Sm artPlant3D概述及其在化工設(shè)計中的應(yīng)用

耿晶晶

中國石化集團(tuán)南京工程有限公司 江蘇南京 211100

Sm artPlant3D概述及其在化工設(shè)計中的應(yīng)用

耿晶晶

中國石化集團(tuán)南京工程有限公司 江蘇南京 211100

本文簡單介紹了Smart Plant系列軟件中的Smart Plant 3D模塊，并結(jié)合筆者所參與設(shè)計的某罐區(qū)項目，從軸線、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道設(shè)計、出圖和材料統(tǒng)計等方面描述Sm art Plant 3D在化工設(shè)計中的應(yīng)用特點。

Sm art Plant 3D 三維模型 工廠協(xié)同設(shè)計

近年來，隨著信息化、數(shù)字化技術(shù)的高速發(fā)展，化工設(shè)計行業(yè)已由單純的二維繪圖系統(tǒng)邁入了以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人工智能技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)等為基礎(chǔ)的工廠協(xié)同三維模型設(shè)計階段。與此同時，傳統(tǒng)的設(shè)計模式已經(jīng)很難滿足設(shè)計行業(yè)對項目質(zhì)量控制、進(jìn)度監(jiān)督管理和信息交換的需求。鑒于這一現(xiàn)象，國際大型軟件開發(fā)設(shè)計公司陸續(xù)推出了多款三維模型設(shè)計軟件，如早期的英國劍橋CAD中心的PDMS、CV公司的CADDS、Intergrah公司的PDS及Bech tel公司的產(chǎn)品。從90年代中期至今，三維模型設(shè)計軟件又有了進(jìn)一步的發(fā)展，進(jìn)入了工廠協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)階段。它增加了對多專業(yè)或多設(shè)計者的跨地域、分布式的交互操作的支持，實現(xiàn)了工廠設(shè)計軟件之間的數(shù)據(jù)無縫集成和共享。國外比較有代表性的工廠領(lǐng)域內(nèi)協(xié)同設(shè)計軟件有Bentley公司的 ProjectW iseTM、Autodesk公司的 RevitTM MEP以及Intergrah公司推出的Smart Plant系列軟件[1]。本文所講述的Smart Plant 3D即為Smart Plant系列軟件之一。

1 Smart Plant 3D概述

Smart Plant 3D是Smart Plant系列軟件的重要組成部分。Smart Plant系列軟件是一款基于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計軟件，該軟件以區(qū)域或系統(tǒng)劃分工廠結(jié)構(gòu)（WBS），統(tǒng)一按照設(shè)計院的設(shè)計規(guī)則及工作流程來進(jìn)行設(shè)計，并可進(jìn)行各模塊之間的集成，便于設(shè)計信息的查詢和管理，貫穿于設(shè)計、施工到運(yùn)營等完整的工廠生命周期。圖1為Smart Plant系列軟件與整個工廠生命周期的關(guān)系簡圖。

Smart Plant 3D（以下簡稱SP3D）是面向數(shù)據(jù)、規(guī)則驅(qū)動的軟件，是基于數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的一體化多專業(yè)集成布置數(shù)據(jù)庫平臺，極大簡化了工程設(shè)計過程，有效使用并重復(fù)使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，圖2為SP3D的數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)簡圖。結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道建模都在此模塊中完成。此外，SP3D還可以通過Smart Plant系列軟件中的Smart Plant Foundation接收Smart Plant P＆ID發(fā)布的數(shù)據(jù)，將3D中的模型與P＆ID圖紙中的對象進(jìn)行對比驗證，實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)從二維到三維的傳遞、設(shè)計的集成及與P＆ID圖紙的一致性校驗。

2 Smart Plant 3D(SP3D)的應(yīng)用特點

進(jìn)入 SP3D，需要首先定義一個工廠區(qū)域（Define Workspace）。通過過濾器（Filter）的設(shè)置，選擇用戶此次進(jìn)入SP3D所需要顯示的范圍。SP3D可以保存一個個性化的設(shè)置文件（session文件）在電腦桌面上，該文件包含了用戶最后一次保存的視圖、過濾、菜單、軟件設(shè)定等。若用戶在上次退出SP3D程序時未將最新的視圖保存至桌面的session文件，則用戶采用桌面session文件快捷方式進(jìn)入SP3D程序時，必須刷新后才可以得到最新的視圖信息。下文結(jié)合筆者所參與設(shè)計的某罐區(qū)項目，從軸線、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道設(shè)計、出圖、材料統(tǒng)計等方面描述SP3D的應(yīng)用特點。

