田 林，杨志宏，黄鹏飞，汪程鹏，蒋立东，王晓丽，张尊良，单 科

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

近年来，三维设计已成为工业领域的主要设计手段，其中,PDMS三维设计软件的管道设计模块功能强大，软件侧重于三维配管，因此成为众多管道设计专业人员的首选设计软件。利用PDMS三维设计软件可实现水处理工程中各专业的等比例三维建模，设计清晰直观，便于各专业间配合与协同设计、有效避免碰撞，材料统计与施工图纸出图快速准确。借助PDMS软件，能够在很大程度上提高设计工作效率与质量，准确指导工程现场施工[1]。

1 PDMS软件功能特点

PDMS(Plant Design Management system)即工厂三维布置设计管理系统，具有以下主要特点：

(1)直观可读性。PDMS可实现全比例三维实体建模。设计人员在三维设计环境中直观查看与分析设计模型，可及时发现设计问题，提高设计准确性[2]。

(2)检测性。在交互设计过程中，PDMS实时三维检查元件和各专业设计之间的碰撞，在整体上保证设计结果的准确性，避免现场施工中出现管路碰撞问题而增加施工难度。

(3)数据独立性。PDMS拥有独立的数据库结构，元件和设备信息全部可以存储在参数化的元件库和设备库中，不依赖第三方数据库。在满足设计需求的前提下，库中的管件、阀门、结构钢等可直接调用于设计之中。

(4)数据共享性。PDMS通过网络可实现多专业实时协同设计，每个设计人员可随时查看其他人员正在进行的设计，从而实现设计数据的共享与集成。相比于将传统的串行作业方式，多专业协同设计更加高效[3]。

(5)自动出图。PDMS 可根据三维设计图导出为平面、剖面、轴侧等施工图纸，并实现尺寸自动标注，避免了传统出图方式中大量的图纸剖切与标注工作。

(6)报表统计。通过自定义报表格式，利用PDMS生成钢结构料单、管路管件清单、阀门表、设备表、电缆表等报表，从而为工程材料采购、现场安装备料等提供依据，有效控制采购与安装成本，减少材料浪费。

(7)开放的开发环境。PDMS软件具有可拓展特性，为用户提供了DARs、PML和AVEVA.Net(C#)三种二次开发方式，可以用来定制功能和图形用户接口，可根据需求开发新功能，使设计工作更加便捷。

2 水处理工程三维设计实例

2018年，设计单位承建了宁夏某化工企业焦炭气化制烯烃除盐水处理工程，工程中所有设备、管道、支吊架等施工图纸全部利用PDMS软件设计、出图而成，有效保障了工程设计与施工进度。

从工程前期准备、三维设计、设计检查、报表统计、施工图纸出图、现场施工等对PDMS在除盐水处理工程中的应用进行介绍。

2.1 设计资料准备

(1)水处理工艺流程图。通过流程图确定设备、阀门、仪表的工艺位置、清单与样本资料，确定工艺管道的材质、压力、走向。流程图是设备与管道建模的基本依据。该工程采用原水→混合式生水加热→多介质过滤→自清洗过滤→超滤→一级反渗透→二级反渗透→混床的处理工艺，低压管道(1.0 MPa)主要采用UPVC、SS304、碳钢衬塑材质，高压管道(1.6/2.5 MPa)主要采用SS316L材质[4]。

(2)土建图纸与设备平面布置图。土建图纸与设备平面布置图是土建等比例全尺寸三维建模、设备定位的依据。

(3)投标文件、技术协议、合同书。设计人员需提前掌握合同中诸如管道管件标准、支吊架标准、管道布置规定、防腐保温等要求，以便设计工作严格按照规定执行。

2.2 三维建模

2.2.1 项目创建

PDMS项目的建立主要是基于PDMS12.0.SP6版本的Admin模块进行，首先通过项目创建向导新建项目，添加项目信息并选择存放目录，然后进入项目管理模块设置用户名及密码，生成Team(组)与User(用户)，并设置用户权限，最后生成DB(数据库)并建立MDB(工作区)。数据库用于存放三维设计模型和数据、平竖面图及平面出图定制库、元件库与等级库、元件库参考的材料属性、用户自定义属性等内容。

