綦學(xué)良

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春　130021)

隨著發(fā)電設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)成品直觀性、全專業(yè)化配合、高精細(xì)化程度、高效率的需求不斷提升，以三維設(shè)計(jì)為主體的發(fā)電廠數(shù)字化設(shè)計(jì)正廣泛普及和應(yīng)用，其中工廠三維設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)(PDMS)是較為主流的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)之一[1]。熱機(jī)專業(yè)作為發(fā)電項(xiàng)目的主體專業(yè)對(duì)實(shí)體空間占位、專業(yè)間碰撞檢查、高效率材料統(tǒng)計(jì)的需求尤為突出。熱機(jī)專業(yè)煙風(fēng)道設(shè)計(jì)計(jì)算量大，煙風(fēng)道零件形式復(fù)雜、多變，對(duì)空間占位的要求高；同時(shí)，零件的材料量統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目繁多、耗時(shí)。采用PDMS軟件平臺(tái)固有的供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)(HVAC)風(fēng)道設(shè)計(jì)模式建立三維模型，已不能準(zhǔn)確刻畫(huà)零件的外形及占位，為實(shí)體碰撞檢查提供有效依據(jù)且模型精細(xì)化程度低，不能滿足對(duì)煙風(fēng)道零件開(kāi)取材料的要求，因此，針對(duì)于發(fā)電項(xiàng)目對(duì)煙風(fēng)道設(shè)計(jì)精細(xì)化程度的迫切需求，煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)的各類方法、體系、軟件程序應(yīng)運(yùn)而生。 本文以基于PDMS12.1SP2三維設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)體系為例，與該軟件平臺(tái)固有的HVAC風(fēng)道設(shè)計(jì)模式相對(duì)比分析，著重探討發(fā)電廠煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)的有效方法[2]。

1　煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)體系及原有HVAC模式弊端

1.1　煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)體系

火力發(fā)電廠煙風(fēng)道的全過(guò)程三維設(shè)計(jì)主要分為：煙風(fēng)道單體零件模型詳細(xì)設(shè)計(jì)(包括：搭建煙風(fēng)道零件、加固肋、內(nèi)撐、法蘭、支吊架等模型)；煙風(fēng)道模型三維布置設(shè)計(jì)；煙風(fēng)道零件材料量統(tǒng)計(jì)；繪制煙風(fēng)道零件及支吊架詳圖。

1.2　原有HVAC模式弊端

PDMS軟件平臺(tái)提供的煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)操作是在其HVAC模式下進(jìn)行；而HVAC模式的原有功能是為暖通專業(yè)通風(fēng)風(fēng)道三維設(shè)計(jì)提供支持，該方式的零件數(shù)據(jù)庫(kù)為PDMS軟件原HVAC暖通專業(yè)風(fēng)道數(shù)據(jù)庫(kù)。

在發(fā)電工程設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中，煙風(fēng)道零件的形式依據(jù)布置條件復(fù)雜而多變，其零件形式的豐富程度遠(yuǎn)超過(guò)暖通專業(yè)的基礎(chǔ)風(fēng)道零件形式。固定、有限的數(shù)據(jù)庫(kù)零件形式可以滿足暖通專業(yè)通風(fēng)風(fēng)道的三維設(shè)計(jì)需求，但這些簡(jiǎn)單、基本的風(fēng)道零件形式在鍋爐專業(yè)如異形三通類型的復(fù)雜煙風(fēng)道零件三維設(shè)計(jì)中不能作為有效的建模素材。

通過(guò)HVAC基礎(chǔ)功能建立的三維模型可以滿足零件的基本占位；而實(shí)際工程應(yīng)用中，煙風(fēng)道零件配備有大量的加固肋和支吊架，其占位需要納入對(duì)布置設(shè)計(jì)的考慮，準(zhǔn)確的加固肋及支吊架模型將為煙風(fēng)道布置占位提供有效參考依據(jù)。HVAC基礎(chǔ)功能中的簡(jiǎn)化風(fēng)道零件模型素材不具備實(shí)現(xiàn)加固肋和支吊架等高精細(xì)化程度建模的功能。

