李程

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司， 北京 100085）

隨著信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的高速發(fā)展，各行各業(yè)的工作模式都在發(fā)生著巨大的變化。在石油地面工程設(shè)計(jì)行業(yè)，三維設(shè)計(jì)在工程方案優(yōu)化及多方案比較、優(yōu)化設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和數(shù)字化移交等方面都比二維設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)，已成為設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，也是石油地面工程行業(yè)工程建設(shè)和發(fā)展的要求。

進(jìn)行三維設(shè)計(jì)一個(gè)重要的基礎(chǔ)就是三維模型設(shè)計(jì)軟件。三維設(shè)計(jì)軟件可用于多專業(yè)協(xié)同完成工程的三維模型建設(shè)，使各專業(yè)在同一平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，使得各專業(yè)獨(dú)立搭建的模型相互關(guān)聯(lián)，從而有效保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性，使專業(yè)間設(shè)計(jì)的不合理或碰撞發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段，為工程現(xiàn)場(chǎng)施工提供了良好的保障。采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)有效地減輕了設(shè)計(jì)的工作量，提高了團(tuán)隊(duì)的工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 SmartPlant 3D軟件簡(jiǎn)介

SmartPlant 3D是二十年來(lái)出現(xiàn)的先進(jìn)的工廠設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，這套由美國(guó)Intergraph工廠設(shè)計(jì)和信息管理軟件公司推出的新一代、面向數(shù)據(jù)、規(guī)則驅(qū)動(dòng)的軟件主要是為了簡(jiǎn)化工程設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)更加有效地使用并重復(fù)使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)。SmartPlant 3D主要提供兩方面的功能：首先，它是一個(gè)完整的工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件；其次，它可以在整個(gè)工廠的生命周期中，對(duì)工廠進(jìn)行維護(hù)。

SmartPlant 3D是一個(gè)前瞻性的產(chǎn)品，它改變了工程設(shè)計(jì)的方式，打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的局限，可以與其他“SmartPlant家族”軟件進(jìn)行二三維的數(shù)據(jù)傳輸與校驗(yàn)。如SmartPlant P&ID（工藝儀表流程圖設(shè)計(jì)軟件）、SmartPlant Reference Data（數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)）、SmartPlant Instrumentation（儀表設(shè)計(jì)軟件），CAESARII（管道應(yīng)力分析軟件），并能通過(guò)SmartPlant Foundation（工廠設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，如圖1所示）進(jìn)行更高層次的數(shù)據(jù)集成、數(shù)字化移交及數(shù)字化工廠建設(shè)。

圖1 SmartPlant 3D三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

2 SmartPlant 3D多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)

2.1 以智能PID為核心的工藝設(shè)計(jì)

三維協(xié)同設(shè)計(jì)的上游是工藝專業(yè)的P&ID設(shè)計(jì)。工藝專業(yè)首先采用SmartPlant P&ID軟件進(jìn)行智能P&ID設(shè)計(jì)，它是以數(shù)據(jù)為中心，帶有規(guī)則驅(qū)動(dòng)的智能的工藝和儀表流程圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)。工藝專業(yè)通過(guò)繪制智能P&ID，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的集成，讓下游專業(yè)的應(yīng)用軟件可以復(fù)用上游專業(yè)應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)，這樣可以縮短設(shè)計(jì)周期、保證數(shù)據(jù)一致性、提升設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí)，也為三維模型中設(shè)備、管道及儀表等設(shè)計(jì)內(nèi)容是否符合工藝P&ID提供了校驗(yàn)的基礎(chǔ)。在SmartPlant 3D中建模完成后，可以通過(guò)二三維校驗(yàn)工具進(jìn)行三維模型與P&ID的一致性檢查，檢查結(jié)果可以直觀地在智能P&ID中顯示，如圖2所示。本項(xiàng)目通過(guò)SmartPlant P&ID軟件，共完成PFD、UFD18張，P&ID 104張[2]。

圖2 智能P&ID成品圖紙

2.2 項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)及圖紙報(bào)表模板建立

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)是SmartPlant 3D的核心，也是三維協(xié)同設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ)。項(xiàng)目開(kāi)始階段首先搭建項(xiàng)目工廠結(jié)構(gòu)和項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)完全以數(shù)據(jù)為核心，根據(jù)項(xiàng)目要求的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將管道、管件及閥門(mén)等元器件等信息按管道等級(jí)表和數(shù)據(jù)表的要求輸入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并根據(jù)石油地面工程行業(yè)特點(diǎn)，建立若干特殊管道元件如6倍D彎管、格柵三通等，為三維建模奠定基礎(chǔ)。根據(jù)項(xiàng)目運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題不斷地完善數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)日趨完善的項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，利用SmartPlant Reference Data（數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)）建立公司級(jí)管道等級(jí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2-2所示，利用軟件建立公司統(tǒng)一的材料編碼規(guī)則。是設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。SmartPlant Reference Data提供與多種軟件的接口，通過(guò)這些接口可以向各種設(shè)計(jì)軟件傳遞工程設(shè)計(jì)信息，提高工程數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和復(fù)用性，同時(shí)省去了繁重的重復(fù)輸入工作。