该工程按处理系统进行区域划分，共建立了1个组5个用户，用户在各自权限范围内分别负责预处理车间、一号厂房、二号厂房、混床间、室外5个区域的设备建模、配管及出图等工作。

2.2.2 管道元件库与等级库建立

管道元件库与等级库是利用PDMS的Paragon模块建立。元件库用于存放直管段、弯头、三通、活接、法兰、阀门等管道元件，等级库是将管道元件进行定义并生成等级存放到等级库内。设计人员需要根据实际工程管道材质、压力等级等要求进行管道元件、等级的新建，或者直接调用现有的管道等级库和元件库[5]。

元件库与等级库的建立是一个随着工程项目的积累而逐渐丰富的过程。目前设计单位的PDMS管道元件库与等级库涵盖了压力等级PN10～PN100、管径DN8～DN800的多种材质(UPVC、FRP、HDPE、SS304、SS316L、SS2205、Ti)与标准(国标GB/JB、英标SB、德标DIN、美标ANSI等)的管道元件。元件库与等级库是三维配管的基础，数据库的丰富性与准确性直接决定设计效率与精度，因此建库时需严格执行相应标准，避免源头数据错误。

2.2.3 各专业三维建模

(1)土建建模。土建建模是按照土建会签图纸对厂房建筑、设备基础、管沟、排水沟、预埋件、墙体孔洞等内容进行等比例三维建模。土建三维建模有助于对工程的整体把握，便于系统区域划分，是设备定位的基础，决定着三维配管的整体走向。该工程利用PDMS的Design模块Structure-Walls & Floors功能完成了预处理车间、一号厂房、二号厂房、混床间、室外区域的土建建模。土建建模效果如图1所示。

图1 土建三维设计模型Fig.1 Three-dimensional design model of civil engineering

(2)设备建模。设备建模可分为单体设备建模和撬块建模。单体建模是对水泵、过滤器等设备按照样本尺寸单独创建；撬块建模是指按整体工艺划分出多个分系统，每个分系统看作一个整体进行建模，如超滤系统主机、反渗透系统主机等，撬块内不仅包含单体设备、还包含管路、阀门、仪表、设备机架等，并预留进出水接口，便于与外部管道连接。

单体设备的建模是通过Design-Equipment模块进行，由各种几何外形的基本体搭积木方式构成，并赋予准确的管嘴等级、管径、连接信息等属性。设备的命名应严格按照工艺流程中设备位号命名，管嘴以“设备名+进/出口+公称直径”方式命名，良好的命名习惯便于模型信息查看，有利于后期出图时正确抽取设备及管嘴属性信息实现自动标注[6]。

撬块建模需要根据工艺流程，结合设备位置、外形特征、进出口位置，充分考虑设备定位与管路走向的合理性、操作方便性、实用性、安全性。设计时需对撬块进行多次地改进与调整，从而达到最佳效果[7]。浓水反渗透主机三维建模与工程现场实际安装效果对比如图2所示。

图2 浓水反渗透主机三维模型与实际安装效果对比图Fig.2 Comparison of three-dimensional model and actual loading effect of concentrated water reverse osmosis main machine

(3)管道建模。管道三维建模是PDMS软件最核心的功能，也是最能体现三维设计优越性的部分。该工程工艺较复杂，整个工程管道繁多、纵横交错，且涉及多种管道材质与压力等级。利用PDMS软件的Design-Pipework模块，依照工艺流程确定管道头尾走向、压力等级、材质、管径、保温、碰撞空间等参数，参照土建模型合理进行三维管道的布设[8]。

