　幾款常用三維軟件簡(jiǎn)介

工程中使用的工廠類(lèi)的三維軟件較多，我們僅選取PDS、PDMS和OpenPlant，簡(jiǎn)述其在不同領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

3.1PDS

PDS是Plant Design System的縮寫(xiě)，它是由美國(guó)INTERGRAPH公司研制開(kāi)發(fā)的大型工廠設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，是一個(gè)全面的智能的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)（CAD／CAE）應(yīng)用軟件，可以運(yùn)行在最通用的Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)之上，支持通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)如：Microsoft SQL Server、Orale及Informixd等。

PDS共17個(gè)模塊，分別為：

（1）Schematic Environment：用于高階段設(shè)計(jì)繪制P＆ID圖和儀表數(shù)據(jù)管理；

（2）Equipment Modeling：用于三維設(shè)備模型設(shè)計(jì)，主要建造設(shè)備外形和管口信息；

（3）Frameworks Environment：用于三維結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)；

（4）Piping Designer：用于三維配管設(shè)計(jì)；

（5）Electric Raceway Environment：用于三維電纜托盤(pán)的設(shè)計(jì)；

（6）Piping Design Data Manager：用于三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)檢查及二維與三維間的數(shù)據(jù)校驗(yàn)；

（7）Pipe Stress Analysis：管道應(yīng)力分析接口；

（8）Piping Model Builder：設(shè)計(jì)者可按照一定語(yǔ)法規(guī)則編寫(xiě)文本文件，PDS能將其自動(dòng)轉(zhuǎn)換成三維實(shí)體模型；

（9）Pipe Support Designer：用于管道支吊架設(shè)計(jì)；

（10）Interference Manager：用于三維工廠碰撞檢查；

（11）Isometric Drawing Manager：用于提取單管軸測(cè)圖；

（12）Drawing Manager：用于生成平、剖面配置圖；

（13）Design Review Integrator：智能工廠瀏覽器（SmartPlant Review）接口；（14）Report Manager：用于提取各種材料報(bào)告；（15）Project Administrator：項(xiàng)目控制和管理；（16）Reference Data Manager：參考數(shù)據(jù)庫(kù)管理；

（17）PE－HVAC：用于三維暖通管道設(shè)計(jì)。

PDS幫助用戶在以下幾方面節(jié)省更多的資源：①自動(dòng)化工程提高效率；②三維建模過(guò)程幫助設(shè)計(jì)人員更好地設(shè)計(jì)；③支持動(dòng)態(tài)瀏覽，在工廠未施工之前操作維護(hù)人員可進(jìn)行交互式地觀看；④碰撞檢查減少現(xiàn)場(chǎng)返工；⑤精確的材料報(bào)告減少費(fèi)用；⑥以設(shè)計(jì)規(guī)范為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及檢查提高設(shè)計(jì)的精確度。

3.2PDMS

PDMS全稱Plant Design Management system，即工廠三維布置設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)，是英國(guó)AVEVA公司（原 CADCentre公司）開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。它的前身是管道設(shè)計(jì)軟件，后來(lái)發(fā)展成為大型、復(fù)雜工廠設(shè)計(jì)項(xiàng)目的首選設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。PDMS包含許多程序模塊，以完成不同的功能：

（1）DESIGN 三維模型設(shè)計(jì)模塊，其下又包括以下幾個(gè)部分：①Equipment設(shè)備建模；②Pipework管道建模；③Structure結(jié)構(gòu)建模；④Cable trays電纜橋架建模；⑤HVAC暖通；⑥Hanger＆Support支吊架建模。

（2）DRAFT 平豎面生產(chǎn)模塊。

（3）ADMINISTRATION 項(xiàng)目用戶及數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊。

（4）ISODRAFT 單管圖生產(chǎn)模塊。

（5）PARAGON 構(gòu)造元件庫(kù)。

PDMS的主要優(yōu)點(diǎn)：①三維實(shí)體建模；②專業(yè)多用戶的工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)；③一個(gè)設(shè)計(jì)模型（數(shù)據(jù)庫(kù)）可以輸出多種設(shè)計(jì)圖紙、報(bào)告；④等級(jí)驅(qū)動(dòng)；⑤交互設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)三維碰撞檢查；⑥平面圖自動(dòng)生成并標(biāo)注，當(dāng)模型修改后，標(biāo)注自動(dòng)更新；⑦能強(qiáng)大的可編程宏語(yǔ)言—PM。