圖3 SPRD中組件管道等級(jí)

(2)管道支吊架開(kāi)發(fā)。根據(jù)油田地面工程行業(yè)特點(diǎn)在SmartPlant 3D集成平臺(tái)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)智能化支吊架，實(shí)現(xiàn)外形尺寸更加真實(shí)的支吊架三維模型，滿足石油地面工程設(shè)計(jì)需求，如圖4所示。通過(guò)編程開(kāi)發(fā)具有復(fù)用功能的智能化支吊架并實(shí)現(xiàn)了支吊架的管徑自動(dòng)匹配、選擇面匹配、桿件自動(dòng)伸縮、長(zhǎng)度匹配、智能化抽料等功能，大大提高了支吊架設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性[3]。

(3)定制標(biāo)準(zhǔn)化圖紙和報(bào)表模板。首先定制SmartPlant 3D所需格式的公司標(biāo)準(zhǔn)圖框文件，再結(jié)合公司圖紙格式規(guī)定對(duì)管道布置圖、管道單線圖和管道材料表進(jìn)行用戶化定制。

管道布置圖模板包括：用戶化定制符合公司圖紙格式規(guī)定符合項(xiàng)目特點(diǎn)的各種不同元素的線型、線寬和顏色，柱網(wǎng)、設(shè)備位號(hào)、管口號(hào)、管線號(hào)、管線標(biāo)高、儀表位號(hào)的標(biāo)識(shí)方式及標(biāo)注文字的字體和字高等。管道單線圖模板包括：用戶化定制符合公司圖紙格式規(guī)定符合項(xiàng)目特點(diǎn)的單線圖材料表格式，各種不同元素的線型、線寬和顏色，不同種類元件的圖例，保溫、管架的不同圖例等。通過(guò)軟件的圖紙報(bào)表模塊實(shí)現(xiàn)二維圖紙的自動(dòng)生成，模型自動(dòng)消隱，模型屬性自動(dòng)標(biāo)注，模型尺寸自動(dòng)標(biāo)注[4]。

管道材料表模板包括：用戶化定制符合公司報(bào)表格式規(guī)定符合項(xiàng)目特點(diǎn)的Excel材料表模板，包塊材料表的排序、裕量系數(shù)、長(zhǎng)描述或短描述的選取等。通過(guò)軟件的圖紙報(bào)表模塊完成分區(qū)匯料或整個(gè)項(xiàng)目匯料，并自動(dòng)計(jì)算材料的裕量。

2.3 多專業(yè)協(xié)同三維建模

圖4 二次開(kāi)發(fā)支吊架圖集

在統(tǒng)一的規(guī)則架構(gòu)和權(quán)限約定下，配管、結(jié)構(gòu)、儀表、電氣等專業(yè)統(tǒng)一在SmartPlant 3D平臺(tái)下開(kāi)展項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)輸入條件，配管專業(yè)完成了包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在內(nèi)的所有工藝設(shè)備模型的建立（共121臺(tái)套），完成了全部的管道設(shè)計(jì)，包括：規(guī)格1/2”-20”的管線1047根，管線總長(zhǎng)約50km，閥門(mén)1672個(gè)，管件6914個(gè)；結(jié)構(gòu)專業(yè)完成了設(shè)備基礎(chǔ)、軸網(wǎng)、管廊柱梁、管架、管廊管架基礎(chǔ)、管墩、平臺(tái)、欄桿及房屋的結(jié)構(gòu)建模；電氣專業(yè)完成電纜橋架、燈桿，配電箱等建模工作；儀表專業(yè)完成儀表橋架，可燃?xì)怏w檢測(cè)探頭等建模工作。各專業(yè)均在SmartPlant 3D工廠中建立三維實(shí)體模型參與三維協(xié)同設(shè)計(jì)，三維建模過(guò)程幫助設(shè)計(jì)人員更好地優(yōu)化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)更加直觀。服務(wù)器會(huì)持續(xù)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)計(jì)中發(fā)生的碰撞，從根本上解決了管道系統(tǒng)之間、不同專業(yè)之間的碰撞問(wèn)題，減少了現(xiàn)場(chǎng)返工。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，SmartPlant 3D以實(shí)體渲染的方式顯示，可以直接通過(guò)軟件自帶的三維模型漫游功能進(jìn)行模型審查，使三維設(shè)計(jì)的校審工作更加便捷和準(zhǔn)確。SmartPlant 3D既有傳統(tǒng)的服務(wù)端的全面碰撞檢查，又有工作過(guò)程中的實(shí)時(shí)碰撞檢查。服務(wù)端的全面碰撞檢查是對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行完整的碰撞檢查并生成報(bào)告，通過(guò)碰撞檢查報(bào)告，便于在模型定位時(shí)對(duì)碰撞點(diǎn)進(jìn)行檢查。開(kāi)啟即時(shí)碰撞檢查后，在工作過(guò)程中發(fā)生的碰撞可即時(shí)顯示出來(lái)，提醒設(shè)計(jì)者及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和修改，從而有效地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

