李汪灏,戈新锐

(中国石油工程建设有限公司华北分公司,河北 沧州 062550)

随着信息技术和数字化技术的高速发展,迎来了以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式的变更。化工行业大力推进信息化和产业的融合,一直在积极构建信息化发展平台,其中化工工程设计行业也在从最初的二维设计,逐步向数字化工厂设计及交付、工厂的全生命周期设计及管理、可视化三维设计等工作模式进行转变。如今的三维设计技术已经十分成熟,对于设计单位与建设单位而言,三维建模可以实现精细化设计与协同设计,并且可以对建筑工程进行舒适性能、安全性能、环境性能、经济分析和造价控制等多维度的性能化模拟分析,在优化设计周期、提高设计质量和数字化移交等方面都具有十分显著优势,也是实现数字化、信息化、智能化的有效手段,三维设计已经是设计行业的主流趋势[1]。

随着三维设计的逐步发展,“三维协同设计”的理念也在逐步推行。三维协同设计可以简单地认为是配管、机制、建筑、结构、自控、电气、暖通等全专业通过软件进行全比例三维实体建模,工程质量和进度、成本控制都与三维协同设计息息相关[2]。以配管专业而言,传统的配管方式是在AutoCAD中进行设计,对于复杂安装而言,传统配管的设计难度非常大,并且需要利用人工的方式进行材料的统计,工作量大、精确度低,设计质量也难以保证,不适用于完成高效率、高质量与高经济效益的复杂设计项目。而通过三维协同设计实现可视化设计,可以大大降低设计难度,实现设计精细化,提高设计质量,减少施工现场变更,计算机精确统料来实现成本控制,最终并可以进行数字化交付。对于数字化交付而言,已经应用在很多化工厂之中,其具有可提高运维效率和维修安全性、减少返工停车重建时间、提高各种数据在运维期间的利用率等显著优势[3]。为了实现数字化交付,最基本的就是需要一个全专业全工厂的三维模型,此模型是重要数据的载体[4],也是数字化交付的基础要求,其次是基于模型而建立的交付平台,由此可以看出全专业三维模型的重要性。

三维设计的发展,伴随着设计软件的功能愈加完善,性能更加稳定。在化工工程项目而言,管道专业在三维协同设计中占比较大,所以通常是以管道专业三维软件作为三维协同软件,此类软件不仅可以对管道进行建模设计,还应可以进行全专业的建模,并且能对设备、管道、仪表、电气、结构、建筑、总图等各类资料进行整理归纳和数字化。现在市场占有率较高的管道专业三维软件为PDMS(E3D)、SP3D、PDS、CADWORX、AutoPLANT Piping等。本文是在PDMS/E3D软件的基础上,探讨三维协同设计在实际化工工程项目中的优势、问题以及可能的解决方法。

1 三维协同设计的工作流程

PDMS(Plant Design Management System)软件是工厂布置设计管理系统,由英国AVEVA公司开发,是大型工厂三维设计系统软件,广泛应用于石油、化工、电力和发电厂等工程项目的设计阶段[5],如今的PDMS已经停止了服务,并且AVEVA已经决定PDMS在2024年前会逐步退出市场,将其E3D软件取代PDMS,与PDMS相比,AVEVA E3D更强大、更先进、更高效。三维协同设计就需要多专业在PDMS/E3D平台进行三维建模。在建模之初,需要数据库管理人员针对特定项目编制数据库。数据库的编制主要包括元件库、等级库与特性库,其中元件库是指存储元件的具体外形形状、数据与描述的数据库,等级库是按照项目等级表关联元件库后的关系数据库,特性库则是储存元件的壁厚、重量、材料等特性特征。待数据库编制完成后,各专业设计人员才可以进行三维建模。

三维协同设计包含但不仅限于总图专业的平面、竖向、轴网建模,其中轴网是多专业协同设计参考定位的依据,在生成平面布置图时可以生成轴网号方便定位,除此以外还需要在三维平台上搭建道路、围墙、地形、雨水沟等内容,总图作为上游专业,其专业所搭建的内容影响下游专业整体的布置方案;建筑专业需要对建筑物进行建模,应该包括建筑物的墙体、地面、屋顶、门窗等;对于设备建模而言会比较特殊,对于非标设备而言,会由设备专业进行设备本体的建模,然后由配管专业继续设备布置,对于外购设备而言,会要求相关厂家提供三维模型,导入软件之后由配管专业进行设备布置,待设备布置完成后,初步搭建设备基础,作为给结构专业提资时使用;结构专业需要针对各专业的提资情况,搭建管廊、基础等模型,替换各专业用于提资的模型,保证三维平台上模型的准确性;电气、仪表专业需要对桥架等建模,其中电气工程师还需要在三维平台上搭建灯杆、灯塔、摄像机杆等设备,方便后期的碰撞检查;暖通专业对建筑物内供暖、通风等建模等;工艺专业编制智能P&ID,用于进行二、三维校验;配管专业是三维设计中的重要组成部分,在进行管道安装设计时需要严格遵循P&ID要求,在整体布局合理的情况下,满足工艺上的集成和优化,并考虑远期扩建的需求,配管专业需要提资的东西较多,主要需要与电气、仪表、结构等专业提委托,所以配管专业在三维平台上的建模准确程度、深度影响较大。图1为某设计项目中过程中,三维协同设计所涵盖的专业。

