化工管道三維物理支吊架的開發(fā)與應用

王鈺銘　唐瑋琪　代國興

中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院　吉林　132002

化工管道三維物理支吊架的開發(fā)與應用

王鈺銘*唐瑋琪代國興

中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院吉林132002

摘要介紹SP3D軟件物理支吊架的優(yōu)勢，分析了三種化工管道物理支吊架庫開發(fā)形式的特點，總結(jié)了開發(fā)前準備工作、開發(fā)方法與開發(fā)應用時的經(jīng)驗教訓。

關鍵詞幾何形體關鍵點數(shù)據(jù)庫材料統(tǒng)計

隨著信息時代的深入發(fā)展，計算機輔助設計日益數(shù)據(jù)化、形象化、簡便化，傳統(tǒng)的三維設計軟件也進行著全方位的智能演化。Intergraph公司的SmartPlant3D(簡稱SP3D) 軟件與AVEVA公司的Everything3D(E3D)軟件是當今世界兩個較先進的三維工廠設計系統(tǒng)。以數(shù)據(jù)為中心，Microsoft類型的操作環(huán)境，均有配套的二維系統(tǒng)類設計軟件、材料建庫及控制管理軟件、施工軟件在數(shù)據(jù)信息管理平臺上進行數(shù)據(jù)集成，為設計團隊創(chuàng)建智能三維工廠模型并據(jù)此制作所有智能工廠的可交付項提供了可能性。吉林設計院為適應市場需求于2008年購置了SP3D軟件，并開展了包括化工管道物理支吊架在內(nèi)的多項二次開發(fā)工作。

1SP3D軟件物理管道支吊架優(yōu)勢

1.1功能強大

SP3D軟件支吊架功能較上一代產(chǎn)品PDS軟件更富功能性，不只是管道模塊的一個命令，單獨成為HangersandSupports模塊，與Common(公共環(huán)境)、Piping、EquipmentandFurnishings、Structure、DrawingsandReports(圖紙與報告)等模塊同等級別，并能夠相互自由切換，滿足管道、電纜橋架、采暖通風管道等各類元件的支撐要求，擁有以PlaceSupportbyStructure(根據(jù)建構(gòu)筑放置支吊架)、PlaceSupportbyPoint(根據(jù)點放置支吊架)、PlaceSupportbyReference(根據(jù)參照物放置支吊架)等多種放置方法，共9種命令。

1.2兼容性好

SP3D軟件改變了以往利用外掛supportmodeler、SofiaSupport工具的形式，穩(wěn)定性高，兼容性好，不會產(chǎn)生支吊架無故失效的情況。

1.3視圖形象

SP3D軟件管道物理支吊架形象直觀、視圖效果優(yōu)異，可有效地提高三維工廠模型的品質(zhì)，充分彰顯工程公司的信息化水平與設計水平。

1.4操作智能簡單

SP3D軟件管道物理支吊架非常智能化，用戶選擇管道和支撐點后，可以根據(jù)設定的規(guī)則自動推薦符合該情況的支架型號，也可以自行選擇，系統(tǒng)根據(jù)管徑、型鋼等環(huán)境自動匹配支架規(guī)格、高度等參數(shù)；支持“智能關聯(lián)”專利技術，當管道合理的移動后，修改信息會反饋到管道與支吊架的關聯(lián)模型中，支吊架會自動隨之改變；管廊或成排的管道可以連續(xù)添加，無需二次選擇管道，繼續(xù)選擇下一個支撐點即可，對于支吊架庫中沒有的特殊支架，可以根據(jù)型鋼庫中的材料自行組裝特殊支吊架。

1.5精確的材料統(tǒng)計功能

SP3D物理支吊架可以根據(jù)工程公司實際需求定制材料報表與支架詳圖，將設計過程實際使用的支架分解成型鋼、管卡、螺栓等部件，通過HangersandSupport模塊全自動生成材料報表，準確統(tǒng)計支吊架材料的數(shù)量，有效地解決了三維設計以來無法精確統(tǒng)計支架材料的難題，減少了工程浪費和支架材料缺少對工程進度的影響。

2管道物理支吊架庫開發(fā)形式

SP3D軟件管道物理支吊架一般分為自主開發(fā)、委托有經(jīng)驗的軟件商開發(fā)及兩者相結(jié)合的開發(fā)三種形式。

自主開發(fā)要求工程公司IT技術深度高，開發(fā)周期長，但是開發(fā)靈活、維護方便，適合擁有專門的數(shù)字化研發(fā)中心的工程公司，如中石化石油工程設計公司、中國石油管道局設計院等。

