鄭亞強(qiáng)，姜浩，馬慶，王新星，董強(qiáng)，蘇宇寧

(昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京 100000)

0 引言

管道的預(yù)制設(shè)計(jì)是項(xiàng)目前期技術(shù)準(zhǔn)備中重要的工作內(nèi)容，尤其大型項(xiàng)目軸測(cè)圖動(dòng)輒幾千張到幾萬(wàn)張不等，需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間對(duì)圖紙進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，且出圖效率低，出圖的質(zhì)量也一般，無(wú)法達(dá)到交工標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)還得再次進(jìn)行修改。此外，不能將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的變動(dòng)升版及時(shí)體現(xiàn)到二次設(shè)計(jì)圖中，從項(xiàng)目前期技術(shù)準(zhǔn)備到后期交二次設(shè)計(jì)圖紙全過(guò)程中都需要施工單位內(nèi)部的技術(shù)支持，影響項(xiàng)目前期建設(shè)進(jìn)度和施工質(zhì)量。本文提到的管道預(yù)制設(shè)計(jì)軟件采用線上實(shí)時(shí)的二次設(shè)計(jì)辦法，通過(guò)三維渲染引擎的支持，對(duì)設(shè)計(jì)院提供的IDF文件進(jìn)行解析，還原出管道的三維模型，在三維模型中直接添加焊縫并進(jìn)行自動(dòng)編號(hào)，并且通過(guò)解析IDF文件，系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出每條管線的所有材料清單，并能導(dǎo)出excel表格文件，方便現(xiàn)場(chǎng)管理人員快速進(jìn)行材料統(tǒng)計(jì)，極大節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員耗費(fèi)的時(shí)間和精力。

1 管道施工前期準(zhǔn)備階段軸測(cè)圖的二次設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

在施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)完全依靠技術(shù)人員手工在設(shè)計(jì)圖紙上進(jìn)行圖紙的二次設(shè)計(jì)，包括焊縫編號(hào)的標(biāo)注、材料描述和數(shù)量統(tǒng)計(jì)、管線焊口整體寸徑量的統(tǒng)計(jì)等，目前管道的二次設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率完全依靠技術(shù)人員的技術(shù)水平。在一些圖紙中有不同的規(guī)格寸徑，造成人為計(jì)算統(tǒng)計(jì)比較繁瑣容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，如材料統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤會(huì)影響到材料采購(gòu)的準(zhǔn)確性，從而影響項(xiàng)目的整體進(jìn)度和成本管理。并且施工過(guò)程中設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)升級(jí)版圖紙，現(xiàn)階段需要技術(shù)人員手工對(duì)每張圖紙進(jìn)行對(duì)比找到有變化的圖紙，且對(duì)新圖紙進(jìn)行重新二次設(shè)計(jì)，造成現(xiàn)場(chǎng)耗費(fèi)大量人力，非常容易出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)圖紙?zhí)鎿Q不及時(shí)造成返工的情況發(fā)生。隨著技術(shù)的進(jìn)步，加上輔助軟件的支持，施工單位在拿到設(shè)計(jì)院提供的pdf版圖紙后，技術(shù)人員使用pdf編輯軟件在電腦版上標(biāo)注焊縫編號(hào)，或者將pdf格式的文件轉(zhuǎn)換成dwg格式文件，用軟件進(jìn)行焊口編號(hào)的標(biāo)記。但是焊口寸徑總量還是需要技術(shù)人員逐個(gè)摘錄到excel文件中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，摘錄過(guò)程需要很大的工作量。材料統(tǒng)計(jì)工作也是需要大量的粘貼復(fù)制操作，因有計(jì)算機(jī)的幫助，計(jì)算工程量和材料統(tǒng)計(jì)方面準(zhǔn)確性得到了提升，但還是會(huì)耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本，造成前期技術(shù)準(zhǔn)備壓力大，材料統(tǒng)計(jì)也有誤差，對(duì)后續(xù)的施工進(jìn)度造成影響。