2.1 軸線設(shè)置

SP3D建模的基礎(chǔ)是由單個或多個用戶使用絕對坐標(biāo)將整個工廠的三維模型建立起來。在這個模型中，用戶可以很直觀地完全預(yù)覽到整個工廠的模型，及時發(fā)現(xiàn)并有效糾正結(jié)合部位的錯誤。石油化工等設(shè)計項目的軸網(wǎng)系統(tǒng)非常繁瑣，需要用到絕對坐標(biāo)和相對坐標(biāo)結(jié)合的方式來完成[3]。SP3D可以使用Pinpoint命令來有效地結(jié)合使用絕對坐標(biāo)和相對坐標(biāo)，并可以定義坐標(biāo)原點。建立起來的軸網(wǎng)系統(tǒng)可以作為全局的參考坐標(biāo)和定位系統(tǒng)，極大地簡便了后續(xù)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道等的布置定位。圖3為SP3D建立的幾種軸線形式。

在實際項目中，并非所有的軸線都是與設(shè)計北向相平行或垂直的，筆者所參與設(shè)計的罐區(qū)項目既是如此。圖4為該罐區(qū)中外管廊單元的軸網(wǎng)系統(tǒng)，它有三部分的軸線是傾斜的，與全局坐標(biāo)(設(shè)計北向)有一定的角度。布置傾斜的軸線，可以利用旋轉(zhuǎn)命令將軸線旋轉(zhuǎn)到所需要的角度，或者直接在建立軸線時，在Bearing一欄輸入所需要的角度即可。依據(jù)管廊和交換站的位置、高度、層高及跨度等結(jié)構(gòu)條件，可以建立不同的坐標(biāo)系，通過該軸網(wǎng)系統(tǒng)，可以很清楚地知道該罐區(qū)外管廊的整體布局，并可方便地確定管廊柱與梁的位置。

2.2 SP3D在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的特點

SP3D在結(jié)構(gòu)建模方面最大的特點就是其桿件之間的關(guān)聯(lián)性。失去關(guān)聯(lián)意味著失去基礎(chǔ)，對往后的復(fù)制、鏡像等操作以及輸出文件都會造成很大的影響。桿件的復(fù)制步驟如下：先選擇桿件，確定復(fù)制參考點。當(dāng)選擇粘貼命令后，會彈出對話框，根據(jù)它與平面、軸線或其他桿件的關(guān)聯(lián)性（這些關(guān)聯(lián)性是在建立該桿件時創(chuàng)建的，因此根據(jù)不同的復(fù)制需要，用戶需選擇合適的關(guān)聯(lián)基準(zhǔn)），逐一選擇目標(biāo)位置上的關(guān)聯(lián)構(gòu)件才能確保操作成功。

SP3D中樓板的創(chuàng)建可以采用多種方法，通常用戶首先需要選定樓板放置的平面，選擇樓板的類型，根據(jù)需要修改樓板的相關(guān)屬性信息，在該平面中選擇鋪設(shè)樓板的邊界。用戶可以選擇事先建立好的軸線系統(tǒng)作為樓板的邊界，也可以選擇桿件作為邊界來定義樓板，此時作為邊界的桿件在任一條直線上不能重復(fù)，但可以沿著其軸線延伸到相鄰的邊界桿件，因此用戶無需選擇樓板邊界上的所有桿件。如圖5-1所示，用戶只需選擇高亮部分的桿件作為樓板的邊界，即可得到圖5-2所示的樓板范圍。此外，用戶還可以在2D或是3D界面下選擇不規(guī)則的邊界，墻體的邊界選擇亦是如此。

SP3D對于如樓梯、爬梯、扶手等結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建主要基于外型方面的參數(shù)設(shè)置，用戶可以根據(jù)設(shè)計需要選擇合適的類型，并可對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修改。但在該罐區(qū)項目中，這些零星結(jié)構(gòu)的設(shè)置主要用于示意及檢查碰撞，并不作為結(jié)構(gòu)專業(yè)的出圖標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 設(shè)備的創(chuàng)建

在SP3D中用戶可以放置參數(shù)化設(shè)備，也可根據(jù)需要放置非參數(shù)化設(shè)備。放置參數(shù)化設(shè)備相對比較簡單，用戶在設(shè)備的屬性頁面中可以很直觀地查看設(shè)備的外型和參數(shù)定義，由此用戶可以根據(jù)設(shè)備信息，對SP3D數(shù)據(jù)庫中已有的設(shè)備模型進(jìn)行修改，如定義設(shè)備名稱，存放的目錄，以及修改設(shè)備的尺寸、參考點等標(biāo)準(zhǔn)屬性。圖6為參數(shù)化設(shè)備的屬性頁面。

當(dāng)SP3D數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有的設(shè)備模型不能滿足用戶的需要時，用戶也可以自定義設(shè)備類型，放置非參數(shù)化設(shè)備。SP3D還提供了多種體形元件（shapes）供用戶選擇，如圓柱、圓臺、半球體、長方體等等，用戶可以借此來模擬一些簡易設(shè)備的基本外型。

此外，用戶還可以導(dǎo)入外部文件來插入設(shè)備外形體，但必須是SP3D支持的軟件，如SAT格式的文件或是DGN格式的文件。

在設(shè)備建模中，管嘴的放置是最重要的部分之一。管嘴有不同的類型及放置方式，但首先都必須在設(shè)備本體上定義一個數(shù)據(jù)點作為管嘴放置的參考點。用戶可以利用設(shè)備本體自帶的數(shù)據(jù)點，也可以利用Shapes中的Place Patumshape命令(如圖7所示)在設(shè)備上放置新的數(shù)據(jù)點，以便更為方便地放置管嘴。2.4管道模型的建立

