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        三維協(xié)同設(shè)計(jì)在石油地面工程中的應(yīng)用

        2020-06-10 08:54:34李程
        石油和化工設(shè)備 2020年4期
        關(guān)鍵詞:圖紙協(xié)同自動(dòng)

        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。

        ◆參考文獻(xiàn)

        [1] 陸洋. 三維設(shè)計(jì)軟件在化工配管中的應(yīng)用及PDS二次開(kāi)發(fā)[D].大連:大連理工大學(xué),2014.

        [2] 朱春田. 石油化工多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)模式變革[J].石油化工設(shè)計(jì),2006,23(2):3-6.

        [3] 徐先賓,李尚澤,王海,等. 油田地面工程常用管道支吊架開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備,2014,(6):5-9.

        [4] 郭穎. SmartPlant3D的工程化應(yīng)用[J].中國(guó)勘察設(shè)計(jì),2014,(1):89-91.

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