土建三維設(shè)計在核電項目中的應(yīng)用

丁曉強 于子武

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

核電具有資源消耗少、環(huán)境影響小和供應(yīng)能力強等優(yōu)點，與火電、水電并稱世界三大電力供應(yīng)支柱。隨著國際能源供應(yīng)形勢日趨緊張，為了滿足電力快速增長的需求和更好地保護環(huán)境，核能的應(yīng)用將是未來大勢所趨。隨著核電技術(shù)的不斷創(chuàng)新，核電廠需要更精細化的設(shè)計手段來實現(xiàn)高安全性、高復(fù)雜性的要求。

1 三維設(shè)計概念的提出

設(shè)計的最終目的和最初想法都是三維的，但由于技術(shù)條件的限制，人們巧妙地利用在象限中平行正投影的二維視圖表達規(guī)則，用有限個相關(guān)聯(lián)的二維投影圖表達三維構(gòu)想。這種表達雖然巧妙，但繪圖和讀圖都要經(jīng)過專門的訓(xùn)練，而且屬于不完整的表達或不實際表達。隨著科技的不斷發(fā)展，構(gòu)筑物復(fù)雜性不斷提高，僅依靠傳統(tǒng)的二維設(shè)計已經(jīng)不能滿足目前新一代大型工程的設(shè)計要求。

三維設(shè)計是建立在平面和二維設(shè)計的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計目標(biāo)更立體化、更形象化的一種新興設(shè)計方法，它能使設(shè)計成品更全面，更細致，更直觀。

首先完成概念設(shè)計，在三維軟件的支持下，建立起能表達出設(shè)計構(gòu)思的模型，通過啟動一個三維協(xié)同設(shè)計的流程，使不同專業(yè)的工程師能夠進入系統(tǒng)，展開協(xié)同工作，減少重復(fù)工作。在同一平臺上工作有助于快速發(fā)現(xiàn)各專業(yè)組件的空間關(guān)系，同時數(shù)據(jù)優(yōu)勢為基礎(chǔ)設(shè)施項目的運營維護提供了良好的支撐。利用三維設(shè)計技術(shù)可以實現(xiàn)信息的采集、加工、處理、存儲、檢索等環(huán)節(jié)的自動化，實現(xiàn)最短路徑的信息傳遞，減少設(shè)計管理流程中不必要的中間環(huán)節(jié)。

2 三維設(shè)計軟件介紹

電廠采用三維模型設(shè)計技術(shù)，是電力設(shè)計上的一次革命。與傳統(tǒng)的二維設(shè)計相比，用三維設(shè)計方法建立的各種設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)的三維模型，能直觀、真實地反映其在未來電廠中的空間關(guān)系，有利于在設(shè)計過程中避免出現(xiàn)設(shè)計中的“錯、漏、碰、缺”等問題，提高設(shè)計效率和質(zhì)量，使無差錯設(shè)計和無碰撞施工成為現(xiàn)實，而且由于當(dāng)前工作條件限制，建安現(xiàn)場無法安裝計算機系統(tǒng)，需要二維圖來表達設(shè)計意圖，因此需要三維設(shè)計軟件還必須支持從三維圖中抽出二維工作圖，并具備關(guān)聯(lián)更改的能力。

與傳統(tǒng)的二代或二代加技術(shù)以及常規(guī)火電設(shè)計技術(shù)相比，AP1000核電技術(shù)具有安全系數(shù)高、系統(tǒng)復(fù)雜、專業(yè)龐雜、接口多、精度要求高等特點。而土建結(jié)構(gòu)作為整個電廠非常重要的組成部分，與很多專業(yè)有著密切的聯(lián)系，是整個電廠的骨架、血肉。雖然管道專業(yè)已經(jīng)形成了設(shè)計、出圖再配合碰撞檢查的三維一體化設(shè)計，但三維技術(shù)要想充分發(fā)揮多專業(yè)協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢，必須結(jié)合土建專業(yè)特別是結(jié)構(gòu)專業(yè)構(gòu)件計算與設(shè)計的應(yīng)用。

AP1000設(shè)計方應(yīng)用的三維工廠設(shè)計軟件是國際上通用的商業(yè)化工廠設(shè)計軟件——PDS（Plant Design System），PDS三維模型設(shè)計軟件不僅具有多專業(yè)設(shè)計模塊、強大的數(shù)據(jù)庫，還有應(yīng)力計算、結(jié)構(gòu)分析等許多功能軟件接口，而且具有模型漫游功能［用專用軟件SmartPlant Review（SPR）完成］，可發(fā)現(xiàn)模型錯誤，解決設(shè)計中的錯、漏、碰、缺問題，保證設(shè)計質(zhì)量。