3.3OpenPlant

OpenPlant是運(yùn)用于二維和三維工廠設(shè)計(jì)的軟件套裝，它是以MicroStation為基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)，集成了作為固有數(shù)據(jù)模型的ISO SO 15926標(biāo)準(zhǔn)，使二維及三維工廠設(shè)計(jì)工程實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)互用。

OpenPlant套件中包含的產(chǎn)品：①Bentley OpenPlantPowerPID V8i是唯一一款全面的工廠與儀表圖（P＆ID）軟件；②Bentley OpenPlant Modeler V8i是三維CAD工廠建模軟件；③Bentley Open-Plant ModelServer V8i可進(jìn)行組件管理，用于實(shí)現(xiàn)分布式團(tuán)隊(duì)協(xié)作；④Bentley OpenPlant Isometrics Manager V8i能夠以中間格式提取等角圖信息，以便在設(shè)計(jì)系統(tǒng)外部輕松維護(hù)、修改和跟蹤這一信息；⑤ProjectWise PDx Dynamic Review Service借助ProjectWise中管理的開(kāi)放式ISO15926格式，保護(hù)PDS項(xiàng)目數(shù)據(jù)并使其沿用到21世紀(jì)；通過(guò)自動(dòng)化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)以低成本桌面訪問(wèn)進(jìn)行審核并節(jié)約管理時(shí)間。

在冶金礦山行業(yè)，工藝專業(yè)主要使用的軟件為OpenPlant Modeler V8i，它是一種等級(jí)驅(qū)動(dòng)的建模系統(tǒng)，與工廠設(shè)計(jì)師的工作方式相符。它使用許多用戶所熟悉的、高度直觀的MicroStation V8i用戶界面，可輕松快速創(chuàng)建包括管道、HVAC和電氣組件在內(nèi)的三維模型。在MicroStation功能（例如：精確繪圖和精確捕捉）的幫助下，只需單擊幾下鼠標(biāo)即可放置元件。由于這些功能，使得工藝專業(yè)在工程項(xiàng)目中能夠較快地掌握和運(yùn)用該軟件，完成三維工藝設(shè)計(jì)。

軟件的啟動(dòng)界面和操作界面見(jiàn)圖1，圖2。

圖1 軟件啟動(dòng)圖標(biāo)與名稱Fig.1 Software startup icon and name

圖2 軟件操作界面Fig.2 Software operation interface

從圖2可知，軟件常規(guī)可顯示8個(gè)視圖，通常顯示4個(gè)視圖，分別為頂視圖、軸測(cè)視圖、前視圖、右視圖。這包含了常規(guī)工程制圖時(shí)所需的3種視圖：主視圖、俯視圖、左視圖。軟件包含的這幾個(gè)視圖是在同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)并相互關(guān)聯(lián)。因此，我們?cè)诟淖兤渲腥魏我粋€(gè)視圖數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的會(huì)改變和生成其他視圖數(shù)據(jù)，大大提高了制圖效率。

4　三維制圖基本設(shè)計(jì)流程

在國(guó)外三維制圖目前較流行的設(shè)計(jì)流程是專業(yè)化流水線式工作流程模式，每個(gè)人只是負(fù)責(zé)流水作業(yè)工序中的一個(gè)環(huán)節(jié)，專職做模型出圖。三維設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)流程劃分設(shè)計(jì)人員角色，一般情況下大體流程可分為：①系統(tǒng)設(shè)計(jì)；②布置設(shè)計(jì)；③分析計(jì)算；④詳細(xì)設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，也叫做項(xiàng)目策劃，需要項(xiàng)目策劃者將項(xiàng)目拆解成一個(gè)個(gè)具體的需完成的文檔，并對(duì)文檔編號(hào)，制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和參照，以及對(duì)應(yīng)的權(quán)限。這能夠很好地規(guī)范和整理團(tuán)隊(duì)成員完成的工作，并保證每個(gè)成員所獲得的標(biāo)準(zhǔn)和參照以及圖紙都是實(shí)時(shí)最新的。

布置設(shè)計(jì)時(shí)，各專業(yè)級(jí)成員需指定大致可執(zhí)行的基本方案，并將各方案進(jìn)行統(tǒng)一部署和協(xié)調(diào)。如同常規(guī)上的方案設(shè)計(jì)。