SP3D中管道模型的建立首先需要充分理解管道的不同屬性。在管道模型中，SP3D將管道屬性分為Pipeline、Pipe Run、Pipe Features、Pipe Parts、Pipe Port、Pipe Path Leg等，其中Pipeline、Pipe Run和Pipe Features最為常用，這三者在工廠結(jié)構(gòu)（WBS）中的關(guān)系示意圖如圖8所示。

Pipeline是由一系列Pipe Run組成的整體，一個Pipeline可以有若干個Pipe Run。Pipeline的命名一般為流程圖中定義的管線號。在Pipeline狀態(tài)下只可以查看Pipeline的屬性或整體刪除整個管線，不可以對管線或管段進(jìn)行復(fù)制、修改或移動。

Pipe Run是Pipeline的下一級屬性，當(dāng)管子出現(xiàn)分支、管徑改變、流向改變或溫度、壓力等其它屬性發(fā)生變化時，Pipe Run也隨即改變，即出現(xiàn)新的管段（如圖9-1所示）。有時候根據(jù)需要，用戶也可以人為地增加新的管段，即使新的Pipe Run沒有任何變化。 Pipe Run的命名可以根據(jù)用戶自己的需要來確定，對最終的出圖沒有影響。

管段時，即是布置管道特性—Pipe Features。如圖9-2所示，Pipe Features十分清楚地表現(xiàn)了該管段的空間路徑和設(shè)計者的設(shè)計意圖。

在布置管道過程中，SP3D為用戶提供了多種方式來布置和測量管道，如管中心、管底、保溫/保冷層外徑等定位方式。SP3D在布置管道時，利用Offset命令可以很方便地定位管道與相關(guān)物體（如柱、梁、軸線或是其他管道）的偏移值，從而簡化管道的布置定位。SP3D的另一個特點是在確定位置時，可以先使用鼠標(biāo)中鍵確定某一個方向，再使用左鍵確定最終位置。這一特點使得SP3D的定位極其方便且不易出錯。SP3D的管段模型界面可以選擇全部以裸管的形式出現(xiàn)，也可以將保溫/保冷層顯示出來，從而更好地檢查是否碰撞。

2.5 管道平面布置圖的生成及軸側(cè)圖的抽取

數(shù)字化工廠最終轉(zhuǎn)化為實際物理工廠需要將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙，從而直接用于施工方的現(xiàn)場指導(dǎo)。當(dāng)模型的各項檢查完成并修改后，建立合適的Space模塊，選取一定的圖紙模板，SP3D可自動生成施工所需的管道平面布置圖。根據(jù)不同的項目要求，SP3D可以設(shè)置不同的自動標(biāo)注類型，大大減少了手工標(biāo)注的工作量。

SP3D中軸側(cè)圖的抽取十分簡單，只需選取所需要的管線,軟件會自動生成該管線的單線圖。圖紙上的標(biāo)注、材料統(tǒng)計等均為自動生成，基本不需要修改，且管線所占的圖幅比例能夠自動調(diào)整，如一張A 3圖紙放不下可自動分圖。當(dāng)單線圖生成后，用戶可以方便地檢查圖紙中的設(shè)計錯誤，然后進(jìn)入模型中修改，之后再對該管線進(jìn)行更新即可得到修改后的單線圖。圖10為罐區(qū)項目的管道平面布置圖及軸測圖示例。

2.6 材料統(tǒng)計

實際項目中材料統(tǒng)計對于采購和施工影響重大。SP3D的材料統(tǒng)計是其最為節(jié)省人力的功能之一，且比手工統(tǒng)計更為準(zhǔn)確。SP3D可以生成全局總材料，也可以根據(jù)各個單元分區(qū)統(tǒng)計材料，甚至生成單根管道材料，從而滿足項目的不同需要。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，化工設(shè)計行業(yè)的競爭日益激烈，工廠協(xié)同設(shè)計已成為目前化工設(shè)計的趨勢。Smart Plant系列軟件在一定程度上能很好地滿足化工行業(yè)協(xié)同設(shè)計的需要，尤其是對于工藝、管道專業(yè)，Smart Plant 3D簡化了管道專業(yè)設(shè)計的許多環(huán)節(jié)，提高了數(shù)據(jù)的共享性和一致性，相信隨著Smart Plant系列軟件的進(jìn)一步推廣和完善，其在化工設(shè)計行業(yè)的應(yīng)用將會日益廣泛。

1 石念峰.流程工廠協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究.

2 曹瑋，賀清.Smart Plant系列軟件在電力工藝專業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用及前景分析.能源工程.2010,2(29).

3 姚偉龍.淺談Smart Plant 3D(智能工廠三維軟件)與Tek la Structure異同.科技創(chuàng)新導(dǎo)報.2010.

TU 17

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1672-9323（2011）03-0048-04

2011-02-20）