FrameWorks Plus（FWP）是PDS系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)工程模塊，土建專業(yè)的結(jié)構(gòu)模型就是在FWP中輸入，進而完成在PDS中的建模。FWP可用于創(chuàng)建和修改土建模型，建成的3D模型可在SPR軟件中實時瀏覽，也可用于創(chuàng)建平面和剖面圖紙并完成碰撞檢查。

3 土建結(jié)構(gòu)三維設(shè)計流程

土建結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的設(shè)計流程（圖1）：創(chuàng)建結(jié)構(gòu)框架，加入結(jié)構(gòu)和工藝專業(yè)的荷載，再計算分析，并通過檢驗及優(yōu)化，最后繪制施工圖。此設(shè)計流程一直沿用至今，其中包括了工程設(shè)計必須掌握的結(jié)構(gòu)概念、結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)理論。隨著計算機的普及和輔助設(shè)計軟件的迅猛發(fā)展，將手工計算分析、檢驗并優(yōu)化演變成計算機分析計算，雖然在流程中某些工作操作形式有變化，但并沒對該流程有所改進，更沒有將此流程與三維設(shè)計平臺相結(jié)合。

圖1 傳統(tǒng)土建設(shè)計流程

第三代核電技術(shù)土建結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程與傳統(tǒng)的設(shè)計流程有所不同：在三維軟件的支持下，建立起能表達出設(shè)計構(gòu)思的模型，通過啟動一個三維協(xié)同設(shè)計的流程，使不同專業(yè)的工程師能夠進入系統(tǒng)，展開協(xié)同工作，如圖2所示。

圖2 三維設(shè)計流程

4 土建專業(yè)三維設(shè)計對比傳統(tǒng)二維設(shè)計的優(yōu)點

4.1 同一公用數(shù)據(jù)平臺有利于各專業(yè)協(xié)同作業(yè)

建成結(jié)構(gòu)模型后，可同時核對實時更新的工藝布置模型，得到結(jié)構(gòu)合理、滿足開孔、預(yù)埋件設(shè)置等工藝要求的結(jié)構(gòu)模型，發(fā)布給工藝及相關(guān)專業(yè)，經(jīng)過溝通、檢驗后PDS模型隨之確定。相比傳統(tǒng)模式，其優(yōu)勢在于以公用數(shù)據(jù)平臺的三維實體建模，工藝專業(yè)布置模型和發(fā)布資料表現(xiàn)得更加直觀；土建專業(yè)協(xié)同其他專業(yè)更加高效、可靠，避免了面對面式的種種不便，建立模型會更快捷、準(zhǔn)確。

4.2 工藝荷載輸入準(zhǔn)確、快捷

傳統(tǒng)模式工藝荷載由工藝專業(yè)通過紙質(zhì)提資實現(xiàn)輸入，土建專業(yè)依據(jù)提資輸入到計算簡圖中，復(fù)雜的布置、種類繁多的荷載使計算簡圖中荷載確定繁雜，對于設(shè)計人來說工作量巨大，人為因素影響造成疏漏的幾率較高，而且當(dāng)工藝專業(yè)發(fā)生變動時，修改繁瑣且易出錯。在PDS模型中，首先建立好工藝專業(yè)與土建專業(yè)荷載工況輸入原則，工藝荷載由各工藝專業(yè)工程師輸入并直接在模型中發(fā)布。而且結(jié)構(gòu)布置可以根據(jù)工藝布置要求進行調(diào)整。相比傳統(tǒng)模式，工藝荷載輸入準(zhǔn)確、快捷、調(diào)整方便。

4.3 化被動為主動

土建專業(yè)在三維模型中的輸入，充分利用了PDS共享、協(xié)同及同步的數(shù)據(jù)庫功能，建立土建結(jié)構(gòu)三維模型，使這部分工作從被動的配合工藝布置轉(zhuǎn)換為主動在工藝布置上開展設(shè)計，創(chuàng)新了結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，極大地提高了土建結(jié)構(gòu)設(shè)計效率。

4.4 輸出模式先進

4.4.1 圖紙

AP1000土建設(shè)計在數(shù)據(jù)輸出方面（如布置圖、配筋圖、埋件圖、洞口布置圖及材料清單等）都可以從三維模型中抽出。以埋件施工圖為例，在一套完整的編碼系統(tǒng)支持下，埋件圖包括埋件定位圖及埋件定位表，二者都可以從三維模型中直接抽出，埋件定位圖是埋件的位置指示圖，其上不具有埋件的具體信息，埋件的具體信息由埋件定位表中提供。與傳統(tǒng)二維設(shè)計埋件圖相比在圖面整潔度、埋件詳細信息表述方面都占有一定優(yōu)勢，而且可以由模型直接導(dǎo)出，節(jié)省設(shè)計時間，提高工作效率。