HVAC基礎(chǔ)功能由于其精細(xì)化程度的限制，僅適用于暖通專業(yè)通風(fēng)風(fēng)道的三維設(shè)計(jì)，而并不適用于對(duì)支吊架、加固肋及內(nèi)撐等構(gòu)件有高度需求的煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)化的HVAC基礎(chǔ)模型中缺少記錄加固肋、內(nèi)撐等構(gòu)件尺寸數(shù)據(jù)的信息和細(xì)部模型，這個(gè)限制導(dǎo)致了該設(shè)計(jì)模式不能滿足煙風(fēng)道材料量統(tǒng)計(jì)的需求，煙風(fēng)道零件的材料量統(tǒng)計(jì)需要其三維模型具有極高的精細(xì)化程度。

2　優(yōu)化的煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)模式

2.1　煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)的二次開(kāi)發(fā)

煙風(fēng)道的三維設(shè)計(jì)需要精確、高效、功能更完備的設(shè)計(jì)模式。該設(shè)計(jì)模式應(yīng)具備豐富的煙風(fēng)道零件形式素材數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)常用及特殊的煙風(fēng)道零件形式具有較高的涵蓋性，且數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)應(yīng)利于其內(nèi)容的擴(kuò)充，以便將以往工程中未使用過(guò)的新型零件快速收納入庫(kù)；模型精細(xì)化程度應(yīng)達(dá)到接近真實(shí)煙風(fēng)道零件的水平，能夠?qū)Τ荔w零件外的內(nèi)撐、加固肋、法蘭進(jìn)行建模，以保證模型空間占位的真實(shí)性；設(shè)計(jì)模式應(yīng)具備煙風(fēng)道零件材料量統(tǒng)計(jì)的功能，程序代碼自動(dòng)提取儲(chǔ)存于模型的材料量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后反饋給用戶。

PDMS三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的程序主要以PML語(yǔ)言為編程基礎(chǔ)，代碼開(kāi)放，為用戶的二次開(kāi)發(fā)提供了有利條件。二次開(kāi)發(fā)制作的煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)主程序界面見(jiàn)圖1。

圖1　二次開(kāi)發(fā)的煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)界面

2.2　精細(xì)化的煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)模式

2.2.1可擴(kuò)展、可定制的煙風(fēng)道零件形式

二次開(kāi)發(fā)的煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)軟件具備獨(dú)立的零件數(shù)據(jù)庫(kù)，其零件形式豐富，相比HVAC基礎(chǔ)功能更適用于煙風(fēng)道零件的三維設(shè)計(jì)?；A(chǔ)零件形式包括：煙風(fēng)道直段、90°彎頭、變角度彎頭、三通、方圓節(jié)、吸風(fēng)口等零件形式；組件包括：法蘭、加固肋、內(nèi)撐等。零件選擇列表直觀、便利。以異形三通為例，可選擇復(fù)雜零件類型，見(jiàn)圖2。

圖2　異形三通零件選型

數(shù)據(jù)庫(kù)由于采用了模板雙層分級(jí)數(shù)據(jù)引用模式，具備高度的可擴(kuò)展性，即煙風(fēng)道零件的選型引用零件的模板數(shù)據(jù)庫(kù)，零件的模板數(shù)據(jù)庫(kù)引用標(biāo)準(zhǔn)鋼板、型鋼截面(如工字鋼、槽鋼、角鋼和圓鋼等)數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶不僅可在模板數(shù)據(jù)庫(kù)中選用已有的零件形式，同時(shí)可以選取標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的鋼板及型鋼截面快速搭建未收納入庫(kù)的新形式零件，以滿足實(shí)際工程的需求。新形式的煙風(fēng)道零件模型搭建完成后，可以作為模板數(shù)據(jù)庫(kù)的建庫(kù)素材，通過(guò)對(duì)其內(nèi)置鋼板及型鋼的自動(dòng)布置規(guī)則，制作成零件模板存儲(chǔ)到模板數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于其他發(fā)電工程設(shè)計(jì)對(duì)相同形式零件的引用。