分析計(jì)算，正如其名，主要是對(duì)方案的分析和計(jì)算，核實(shí)是否滿足規(guī)程規(guī)范，經(jīng)濟(jì)上是否可行，工程上是否可實(shí)現(xiàn)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要是對(duì)確定后的方案進(jìn)行工藝布置和設(shè)備部件等圖紙的詳細(xì)設(shè)計(jì)，輸出可實(shí)施的工程圖紙，為施工服務(wù)。

5　具體工程設(shè)計(jì)

冶金礦山工藝布置，主要是通過(guò)以下幾個(gè)基本步驟來(lái)實(shí)施。

5.1廠房建模

這個(gè)主要用到OpenPlant中的結(jié)構(gòu)和建筑模塊，完成柱、梁、樓板和工程涉及到的各種鋼結(jié)構(gòu)的模型搭建。工藝專業(yè)主要與土建專業(yè)商量好軸網(wǎng)，并參數(shù)化。定好軸網(wǎng)后，工藝專業(yè)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)都以此軸網(wǎng)為參照，保證模型的統(tǒng)一。詳細(xì)的廠房設(shè)計(jì)由土建專業(yè)完成，工藝專業(yè)通過(guò)參考命令把土建廠房參考進(jìn)來(lái)，作為工藝布置定位的基礎(chǔ)。

由于OpenPlant側(cè)重于工藝專業(yè)，僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單的土建模型搭建，并不能實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件的力學(xué)模型設(shè)計(jì)，如需實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的土建廠房模型，需配套用到專業(yè)的AECOsim Building Designer和Prosteel，它同屬于Bentley旗下軟件，前者主要于廠房建模，含暖通、給排水、電氣等專業(yè)以及軸網(wǎng)設(shè)計(jì)，建筑全信息建模；后者主要用于鋼結(jié)構(gòu)的柱、梁、樓板的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

5.2設(shè)備建模

這是Openplant Modeler的主要功能之一。軟件為設(shè)計(jì)者提供了專門(mén)用于設(shè)備建模功能，并提供了部分常見(jiàn)設(shè)備，如泵、罐、槽、熱交換器、料倉(cāng)等的參數(shù)化模型，見(jiàn)圖3。通過(guò)這些內(nèi)置的設(shè)備，設(shè)計(jì)者很方便的定義設(shè)備參數(shù)，輸入設(shè)備尺寸，插入設(shè)備。同時(shí)軟件也提供了自定義設(shè)備的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)者可利用三維工具繪制設(shè)備，然后將其定義為設(shè)備并賦予屬性。

但是較可惜的是，軟件對(duì)冶金礦山行業(yè)所需用到的大部分設(shè)備模型，包括：破碎機(jī)、振動(dòng)篩、球磨機(jī)、旋流器、浮選機(jī)、濃縮機(jī)、壓濾機(jī)以及皮帶、起重機(jī)等設(shè)備并沒(méi)提供參數(shù)化的模型，需要設(shè)計(jì)者完成設(shè)備建模，見(jiàn)圖4。由于礦山行業(yè)所用到的設(shè)備種類(lèi)繁多，規(guī)格不一，因此設(shè)備模型庫(kù)的建立是一個(gè)極其耗時(shí)的過(guò)程，需要長(zhǎng)時(shí)間的積累。不過(guò)，軟件支持參數(shù)化轉(zhuǎn)換其它軟件建立的三維模型，大大降低了初始設(shè)備建模階段的工作量。

圖3 軟件提供的設(shè)備建模模塊Fig.3 Device modeling module provided by the software

圖4 圓錐破碎機(jī)模型Fig.4 Cone Crusher model

5.3連接件建模

通過(guò)軸網(wǎng)的定位將各設(shè)備布置在對(duì)應(yīng)的位置，并完成設(shè)備管口方位布置后便可進(jìn)行連接件的建模。連接件的建模包括2塊：①是非標(biāo)件：②是工藝管線。

非標(biāo)件為除設(shè)備、管道外其他需要單獨(dú)設(shè)計(jì)的部件，一般為各設(shè)備與設(shè)備之間聯(lián)系的連接部件，由于連接的設(shè)備、方向和方式千差萬(wàn)別，因此較難制作成統(tǒng)一的模型，需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)。在冶金礦山工藝專業(yè)，主要的非標(biāo)件有：格柵、漏斗、料槽、防護(hù)罩、部分操作平臺(tái)、浮選泡沫槽、儲(chǔ)礦設(shè)施等。此部分非標(biāo)件的建?？蛇\(yùn)用設(shè)備建模完成。