傳統(tǒng)二維設(shè)計埋件圖中各類標(biāo)注復(fù)雜，一般根據(jù)與軸線或構(gòu)筑物的邊緣相對位置定位，容易出現(xiàn)累積誤差，而且對于埋件功能并不能表述清楚，給施工帶來不便。通過三維設(shè)計抽出的埋件圖，坐標(biāo)是絕對坐標(biāo)，不會出現(xiàn)累積誤差，而且根據(jù)埋件的編號可以清楚地識別埋件的功能。傳統(tǒng)設(shè)計圖紙以卷冊形式發(fā)布，現(xiàn)場只有當(dāng)卷冊內(nèi)所有圖紙出版后才能得到圖紙，影響現(xiàn)場施工進度。而三維設(shè)計以張的形式發(fā)布，不存在上述情況。

4.4.2 模型

利用SPR軟件打開PDS（模型和數(shù)據(jù)）、MicroStation、AutoCAD和.SAT等格式的圖形文件，可以交互式地瀏覽大型復(fù)雜的3D模型，深入地瀏覽和分析工程設(shè)計、建筑結(jié)構(gòu)并能夠進行工廠的日常維護。利用SPR不僅能夠提供清晰而簡明的可視化通信，查找模型中符合某些條件的對象，實現(xiàn)漫游檢查和校審功能；而且還可以實現(xiàn)進度瀏覽和沖突碰撞檢查，極大地提高了工作效率、縮短工程時間，三維模型已經(jīng)是AP1000現(xiàn)場設(shè)計管理工作中的一個不可或缺的工具。

利用三維設(shè)計技術(shù)還可以指導(dǎo)土建施工，通過提取三維模型的數(shù)據(jù)，模擬重要的施工及安裝工序，如混凝土澆筑、鋼結(jié)構(gòu)、模塊安裝等，這樣更直觀地表現(xiàn)了各工序的順序，并通過數(shù)據(jù)分析計算出工程量，便于合理地安排施工力量，避免施工方案及實施過程出現(xiàn)失誤，極大地提高了施工效率。

5 土建三維設(shè)計的現(xiàn)狀

現(xiàn)階段土建三維設(shè)計的應(yīng)用主要表現(xiàn)在：（1）通過對平面圖紙的三維轉(zhuǎn)化建立起模型，解決電廠各構(gòu)件之間的碰撞問題。（2）模型也作為設(shè)計資料數(shù)字化發(fā)布的一種形式，業(yè)主通過查看三維模型了解設(shè)計、施工進展情況，在工程結(jié)束后作為竣工資料進行移交，提高了服務(wù)質(zhì)量。（3）在空間狹小的位置通過三維模型模擬安裝、施工過程。雖然三維設(shè)計的優(yōu)勢并沒有得到充分的發(fā)揮，但說明各行業(yè)已走在設(shè)計變革的道路上。

6 結(jié)語

筆者認(rèn)為要充分發(fā)揮三維設(shè)計在核電項目中的優(yōu)勢，不僅需要設(shè)計軟件的變革，還需要設(shè)計支持的進一步延伸，以AP1000現(xiàn)場為例，設(shè)計方在現(xiàn)場成立現(xiàn)場設(shè)計部，建立起完備的組織機構(gòu)來處理現(xiàn)場發(fā)生的設(shè)計問題，現(xiàn)場的設(shè)計代表也都能熟練操作SPR瀏覽圖紙，且配有專門工程師負(fù)責(zé)三維模型的管理、更新工作；強大的線上文檔管理平臺，圖紙資料、技術(shù)文件等都以電子文件的形式走網(wǎng)上流程，極大地提高了工作效率；完善的編碼系統(tǒng)及完備的工作程序，也是現(xiàn)場設(shè)計工作運轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)。由此看來，雖然設(shè)計投入增加了，但利大于弊，同時三維設(shè)計也是工程與國際化接軌的必然選擇。

三維設(shè)計在AP1000等項目上的成功應(yīng)用，更加證明了三維設(shè)計將是未來工業(yè)設(shè)計的大勢所趨，土建三維設(shè)計的變革勢在必行。

［1］袁泉，李炳益.三維工廠設(shè)計中的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程探討［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2007（S1）

［2］關(guān)琰.計算機輔助產(chǎn)品設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004

［3］周乃軍.工廠全生命周期土建三維設(shè)計流程探索［J］.工業(yè)建筑，2011（S1）