二号泵房管道三维设计模型与现场施工效果对比如图3所示。

图3 二号泵房三维模型与实际安装效果对比图Fig.3 Comparison of three-dimensional model and actual loading effect of No. 2 Pump House

传统设计方式依靠设计人员空间想象进行二维设计，耗费精力，出错率高。PDMS三维配管不仅直观方便、设计效率高，而且可保证管道信息的准确性以及避免管道之间的碰撞，提高设计质量与准确性。

(4)支吊架建模。管道支吊架设计是水处理工程设计的一项重要工作，支吊架具有支撑管道、控制管道中热力位移、应力集中和动力影响的作用。PDMS管道支吊架设计可分为两种情况，一种是配管人员通过PDMS软件的MDS支吊架设计模块，直接调用软件自带模板选取支吊架形式、材料、支吊架位置及生根结构自动生成支吊架；一种是通过PDMS软件Structure-Beams&Columns模块依照支吊架施工图纸直接进行三维模型搭建[9-10]。

该工程通过配管设计人员向设计院提供管道平面布置图、管道荷载条件图、管支架基础位置图等资料，由设计院完成支吊架、基础、埋件的设计与出图。三维配管人员再按照支吊架施工图纸进行了等比例三维复原，以配合三维配管以及碰撞检查等工作。室外管支架三维模型及工程现场实际安装效果对比如图4所示。

图4 室外管支架三维模型与实际安装效果对比图Fig.4 Comparison of three-dimensional model and actual installation effect of outdoor pipe support

(5)仪表电气建模。仪表、桥架、电缆敷设主要利用PDMS软件的Equipment、Cable Tray、Cabling System模块进行建模。由于电气部分由专业的电气公司设计，考虑到避免电缆桥架与设备及管道发生碰撞，故三维设计时按照电气公提供的电缆桥架及支架图对桥架及支架的进行了三维复原。设计过程中未进行仪表三维建模，但在设备及管道三维设计过程中充分考虑并预留了仪表及电气的安装接口与安装空间。

2.3 设计检查

设计检查贯穿于整个设计过程，主要包括：

(1)模型检查。通过PDMS软件直接查看模型属性，核对各专业模型尺寸与图纸或样本资料是否一致；核查设备、管嘴、管道的命名与工艺流程编号是否一致；核查管道的管径、材质、压力等级是否符合工艺要求；仪表接口位置是否与工艺一致。

(2)合理性检查。检查三维设备及管道的位置、走向布设是否合理。

(3)管道数据一致性检查。PDMS数据一致性检查功能主要是检查管路相邻两个元件是否在同一方向、是否同一轴向、是否管径一致、连接形式是否匹配，检查管段长度是否小于预定义的最小值，最后生成数据一致性检查报告，从而真实、准确、快速地反映出管路设计过程中出现的错误[11-12]。

(4)碰撞检查。通过PDMS碰撞检查功能对土建、设备、管道、钢结构等模型间的碰撞进行检查，及早发现设计问题、及时修改模型，避免在现场施工过程中因碰撞或干扰问题增加施工难度、延误工期[13]。

2.4 生成报表

生成报表即材料统计。PDMS报表是通过report功能实现的，利用系统自带报表模板可生成管件描述表、管段表、管嘴表、阀门元件表、钢结构元件表、管段中心长度表、管段坡度表、螺栓表等。报表是PDMS软件完全根据设计模型抽取出的相关数据与信息，因此报表的准确性取决于各专业的三维模型的准确性。相比于传统人工统计工程料单的方式，PDMS报表功能不仅有效降低了统计工作量、减小材料统计误差，而且有利于采购部门准确采购，便于设备加工与现场安装过程中的备料与下料，避免材料浪费。

2.5 施工图纸出图

PDMS三维设计软件具有强大的出图功能，主要包括Draft、IsoDraft两个出图模块，其中Draft模块用于设备、管道等平面图纸的出图，IsoDraft模块用于管道标准轴测图(ISO)的出图。在两个出图模块下均可自动生成Auto CAD格式图纸，便于设计人员对图纸的修改、整理与打印。