2 管道預(yù)制設(shè)計(jì)軟件技術(shù)調(diào)研與驗(yàn)證

管道預(yù)制設(shè)計(jì)是管道施工的基礎(chǔ)，因此必須做到管道預(yù)制設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，才能保障管道后續(xù)的施工能夠有序進(jìn)行。經(jīng)過(guò)對(duì)多家施工單位的調(diào)研，了解到管道預(yù)制設(shè)計(jì)需求主要包括：焊縫位置標(biāo)注、焊縫自動(dòng)編號(hào)、手動(dòng)插入焊口、預(yù)制管線/口和安裝管線/口劃分、圖紙版本比對(duì)、焊縫寸徑量統(tǒng)計(jì)以及每根管線的材料統(tǒng)計(jì)等。其中，重難點(diǎn)集中在焊縫位置標(biāo)注與焊縫編號(hào)、升版圖紙與老版圖紙的對(duì)比等，因此本文主要對(duì)上述重難點(diǎn)作為研究對(duì)象。

管道預(yù)制設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)的首要條件，需要對(duì)設(shè)計(jì)模型及圖紙進(jìn)行了解與研究。經(jīng)過(guò)對(duì)多家設(shè)計(jì)單位的模型源文件進(jìn)行調(diào)研，并進(jìn)行了多次技術(shù)研究與驗(yàn)證，最終確定通過(guò)解析設(shè)計(jì)軟件(PDMS/SP3D)在抽出管道軸測(cè)圖時(shí)生成的中間文件(IDF/PCF)。利用“數(shù)字孿生”及三維渲染技術(shù)，可完整還原出管道三維設(shè)計(jì)模型、工藝參數(shù)及材料信息，在三維模型上進(jìn)行高效、半自動(dòng)化的焊縫設(shè)計(jì)、編號(hào)及圖紙生成，降低施工單位操作難度和工作量，依托三維模型提高焊縫、工程量及材料等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度，提高工作效率，減少技術(shù)人員投入。經(jīng)過(guò)研究管道預(yù)制設(shè)計(jì)需要獲取設(shè)計(jì)信息如表1所示。

表1 預(yù)制設(shè)計(jì)獲取信息

3 預(yù)制設(shè)計(jì)軟件的渲染技術(shù)

3.1 復(fù)雜三維場(chǎng)景實(shí)時(shí)渲染技術(shù)

對(duì)預(yù)制設(shè)計(jì)軟件，其面臨的核心挑戰(zhàn)之一是復(fù)雜場(chǎng)景、龐大模型數(shù)量與大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的渲染、顯示。在石油化工中較為復(fù)雜的生產(chǎn)場(chǎng)所，一個(gè)畫面所需要顯示的場(chǎng)景物件三角形數(shù)量經(jīng)常達(dá)到幾百萬(wàn)。為保障軟件流暢的三維運(yùn)行效率與顯示效率，采用綜合影像金字塔模型、模型加載網(wǎng)格優(yōu)化、可見(jiàn)性裁剪、自適應(yīng)渲染等技術(shù)，并采用動(dòng)態(tài)加載、分層次細(xì)節(jié)(LOD)等優(yōu)化機(jī)制，構(gòu)建三維可視化場(chǎng)景。

3.2 三維模型的輕量化技術(shù)

在體量大、精度高的三維模型的處理上，對(duì)電腦的要求很高，這就要求在同質(zhì)量情況下模型的輕量化，渲染速度快。

動(dòng)態(tài)模型加載：不是所有模型都在內(nèi)存里，而是根據(jù)當(dāng)前觀察場(chǎng)景的需要?jiǎng)討B(tài)加載模型，可以降低內(nèi)存的壓力。

多級(jí)精度模型：如果模型在較遠(yuǎn)處顯示很精細(xì)的模型是沒(méi)有必要且浪費(fèi)的。所以依據(jù)視點(diǎn)位置決定需要顯示的是什么等級(jí)精度的模型。

二叉樹(shù)場(chǎng)景組織：可以快速找到交互對(duì)象及需要顯示的模型。

3.3 云渲染技術(shù)

三維軟件往往需要較高的硬件(GPU、內(nèi)存、CPU)配置，而企業(yè)的電腦配置普遍達(dá)不到該要求，若全面推廣，需對(duì)企業(yè)電腦進(jìn)行大批量的更新?lián)Q代，導(dǎo)致成本提高。

云渲染是在云計(jì)算的基礎(chǔ)上加上圖形渲染，把對(duì)硬件要求最高的三維渲染部分抽離到服務(wù)器，即將三維軟件中需要進(jìn)行三維渲染的部分移到遠(yuǎn)程圖形工作站進(jìn)行渲染，指令從用戶終端中發(fā)出，服務(wù)端圖形工作站根據(jù)指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的渲染任務(wù)。渲染完成之后，再將渲染結(jié)果畫面?zhèn)魉突赜脩艚K端顯示，這樣就不需要對(duì)工廠企業(yè)現(xiàn)有電腦的配置進(jìn)行升級(jí)。