工藝管線包括主工藝管線、次工藝管線、氣動(dòng)儀表管線、電動(dòng)電纜線等繪制。由于Openplant PowerPID模塊包含很多有ISA和ISO標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的圖列以及一整套繪制管道和儀表的線型，所以能較快地完成圖紙的繪制，見(jiàn)圖5。

圖5 顎式破碎機(jī)工藝布置Fig.5 Jaw crusher process layout

5.4碰撞檢查

各專業(yè)完成模型建立后，項(xiàng)目策劃者將文件統(tǒng)一到參考文件中，并根據(jù)組合后的模型，進(jìn)行設(shè)備與廠房，設(shè)備與設(shè)備，設(shè)備與管道，管道與管道之間的碰撞以及安全距離的檢查。在這里，各模型之間的安全距離可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行人工設(shè)定，計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的數(shù)值，自動(dòng)檢測(cè)相關(guān)模型之間的安全距離，對(duì)不滿足要求的地方，提出錯(cuò)誤信息。

配合使用項(xiàng)目管理軟件和多專業(yè)協(xié)同管理平臺(tái)Projectwise，可直接在組合后的模型中修改各專業(yè)的設(shè)計(jì)。在修改過(guò)程中，運(yùn)用PW的圖紙參考關(guān)系以及圖紙的變更管理，進(jìn)行多專業(yè)文件級(jí)協(xié)同工作模式。同時(shí)通過(guò)bentley的Microstation核心技術(shù)之一的參考關(guān)系，各專業(yè)模型互相參考搭建整體的項(xiàng)目模型、來(lái)保證多專業(yè)的模型匯總成果。修改后的模型會(huì)直接反饋和傳遞到相關(guān)專業(yè)的設(shè)計(jì)圖紙中，大大縮短了查找專業(yè)圖紙以及反復(fù)修改的時(shí)間。

5.5圖形轉(zhuǎn)換

最終核實(shí)無(wú)誤的圖紙，需要將三維模型轉(zhuǎn)換成平面布置圖和立面圖、管道圖等現(xiàn)在常規(guī)使用的二維圖紙。在文件轉(zhuǎn)換時(shí)，由于三維設(shè)計(jì)時(shí)已賦予設(shè)備、管道等屬性和參數(shù)，輸出的二維圖紙上能自動(dòng)生成材料統(tǒng)計(jì)表。至此，整個(gè)項(xiàng)目完成了從三維建模到二維輸出。某工程三維模型從整體到局部的布置形式，見(jiàn)圖6～圖9。

圖6 某工程三維模型整體布局Fig.6 The overall layout of 3D model of a project

圖7 局部放大圖1Fig.7 Partial enlarged drawing 1

圖8 局部放大圖　2Fig.8 Partial enlarged drawing 2

圖9 局部放大圖　3Fig.9 Partial enlarged drawing 3

6　結(jié) 語(yǔ)

由于冶金行業(yè)的使用習(xí)慣以及要求等原因，國(guó)內(nèi)三維設(shè)計(jì)普及率不高，僅個(gè)別大型設(shè)計(jì)院有部分從事三維設(shè)計(jì)的專業(yè)人才，但是三維設(shè)計(jì)在國(guó)外的運(yùn)用表明，這是工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。它具有的高效、實(shí)時(shí)、可視等特點(diǎn)能夠大幅提高工作效率，完善成品質(zhì)量，這必將成為未來(lái)工程設(shè)計(jì)的主流。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TB237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004－2660（2015）03－0009－08

收稿日期：2015－08－16.

作者簡(jiǎn)介：陶建利（1982－），男，湖南人，工程師.主要研究方向：選礦設(shè)計(jì)及選礦試驗(yàn)研究.

Process Layout Based on 3D Design

TAO Jian－li1，2，YU Jing3
（1.Changsha Institute of Mining Research，Changsha 410083，China；2.School of Minerals Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，China；3.Guangzhou Junhe Information Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510030，China）

Abstract：This paper introduced several 3D design softwares in metallurgical industry and the application of OpenPlant developed by Bentley in engineering design was mainly explained.The application includes project organization，workshop modeling，equipment modeling，non－standard components modeling，collision detection，etc..And product output after modeling was briefly described.

Key words：3D design；design software；process layout；OpenPlant；metallurgical mine