Draft图形是三维模型在各个平面和角度上的直接投影，其唯一数据来源是Design模型，模型外形与尺寸的准确性决定了Draft图形的精度。Draft具有自动出图、尺寸标注、引线标注、打印、AutoCAD输出、二维绘图、Draft更新、手动出图、详图、剖切等功能，且通过对图框、线形、线宽、颜色、显示范围、标注样式等内容进行出图定制，以满足实际工程的出图要求。Draft功能可获取各方向的视图与三维立体视图，三维立体视图配合平面视图，图纸读图更加方便准确。此外设计人员可根据出图需要利用Draft的剖切功对设备管道图纸进行任意方向、任意高度、任意层级的图纸剖切，相比于传统二维剖切绘制图纸的方式更为快捷、准确[14-15]。

PDMS软件的IsoDraft模块，通过数据一致性检查后，根据工程图纸要求定制图纸内容(如图框格式、图面布置、料单内容、保温伴热、流向、标注样式等)，自动抽取三维管道信息生成管道轴测图，并生成材料控制、切管长度报表、中心长度表、支吊架汇总表、螺栓表等报告文件[16]。

2.6 现场施工

由于PDMS三维设计准确度高，可有效避免各专业碰撞或干扰情况，图纸变更量很小，有效降低了现场施工难度以及后期竣工图纸出图工作量。PDMS生成的各种料单或文件齐全，不仅节省了施工人员材料统计与备料时间，而且减少了材料的浪费。在施工人员对图纸有疑问或读图困难时，设计人员还能够快速查看三维模型进行安装指导。

3 三维设计的注意事项及存在的问题

PDMS三维设计是工程施工的依据，设计时要确保各专业设计的准确性、合理性与方便性。该工程设计过程中存在的一些问题和需要注意的事项：(1)设计注意事项。①核查三维模型的准确性，包括外形尺寸、材质、等级、选用标准等，确保源头数据无误。②三维模型命名规范化。设备、管嘴、仪表、管道等命名均应保持与工艺图设备位号、仪表与管道编号等一致。命名准确规范有助于直观迅速查找目标模型或查看名称信息，可避免由于自动出图时抽取的模型名称不准确造成图号或标注信息错误，增加二次标注工作量。③确保设计的合理性。撬块内部的设备管道系统布置应做到简捷美观、布局合理紧凑、便于操作与观察、便于安装维护、路径最佳、流速合理、水力损失小、强度和刚度足够，还要考虑防振动、防磨损、防腐蚀和防堵塞等方面。外围主体管道设计，应遵循大管道在下、小管道在上、输送腐蚀性介质的管道在下的原则，应尽量避开窗户，方便支吊；所有管道系统上应尽量提供高位点排气和低位点排水措施；室外水箱接口处管道应采用柔性连接以便于维修更换以及防止震动损坏或建筑沉降带来的影响。(2)设计存在的问题。PDMS出图模块的自动标注功能还需进一步完善。在一张图幅多条管道出图的情况下，经常会出现管道标注位置重叠的问题，而且软件自带标注样式经常不能满足工程图纸出图规范，需要人工二次调整的工作量较大。可考虑借助二次开发进一步完善软件的自动标注功能，使出图工作更加方便快捷[17]。

4 结论

在水处理工程设计中，通过PDMS三维设计软件进行各专业的三维等比例建模、出图，简化了工程设计步骤，使设计工作更加清晰直观，在设计过程中能尽早发现设计错误与碰撞问题，避免施工过程中出现问题影响施工进度。PDMS三维设计很大程度上提高了设计效率与设计质量。PDMS软件功能强大，设计人员还需进一步挖掘软件功能，或通过二次开发手段进行功能强化。随着计算技术的发展，PDMS软件功能会越加完善，在水处理行业工程设计工作中也将发挥更大的作用。