2.2.2精細(xì)化的零件模型及建模方式

通過(guò)優(yōu)化后的三維設(shè)計(jì)模式所建立的煙風(fēng)道零件模型精細(xì)化程度極高，模型與真實(shí)的零件相差無(wú)幾，鋼板、型鋼等均以獨(dú)立的模型通過(guò)布置規(guī)則自動(dòng)組裝成零件整體，由于其獨(dú)立性可有效支持材料量統(tǒng)計(jì)。以90°煙道彎頭為例(見(jiàn)圖3)，單體零件的細(xì)部模型包括鋼板、密封角鋼、內(nèi)撐梁等，細(xì)部模型通過(guò)后臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型鋼數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)支持，淡色部分為2 524 mm寬的弧形鋼板。

圖3　90°彎頭模型示例

弧形鋼板模型中記錄了尺寸參數(shù)和自動(dòng)布置規(guī)則。其設(shè)計(jì)參數(shù)值(desp num 1)：2 524 mm，表征鋼板的寬度；定參數(shù)(para)：6 mm，表征鋼板厚度；引用：GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)的 Q235 6 mm厚度鋼板數(shù)據(jù)庫(kù)。

將煙風(fēng)道彎頭零件的入口寬度標(biāo)記為變量：AARR，型鋼數(shù)據(jù)庫(kù)厚度定參數(shù)標(biāo)記為變量：PASP。鋼板的寬度計(jì)算模型：desp num 1=AARR-para 1 of PASP×2 - 32×2，即弧形鋼板的寬度應(yīng)為零件入口寬度扣除兩側(cè)的鋼板厚度和兩側(cè)密封角鋼與鋼板間32 mm寬的焊接裕量，可以滿足對(duì)焊接裕量的要求。

可見(jiàn)，模型可以支持材料量統(tǒng)計(jì)到以毫米為單位。由于煙風(fēng)道零件的真實(shí)占位及布置需要考慮零件的加固肋，因此煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)程序涵蓋了加固肋、內(nèi)撐、法蘭等組件供設(shè)計(jì)人員選擇。另外，這些組件模型的尺寸需要與主體零件相吻合，因此應(yīng)在軟件所控制的組件建模程序中加入?yún)?shù)繼承代碼，即加固肋等組件模型會(huì)直接繼承主體零件的外形尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)人員無(wú)須再對(duì)加固肋給定尺寸。仍以90°彎頭零件為例，建立后完整的零件模型見(jiàn)圖4。

圖4　帶有加固肋、內(nèi)撐和法蘭的90°彎頭

由于煙風(fēng)道零件上鋼板、加固肋的工字鋼和槽鋼、內(nèi)撐的圓鋼等桿件需要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行安裝、焊接，因此軟件應(yīng)具備型鋼編輯程序。以弧形鋼板處焊接的加固肋的槽鋼為例，設(shè)計(jì)人員可拾取槽鋼焊接位置的鋼板弧面，使槽鋼模型自動(dòng)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度。

2.3　高效率的零件材料統(tǒng)計(jì)

2.3.1高效數(shù)據(jù)庫(kù)支撐

數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用模式的建模系統(tǒng)能最大程度精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)量，并保存有效設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)軟件主要采用雙層分級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)引用模式。零件細(xì)化達(dá)到型鋼桿件的程度，型鋼桿件的外形及單重信息儲(chǔ)存于標(biāo)準(zhǔn)型鋼數(shù)據(jù)庫(kù)，為煙風(fēng)道零件外形的基礎(chǔ)依據(jù)；用戶進(jìn)行零件選型時(shí)引用零件模板數(shù)據(jù)庫(kù)，模板數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄鋼板、桿件的尺寸和布置規(guī)則，以及煙風(fēng)道零件的具體形式。這個(gè)雙層分級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)引用方式確保了用戶在擴(kuò)充模板庫(kù)中的零件形式時(shí)，可以隨時(shí)引用鋼板、型鋼數(shù)據(jù)庫(kù)建立零件模板，并通過(guò)輸入布置規(guī)則，使得鋼板和桿件按設(shè)計(jì)過(guò)程中用戶給定的設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、定位和調(diào)整尺寸，因此，用戶在定制新的模板時(shí)僅需輸入零件布置規(guī)則計(jì)算公式、控制參數(shù)和型鋼選型范圍，區(qū)別于HVAC基礎(chǔ)功能數(shù)據(jù)庫(kù)，不需要輸入大量的型鋼截面計(jì)算公式和截面尺寸控制參數(shù)。