由于行業(yè)資產(chǎn)密集，管道元器件數(shù)量龐大，對(duì)渲染引擎的性能要求極高。密集模型的渲染極其消耗算力，在硬件設(shè)備性能不足時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)加載緩慢、操作卡頓等問(wèn)題，難以實(shí)際應(yīng)用。目前市面上的三維引擎或是基于國(guó)外商業(yè)引擎進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)自主可控；或是受限于自研引擎的周期過(guò)長(zhǎng)，投入不足，性能上不盡人意，難以支撐流程行業(yè)大規(guī)模場(chǎng)景的渲染需求。投入數(shù)百名研發(fā)工程師，花費(fèi)上千萬(wàn)資金，自主研發(fā)出一款為流程行業(yè)量身打造的超高性能三維渲染引擎，引擎具備以下優(yōu)勢(shì)。

為解決硬件依賴問(wèn)題，將三維渲染、復(fù)雜計(jì)算等工作置于后端高性能服務(wù)器上進(jìn)行。因此渲染需求雖高，但對(duì)客戶端設(shè)備卻無(wú)任何要求，配置再低的電腦都可以做到網(wǎng)頁(yè)端極速瀏覽。而相對(duì)于市面上主流的前端渲染技術(shù)路線，后端渲染的方案無(wú)需大范圍升級(jí)用戶電腦，極大節(jié)省升級(jí)成本，也為用戶實(shí)際操作提供了相當(dāng)大的便捷。

為更好適配流程工廠的建模需求，基于長(zhǎng)期研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出一整套流程行業(yè)專用的三維圖形庫(kù)。圖庫(kù)中包含了設(shè)計(jì)文件中需求的所有三維體元，擁有完整的三維表達(dá)能力，能夠真實(shí)反映出工廠中每一個(gè)零部件實(shí)體的幾何尺寸和物理性狀，覆蓋全專業(yè)的三維渲染需求。

4 管道預(yù)制設(shè)計(jì)的基本方法

管道預(yù)制設(shè)計(jì)通過(guò)解析設(shè)計(jì)IDF或PCF文件，后通過(guò)對(duì)模型文件添加焊口等操作對(duì)模型進(jìn)行二次加工后，生成滿足施工需要的圖紙，流程如圖1所示。

圖1 預(yù)制設(shè)計(jì)流程

管道預(yù)制設(shè)計(jì)通過(guò)解析IDF/PCF等格式設(shè)計(jì)文件，獲取預(yù)制設(shè)計(jì)所需三維設(shè)計(jì)模型，以及管線的設(shè)計(jì)信息，作為相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)文檔，并作為預(yù)制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。IDF接口工作流程如圖2所示。

圖2 IDF接口工作流程

焊縫點(diǎn)插入：通過(guò)解析的IDF文件，設(shè)計(jì)已經(jīng)對(duì)管件與管線端口位置、管件與管件端口位置插入了焊縫點(diǎn)。通過(guò)分析設(shè)計(jì)模型上長(zhǎng)距離管線設(shè)計(jì)并未做分段處理，需要輸入單根管線的長(zhǎng)度對(duì)長(zhǎng)管段進(jìn)行分段并在兩根管線的端口插入焊縫點(diǎn)。

焊縫編號(hào)插入：焊縫的編號(hào)規(guī)則確認(rèn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和規(guī)范要求，焊縫大致分為對(duì)接焊縫其焊縫編號(hào)按阿拉伯?dāng)?shù)字流水編號(hào)、管道支管連接接頭其焊縫編號(hào)用“D”標(biāo)記加阿拉伯?dāng)?shù)字流水號(hào)后綴表示、管道角接接頭其焊縫編號(hào)用“C”標(biāo)記加阿拉伯?dāng)?shù)字流水號(hào)后綴表示。設(shè)置好編號(hào)規(guī)則系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別設(shè)計(jì)信息中的介質(zhì)流向，按流向方向統(tǒng)一進(jìn)行編號(hào)。