如今的多专业三维设计,会进行各个阶段的模型审查,建模深度是随着阶段逐步加深,各个阶段的审查就是为了保证项目进度可以满足要求,并保证整体设计方案是没有问题的。在各个阶段的模型审查中,还需要分别进行专业审查、业主的审查,待各类审查均没有问题的情况下,方可生成设计成果。在正式审查以外,还需要经常进行二、三维校验、管道应力分析计算与碰撞检查,这些检查也是三维协同设计的主要优势,对于三维协同设计的过程是一个循环修正的过程,在检查本专业内容的同时,也需要查看其余专业的设计内容,可以清楚的了解各个专业的设计思路,避免碰撞与冲突的发生,例如碰撞检查、应力分析就需要贯穿整个项目的设计过程,因为一个专业的调整通常会牵扯到相关专业的调整,不能等到所有专业完成建模后再进行,否则调整的工作量较大,调整起来也不方便,有时甚至会造成设计返工的发生,影响到项目进度。对于三维协同设计而言,就需要参与三维设计的各专业工程师密切配合,及早发现问题,及早解决问题。图2为三维协同设计的简易工作流程。

图2 简易工作流程

三维协同设计的实时性、高效性,使其工作流程有异于传统设计的工作流程。因三维协同设计涉及多个专业的建模,其建模的工作分工是比较重要的一个内容,而不同的设计公司,根据自身的环境和情况,专业间的工作分工各有不同,从而也会有各自不同的三维协同设计的工作流程,所以在制定工作流程的时候,也需要考虑自身的情况,保证所制定的工作流程可以准确地引导各专业开展三维协同设计。

2 三维协同设计的优势

2.1 项目进度精细管控

在三维设计过程中,各专业均需要进行三维建模,并且在三维建模的过程中,需要各个专业进行交流协作和信息共享,这样会减少很多不必要的流程,实现工作流程的简化;对于项目整体而言,因为是全比例的三维实体建模,做到所见即所得,所以可以较为方便地掌握各专业的设计进度,保证各个计划节点可以按时完成。

2.2 设计质量的提高

由PDMS/E3D软件进行模型建模以后,可以通过软件自行导出所用材料数量,并进行整理汇总,保证所用材料材质、数量的准确性,避免人工统计容易出错的问题,除了导出材料以外,也可以直接导出平面布置图、ISO图等,保证设计成果的准确性。

三维模型可以直观的体现设计内容,准确的体现各专业的整体设计方案,对设计内容与设计方案进行审查时,更容易从整个项目工程的宏观角度去校审设计成果,提高了校审质量;对于实际工程项目而言,现场主要问题大部分是碰撞问题,有本专业自己的碰撞,也有与其他专业发生碰撞,而当多专业进行三维建模后,就可以将可能发生的设计问题在设计阶段就进行解决,软件中可以进行数据一致性检查、碰撞检查等,通过此功能,可以直观方便地对模型进行检查,有效避免了各专业之间的交叉碰撞和本专业内部的交叉碰撞,大幅度地提高设计质量和设计效率,减少施工过程的设计变更及工期的拖延。图3为某天然气液化储配项目进行的碰撞检查。

图3 某天然气液化储配项目的碰撞检查

2.3 可视化促进沟通

在以往的二维设计模式中,各专业的设计成果均在最后阶段体现在二维图纸之中,不能直接、实时地检查出问题,而可视化作为三维协同设计的主要优势,可以较好地解决这个问题。在进行三维协同设计时,将各专业的信息汇集到一起,在一个平台建立模型,各个专业均可以得到整个项目的信息,促进各专业的沟通交流、信息互通,例如在设计项目提资过程中,会存在因为设备调整、安装调整等而多次提委托的情况,而各专业进行了三维建模,委托文件与建模情况就可以相互对应,避免信息不对等、接收文件错误等导致出现设计错误[6];除此以外,业主也可以随时浏览三维模型并提出意见,降低后期的调整返工。

2.4 精准地成本预算

随着精细化设计要求的提出,精准的材料统计功能成为必要的需求。在建立准确的三维模型信息与项目数据库的基础上,通过软件方便、快速地实现精准的材料统计,完全满足设计精度和深度的要求,并且根据相关公司或项目要求,可以对材料进行编码,方便采购等相关操作,降低人工统计而产生错误的风险。

2.5 数据的关联

在传统化工工厂建设交付中,主要是提供各类纸质或电子的设计图纸、计算书,采购阶段的装箱清单、使用说明书,施工阶段的各种施工记录等,这些纸质或电子资料经常都是独立的、零散的,各种资料之间的关联性并不强,并且保存不易,以及十分不方便查询,这些问题对后期运维工作造成了极大的困难。而通过三维协同设计,以此为基础去构建数字化交付平台,以工厂对象为核心的模型进行组织[7],从而得到整个工厂的动态、静态信息,让各种信息得到交互关联,可以轻松、快捷、准确地得到各种信息,进而也实现了企业的数字化转型,方便了企业后期的运维工作。