以槽鋼為例，其桿件數(shù)據(jù)庫(kù)中除給定槽鋼截面尺寸參數(shù)，還需涵蓋型鋼單重信息，程序自動(dòng)計(jì)算桿件長(zhǎng)度配合統(tǒng)計(jì)。而鋼板數(shù)據(jù)庫(kù)的截面尺寸參數(shù)僅為鋼板厚度(定參數(shù))，其鋼板寬度在Design設(shè)計(jì)模式下由設(shè)計(jì)人員依實(shí)際情況給定。數(shù)據(jù)庫(kù)需另設(shè)鋼板單位質(zhì)量，程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算鋼板面積配合統(tǒng)計(jì)。

2.3.2高效的材料量統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)傳遞

因具備強(qiáng)大的后臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)軟件可直接在設(shè)計(jì)模式下對(duì)單體零件和整個(gè)煙風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行一鍵材料量匯總統(tǒng)計(jì)，并將結(jié)果導(dǎo)出為繪制零件詳圖所需的接口文件。軟件會(huì)先將單體零件的材料量匯總到一個(gè)與材料明細(xì)表格式相同的表單中；而HVAC基礎(chǔ)功能由于無(wú)法表達(dá)和儲(chǔ)存零件的細(xì)部桿件模型及信息，無(wú)法實(shí)現(xiàn)材料量統(tǒng)計(jì)。

2.4　真實(shí)的煙風(fēng)道零件投影繪圖

基于PDMS平臺(tái)的Draft繪圖模式以投影方式成像。該方式能真實(shí)地將三維模型外輪廓投影到圖紙上，但如果模型表達(dá)不夠細(xì)致，投影繪圖亦粗糙、表達(dá)不清晰。煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)軟件區(qū)別于原有的HVAC設(shè)計(jì)模式，將煙風(fēng)道零件及其細(xì)部準(zhǔn)確建模，其模型的細(xì)致程度可以有效支持三維投影的繪圖方式，且滿足正視圖、剖面圖以及圖中加固肋、內(nèi)撐的尺寸和定位信息的圖面表達(dá)。

軟件在材料統(tǒng)計(jì)階段生成的材料明細(xì)表接口文件可直接導(dǎo)入至零件詳圖，生成該零件的材料明細(xì)表。材料明細(xì)表的數(shù)據(jù)源來(lái)自生成于設(shè)計(jì)模塊的統(tǒng)計(jì)結(jié)果文件，結(jié)果文件由程序自動(dòng)結(jié)合零件模型的尺寸及模型數(shù)據(jù)庫(kù)中的單重信息進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)過(guò)程無(wú)人為干涉，計(jì)算結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確。

2.5　可擴(kuò)展的煙風(fēng)道支吊架設(shè)計(jì)模式及優(yōu)勢(shì)

2.5.1設(shè)計(jì)模式

全過(guò)程的煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)包括支吊架設(shè)計(jì)，由于煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的可擴(kuò)展性，和煙風(fēng)道支吊架主要由型鋼桿件和鋼板焊接而成的特點(diǎn)，煙風(fēng)道支吊架可以同樣的方式納入該設(shè)計(jì)模式中。首先，根據(jù)支吊架的形式，從標(biāo)準(zhǔn)型鋼數(shù)據(jù)庫(kù)中選材搭建出支吊架的模板數(shù)據(jù)庫(kù)，并將與煙風(fēng)道零件尺寸控制參數(shù)及計(jì)算公式相匹配的自動(dòng)布置規(guī)則，內(nèi)置到支吊架模板數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣用戶便可以采用與煙風(fēng)道零件建模相同的方式，創(chuàng)建支吊架模型。此外，由于建模方式相同，支吊架模型可以直接從零件本體模型中讀取尺寸參數(shù)，進(jìn)而配合布置規(guī)則完成占位，從而大幅提高設(shè)計(jì)效率。煙風(fēng)道支吊架形式多樣，建議以定制常用的支吊架形式數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)，按需求擴(kuò)展應(yīng)用。