在三維模型中直接添加焊口編號(hào)，在視覺(jué)效果上更加直觀，技術(shù)人員還可以依靠三維模型進(jìn)行更深層次的焊口二次設(shè)計(jì)，劃分更詳細(xì)的預(yù)制管段。預(yù)制設(shè)計(jì)軟件還能快速自動(dòng)統(tǒng)計(jì)工程寸徑量，且可以按照不同的管線材質(zhì)類型詳細(xì)統(tǒng)計(jì)工程量，節(jié)省了技術(shù)員統(tǒng)計(jì)的時(shí)間并提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。通過(guò)解析IDF文件，系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出每條管線的所有材料清單，并能導(dǎo)出excel表格文件，方便現(xiàn)場(chǎng)管理人員快速進(jìn)行材料統(tǒng)計(jì)，極大節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員耗費(fèi)的時(shí)間和精力。

5 管道預(yù)制設(shè)計(jì)軟件的功能特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

基于設(shè)計(jì)院提供的管道軸測(cè)圖的IDF/PCF模型源文件，管道預(yù)制設(shè)軟件專業(yè)的二次深化設(shè)計(jì)，更好地在工程建設(shè)期間為重難點(diǎn)管道安裝工程提供優(yōu)質(zhì)高效服務(wù)，大幅減少了管道安裝工程在前期的扒圖扒料技術(shù)準(zhǔn)備的時(shí)間和專業(yè)技術(shù)人員數(shù)量和精力，為現(xiàn)場(chǎng)施工單位減負(fù)增效，為加快工程項(xiàng)目建設(shè)提供技術(shù)支持。

5.1 支持解析不同設(shè)計(jì)院的IDF/PCF源文件

在系統(tǒng)中按不同設(shè)計(jì)單位的IDF/PCF源文件格式要求，編輯配置數(shù)據(jù)解析包，全廠不同設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的其他裝置單元的IDF/PCF源文件的解析所有施工單位都可以直接使用，PCF文件配置如圖3所示。

圖3 PCF文件配置

5.2 二次深化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易快捷

在管道預(yù)制設(shè)計(jì)功能中先對(duì)較長(zhǎng)管段根據(jù)材料實(shí)際采購(gòu)長(zhǎng)度進(jìn)行一鍵批量分段，系統(tǒng)自動(dòng)在較長(zhǎng)管段中按照分段的長(zhǎng)度插入焊縫，然后一鍵點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的焊縫編號(hào)功能，系統(tǒng)會(huì)快速地在管線模型中插入焊縫，并根據(jù)行業(yè)規(guī)范同時(shí)生成帶有不同焊口類型前綴的二次設(shè)計(jì)的焊口編號(hào)。根據(jù)施工單位不同程度的預(yù)制加工深度，在系統(tǒng)中點(diǎn)選預(yù)制或安裝焊口/管線功能，系統(tǒng)自動(dòng)在焊口編號(hào)后面添加固定口標(biāo)識(shí)。二次設(shè)計(jì)功能如圖4所示。

圖4 二次設(shè)計(jì)功能

5.3 自動(dòng)識(shí)別、追溯變更

當(dāng)遇到設(shè)計(jì)升版變更時(shí)，在上傳IDF/PCF升級(jí)版本功能上傳設(shè)計(jì)升版變更源文件，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行設(shè)計(jì)文件的數(shù)據(jù)核查和比對(duì)，將空間位置未發(fā)生變化的焊縫覆蓋到升版IDF/PCF文件中，并對(duì)舊版本文件進(jìn)行全新的繼承與替換?？臻g位置發(fā)生變化的管段系統(tǒng)支持延續(xù)上一版最后一個(gè)編號(hào)順延補(bǔ)全其他的焊口編號(hào)。

5.4 多方面利用源文件解析后數(shù)據(jù)

通過(guò)解析設(shè)計(jì)單位的源文件數(shù)據(jù)，提取出管線的材料統(tǒng)計(jì)表，配合預(yù)制設(shè)計(jì)生成管段材料表，針對(duì)焊縫生成焊縫兩側(cè)元件明細(xì)清單，并生成管線和焊口數(shù)據(jù)基本信息，為現(xiàn)場(chǎng)管道施工工程焊接、熱處理、焊口無(wú)損檢測(cè)、生成資料等其他工序提供數(shù)據(jù)支持。

6 實(shí)踐應(yīng)用

本文從天津石化某乙烯項(xiàng)目的建設(shè)中，對(duì)設(shè)計(jì)單位和施工單位進(jìn)行調(diào)研，并收集設(shè)計(jì)原模型文件，從設(shè)計(jì)模型中選取比較典型的IDF文件進(jìn)行了上傳，并進(jìn)行了管道預(yù)制設(shè)計(jì)。