SmartPlant 3D與管道應(yīng)力分析軟件CAESARII具有雙向接口，設(shè)計(jì)人員只要在軟件中抽出PCF格式的單線圖提交給管道應(yīng)力專業(yè)，CAESARII軟件可以自動(dòng)導(dǎo)入PCF文件格式，節(jié)省管道應(yīng)力專業(yè)在軟件中自己搭建管道模型的時(shí)間。

2.4 三維模型審查

三維模型審查是各專業(yè)設(shè)計(jì)人員、施工方、PMC及業(yè)主檢驗(yàn)三維設(shè)計(jì)工藝符合性、專業(yè)空間劃分是否合理、專業(yè)接口是否正確、專業(yè)之間查缺補(bǔ)漏以及存在急需各方解決的問(wèn)題等進(jìn)行的審查。模型審查階段通常按模型完成工作量劃分為30%、60%、90%模型審查三個(gè)階段，審查過(guò)程中會(huì)根據(jù)審查內(nèi)容做好三維模型演示工作，記錄各專業(yè)、施工方、PMC及業(yè)主的審查意見(jiàn)并在SmartPlant Review軟件中截出圖片，形成審查記錄表，各專業(yè)負(fù)責(zé)人對(duì)本專業(yè)模型審查檢查項(xiàng)進(jìn)行確認(rèn)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)修改完畢[5]。

2.5 自動(dòng)生成圖紙及材料表

三維模型的數(shù)字化工廠最終轉(zhuǎn)化為實(shí)際工廠，需要將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙，從而用于現(xiàn)場(chǎng)施工。模型審查意見(jiàn)修改完成確認(rèn)后即可進(jìn)行圖紙和材料表的自動(dòng)生成工作。

管道平面圖可以從模型中自動(dòng)生成，根據(jù)不用項(xiàng)目的需要，SmartPlant 3D可以結(jié)合前期完成的用戶化定制圖紙模板實(shí)現(xiàn)二維平面圖的自動(dòng)生成。模型可自動(dòng)消隱，模型屬性可自動(dòng)標(biāo)注，模型尺寸可自動(dòng)標(biāo)注，能夠自動(dòng)生成各種加工和安裝圖紙，大大減少了后期手工標(biāo)注的工作量。本項(xiàng)目一共生成管道平面圖223張。

管道單線圖的生成也十分簡(jiǎn)單，只需選取所需要的管線和圖紙模板，軟件會(huì)自動(dòng)生成管道單線圖。圖紙上的標(biāo)注、材料表等信息均根據(jù)用戶化定制的圖紙模板自動(dòng)生成，基本不用手動(dòng)修改。本項(xiàng)目一共生成管道單線圖1068張，如圖5所示。

由于本項(xiàng)目地處國(guó)外，交通不便，且當(dāng)?shù)鼗緵](méi)有管道材料的生產(chǎn)和加工能力，所以材料報(bào)表統(tǒng)計(jì)對(duì)項(xiàng)目采購(gòu)和施工的影響重大。根據(jù)三維模型自動(dòng)生成的材料報(bào)表，既節(jié)約了手工統(tǒng)計(jì)的工時(shí)，又保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。軟件還能根據(jù)施工的特殊需要，單獨(dú)統(tǒng)計(jì)每個(gè)分區(qū)的材料，甚至每根管子的材料，以滿足項(xiàng)目的特殊需要。

圖5 管道平面圖單線圖

3 結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)石油地面工程設(shè)計(jì)模式中，各設(shè)計(jì)專業(yè)間的集成與協(xié)同工作程度有限，工作流程不夠優(yōu)化，制約了工程設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的進(jìn)一步提高。各專業(yè)應(yīng)用軟件相對(duì)獨(dú)立，相互間聯(lián)系松散，數(shù)據(jù)庫(kù)之間缺乏共享，使數(shù)據(jù)的一致性和可靠性受限。

多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)是一個(gè)相關(guān)專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的環(huán)境。要求設(shè)計(jì)人員以三維設(shè)計(jì)模型為平臺(tái)開(kāi)展工作，通過(guò)三維模型這個(gè)平臺(tái)及時(shí)準(zhǔn)確地接收和反饋專業(yè)條件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作模式，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)軟件之間數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳遞，取代了手工數(shù)據(jù)輸入與傳遞的方式，從而有效地提高數(shù)據(jù)的一致性、可靠性、共享性和安全性，實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的工作流程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)主的數(shù)字化交付。

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