2.5.2主要優(yōu)勢(shì)

通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的發(fā)電廠煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)新模式優(yōu)勢(shì)主要源于2個(gè)部分。其一：雙層分級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)引用模式，對(duì)煙風(fēng)道零件高效建模起到了關(guān)鍵作用。記錄于零件模板庫(kù)中各桿件模型的自動(dòng)布置規(guī)則與參數(shù)繼承體系相配合，用戶僅需要對(duì)主體零件賦予尺寸參數(shù)，其下的零件道體、加固肋、法蘭、內(nèi)撐等模型會(huì)自動(dòng)依據(jù)主體零件參數(shù)調(diào)整其尺寸、定位和偏轉(zhuǎn)。其二：以數(shù)據(jù)庫(kù)和模型作為數(shù)據(jù)源，由程序驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了一鍵統(tǒng)計(jì)功能，使得原本由人為參與、易出錯(cuò)的材料量統(tǒng)計(jì)工作更嚴(yán)謹(jǐn)、更自動(dòng)化。以華能營(yíng)口仙人島2×150 MW熱電新建工程冷二次風(fēng)道的三維布置設(shè)計(jì)為例，將優(yōu)化三維設(shè)計(jì)模式和原有HVAC基礎(chǔ)功能三維設(shè)計(jì)模式效率對(duì)比見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)比分析可以看出，優(yōu)化后的煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)模式在數(shù)據(jù)庫(kù)建立方面提高效率20%，在煙風(fēng)道三維建模及布置設(shè)計(jì)方面提高效率20%，在煙風(fēng)道材料量統(tǒng)計(jì)方面提高效率75%；同時(shí)，以優(yōu)化設(shè)計(jì)模式建立的煙風(fēng)道三維模型，具有貼近真實(shí)的空間占位，是協(xié)同布置設(shè)計(jì)的有力參考依據(jù)。

表1　優(yōu)化三維設(shè)計(jì)模式和

3　結(jié)論及建議

優(yōu)化的設(shè)計(jì)模式相比原有的HVAC基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模式有以下優(yōu)勢(shì)：首先，在發(fā)電廠煙風(fēng)道三維設(shè)計(jì)搭建模型的準(zhǔn)確程度、空間占位及碰撞檢查的可參考性方面，由于其高精細(xì)化程度的模型可以真實(shí)地體現(xiàn)零件本體、加固肋、內(nèi)撐、法蘭等構(gòu)件，可以提供更精確的模型和設(shè)計(jì)依據(jù)；其次，在三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)方面，由于其可將用戶手動(dòng)創(chuàng)建的臨時(shí)煙風(fēng)道模型作為數(shù)據(jù)庫(kù)素材直接收納入庫(kù)，其可擴(kuò)展性遠(yuǎn)高于HVAC基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)；第三，在材料量統(tǒng)計(jì)方面，優(yōu)化的設(shè)計(jì)模式以高精細(xì)化程度的三維模型為數(shù)據(jù)源，可一鍵完成精確、高效的材料量統(tǒng)計(jì)。優(yōu)化的三維設(shè)計(jì)模式在精細(xì)化程度、擴(kuò)展性和提高效率等方面極具優(yōu)勢(shì)，更適用于未來(lái)發(fā)電工程煙風(fēng)道設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王堅(jiān).火力發(fā)電廠布置設(shè)計(jì)精細(xì)化發(fā)展趨勢(shì)[J].電力建設(shè)，2011，32(1)：68-71.

[2]景曉東，唐利萍.PDMS軟件在鍋爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電站系統(tǒng)工程，2006，221(1)：55-56.