2.6 数字化交付

建设数字中国已成为各行业的重要指导目标,数字化交付作为一种新型交付方式,是通过数字化的交付平台,将设计、采购、施工等阶段产生的各种数据、资料、模型以标准数据格式提交给业主的交付方式。通过数字化交付平台,可以得到一个能够真实反映现场物理情况的多维数字工厂,在这个平台上可以实时地查看设备的位置、参数、运行状态等信息,通过对数据的综合利用,可以实现智慧化运维与管控。

三维模型则是整个数字化交付中的主要内容,这个三维模型就需要包含全专业三维设计内容。通过三维协同设计,在设计的同时完成全专业建模,避免了再去搭建三维模型的过程,除了在搭建单纯的几何模型以外,也在给模型附带上完整的设计数据信息,这些信息均与项目的数据库有逻辑关系。三维协同设计在对设计阶段存在优势的同时,也是为了顺应如今主流的数字化交付情况。

3 三维协同设计的主要问题与解决思路

三维协同设计存在着显著的优势,但在项目的实际应用过程中,还是存在着一些不可忽视的问题,其中主要的就是PDMS/E3D并不能满足所有专业的设计需求。

PDMS/E3D软件是以管道设计为核心的软件,对于配管专业而言,PDMS/E3D软件可以满足其整个设计内容,没有额外的工作量的增加。而对于其余专业,PDMS/E3D软件并不能满足需求,例如结构专业需要PKPM软件进行钢构的建模计算或者钢筋混凝土配筋的计算等;设备专业需要用UG、solidworks、Anays等一些软件对于非标设备进行建模,例如薄膜罐之类的对计算要求非常高,PDMS/E3D软件根本无法满足其设计要求;应力分析专业需要CAESARII软件对管道系统进行应力计算,根据各种工况计算管系敏感点的应力情况;建筑专业、暖通专业普遍习惯使用BIM软件进行建模等。

这种情况就造成了需要三维协同设计的项目,除了配管专业项目全程采用PDMS/E3D软件进行设计,其余大部分专业均无法全程使用PDMS/E3D进行相关设计。现如今的工作模式还是主要以总图、工艺以二维图为委托提供给配管专业,配管专业在PDMS/E3D上进行建模,待模型深度足够后,导出二维图,再给下游专业提委托,下游专业通过在其他软件上进行建模计算,完成自身的设计后,还需要在PDMS/E3D软件上进行建模,这样二维、三维循环转换的情况,会增大下游专业的工作量,降低工作效率,并且丧失了一部分三维协同设计的优势。

现阶段多款软件的综合利用是无可避免的,部分专业对软件的要求是PDMS/E3D无法满足的,既然无法满足各专业直接在PDMS/E3D软件上搭建模型的条件,那么解决方法可以放在多软件数据接口的方向。AVEVA E3D是AVEVA公司对PDMS的升级,E3D已经新增了电缆敷设、支吊架及矿山运输等设计模块,其数据接口的格式数量在17个左右,对于比较常用的STP文件、IFC4文件、DWG文件、IGES文件、C2文件等均可以导入到E3D之中,可以看出AVEVA公司也在努力实现真正的三维协同设计而努力。E3D软件的开放性较好,可以对E3D软件进行二次开发,部分具备二次开发能力的公司也在研究多软件数据互通的情况,进而将E3D作为设计平台,实现与各软件的数据互通。图4为各类软件与PDMS/E3D之间的接口导入情况。

图4 PDMS/E3D与其余软件的数据接口情况

4 结论

综上所述,三维协同设计在项目进度管控、设计质量、成本控制、可视化沟通、数据关联、数字化交付等多个方面具有十分明显的优势,并且对于需要数字化交付的项目,三维协同设计也是必须进行的。现如今三维协同设计存在的主要问题有单一软件并不能满足所有专业的设计需求,PDMS/E3D软件是以管道设计为核心的软件,对于配管专业而言,PDMS/E3D软件可以满足其整个设计内容,而其他专业在使用PDMS/E3D软件的同时,还需要使用其余软件进行设计,对于此问题的解决思路主要是通过PDMS/E3D软件的数据接口,将其余软件的设计成果导入到PDMS/E3D软件之中。虽然这样可以进行数字化交付,但是与真正的三维协同设计还是存在着不少的差距,其他软件导入的文件,有些仅能导入外形,对于其内部的结构信息并不能完全体现,并且无法进行多专业实时设计,无法实现可视化沟通,实时的碰撞检查也会存在滞后的情况。三维协同设计必然成为工程项目建设的发展趋势,虽然还存在不少问题,但是已经在努力推进三维协同设计的建设,优化各类数据接口,探究软件数据互通的可能性等问题,相信随着相关技术的逐渐完善,会使三维协同设计更加地快捷便利。