首先對(duì)焊口編號(hào)規(guī)則進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)不同行業(yè)對(duì)焊縫編號(hào)規(guī)則的要求，可以在系統(tǒng)中進(jìn)行自定義的配置，滿足不同行業(yè)規(guī)范要求。焊口規(guī)則設(shè)置如圖5所示。并且根據(jù)最長(zhǎng)管段提示，決定是否需要?jiǎng)澐止芏巍?/p>

圖5 焊口規(guī)則設(shè)置

其次對(duì)導(dǎo)入的IDF文件進(jìn)行焊口設(shè)計(jì)，點(diǎn)擊重新編號(hào)功能，系統(tǒng)自動(dòng)插入焊縫圖標(biāo)和生成焊縫編號(hào)，輔助施工單位進(jìn)行不同深度的二次設(shè)計(jì)。并且施工單位可以根據(jù)實(shí)際需求手動(dòng)更改焊口編號(hào)。根據(jù)源文件大小，每條管線生成焊縫編號(hào)的時(shí)間在3～15 s時(shí)間不等，而且對(duì)管線中管段較長(zhǎng)和比較復(fù)雜的管線，生成的焊縫數(shù)量和類型準(zhǔn)確，還可以批量對(duì)管線進(jìn)行焊縫編輯，提高了工作效率和準(zhǔn)確率，減少專業(yè)技術(shù)人員的投入，減少后續(xù)施工過(guò)程中增減焊口的影響，提高裝置工程統(tǒng)計(jì)算量的精確度。自動(dòng)標(biāo)注焊口如圖6所示。

圖6 管線自動(dòng)標(biāo)注焊口號(hào)

管線二次設(shè)計(jì)完成后，對(duì)快速、批量出圖進(jìn)行了測(cè)試，每條管線生成圖紙的時(shí)間不超過(guò)30 s，而且還可以根據(jù)項(xiàng)目要求自行設(shè)置出圖的分圖點(diǎn)，滿足項(xiàng)目個(gè)性化使用需求。經(jīng)過(guò)計(jì)算解析，增加了材料下料尺寸這項(xiàng)重要信息，更加方便現(xiàn)場(chǎng)操作班組的實(shí)際操作。自動(dòng)生成施工圖如圖7所示。

圖7 施工圖管理

通過(guò)對(duì)收集到的變更圖紙進(jìn)行導(dǎo)入測(cè)試，將變更后的源文件上傳到管道預(yù)制設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，利用版本比對(duì)功能，能快速查找發(fā)現(xiàn)有變更的位置，并且繼承變更前的焊口編號(hào)。對(duì)變更前后的材料進(jìn)行了對(duì)比，并標(biāo)出變更前后減少、增加的材料，不需要專業(yè)技術(shù)人員逐張圖紙的比對(duì)，減輕人員負(fù)擔(dān)，提高工作效率。變更圖紙對(duì)比如圖8所示。

圖8 變更圖紙對(duì)比

通過(guò)項(xiàng)目的應(yīng)用，管線施工中的信息已全部獲取，并可以指導(dǎo)施工，經(jīng)過(guò)測(cè)試出圖速度可達(dá)1 min 1張。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)一名技術(shù)人員一天可以完成500張的圖紙預(yù)制設(shè)計(jì)工作。比傳統(tǒng)的方式效率大大提高。

7 結(jié)語(yǔ)

管線詳圖二次深化設(shè)計(jì)是現(xiàn)場(chǎng)管道安裝工程的基礎(chǔ)。相較傳統(tǒng)用手工在PDF版設(shè)計(jì)圖紙上標(biāo)記焊口，或用CAD軟件逐個(gè)配件逐張繪制單線圖的深化二次設(shè)計(jì)，工作量過(guò)大，而且需要投入相當(dāng)多的人力，加之現(xiàn)場(chǎng)施工單位要二次設(shè)計(jì)單線圖比較緊急，以前的管理辦法已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)在的施工進(jìn)度要求。因此，采用管道預(yù)制設(shè)計(jì)系統(tǒng)輔助施工單位完成管線的二次深化設(shè)計(jì)，能極大提高施工單位的工作效率，減輕專業(yè)技術(shù)人員的壓力負(fù)擔(dān)，為在項(xiàng)目上的管理人員節(jié)省技術(shù)上投入的時(shí)間，能有更多的時(shí)間投入到項(xiàng)目的管理協(xié)調(diào)上，為項(xiàng)目工程建設(shè)提供良好的技術(shù)支持，加快推動(dòng)項(xiàng)目的建設(shè)。