委托有經(jīng)驗的軟件商開發(fā)具有開發(fā)周期短、不需要有編程經(jīng)驗，可用性高，但是價格高昂，一旦委托開發(fā)后支吊架后期維護比較困難，適用于沒有精力開發(fā)且急于應用的公司。

兩者兼顧是非常好的形式，先委托開發(fā)商做出一部分支吊架，然后通過培訓來自行開發(fā)剩余的部分，但是對開發(fā)能力的要求很高，需要專門的團隊攻關，對急于應用的用戶會有一定的風險。

三種方式各有利弊，工程公司需要根據(jù)自身的實際情況做出選擇，吉林院最終采用兩者兼顧的形式，大部分由DCC(鷹圖的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中心)開發(fā)，準備經(jīng)過培訓、技術支持自行補充一部分。

3管道物理支吊架庫開發(fā)前準備

物理支吊架開發(fā)是個復雜而零散的功能定制項目，每個工程公司的支吊架少則幾十個，動輒數(shù)百個，開始只能提出一個大概、模糊的功能，只有經(jīng)過長時間的反復認識才逐步明確，需要做好充分的準備工作，主要有支吊架圖冊選擇與修訂、支吊架幾何形體分解兩部分工作[1]。

3.1支吊架圖冊選擇與修訂

圖冊是支吊架開發(fā)的重要依據(jù)，吉林院是以石油化工為主營，70%的項目都與化工有關，適合的國家標準為《管架標準圖》HG-T21629 ，由于發(fā)布的時間久遠，很多架型已經(jīng)無法完全適應項目需要，且該套標準的支架數(shù)目過多，成本太高，不適合開發(fā)。2008年，我院在吸收國內(nèi)外經(jīng)驗的基礎上自行編制了一套支架圖冊，一直與HG-T21629并用，此圖冊比較新，數(shù)量合理，適合開發(fā)，但是很多內(nèi)容不全，需要補充。

3.2支吊架幾何形體分解

支吊架幾何形體分解是開發(fā)過程中的本質(zhì)內(nèi)容，直接關系著材料的統(tǒng)計方式以及工程管理方式，一般可分以架形、全部分解至型鋼，除管夾、緊固件外分解至型鋼三種類型，以架形分解將有非常大的局限性，材料只能按套統(tǒng)計，代碼量大，支架采購成本高，而全部分解成型鋼不符合現(xiàn)階段工程管理方式。管夾、緊固件等細小繁瑣的工序均由施工單位加工會耗費較長的工期，管夾、緊固件外分解至型鋼雖然需求分析較為復雜，但長遠考慮，可節(jié)約采購成本，又不增加施工難度，是非常合適的選擇。吉林院最終采取了這種分解方式，將所有架形分解為68個組件，三種類型的優(yōu)缺點見表1。

表1　三種類型分解方式優(yōu)缺點對比表

4物理支吊架的開發(fā)

4.1數(shù)據(jù)庫建立與數(shù)據(jù)庫調(diào)取

SP3D軟件是以數(shù)據(jù)為中心的，所有模型參數(shù)、屬性都是以Excel的形式存于后臺，并通過VB程序驅(qū)動調(diào)取，支吊架的開發(fā)也是如此，以ST-001,U型螺栓為例，圖例見圖1。

首先應建立一個數(shù)據(jù)庫Excel文件，每個sheet為一個組件，并將其命名為組件名稱，組件名稱單元格命名為JiLin_Part_ST.001，并將幾何尺寸按管徑做成數(shù)據(jù)庫，編制程序時調(diào)出這兩處的名稱，即可調(diào)用出支吊架的幾何尺寸信息，并根據(jù)管徑賦值，程序編譯如下：

OptionExplicit

PrivateConstMODULE= "ST-001"

PrivateConstm_progID= "JiLin_Part.ST-001"

Privatem_SymbolFactoryAsNewIMSSymbolEntities.DSymbolEntitiesFactory

Privatem_SymbolDefinitionAsIMSSymbolEntities.DSymbolDefinition

Privatem_outputCollAsIJDOutputCollection

Privatem_oCodeListDataAsIJDCodeListMetaData

PrivatesqlqueryAsString

PrivatevarOutputAsVariant

PrivateoIJPartSelHlprAsIJHgrPartSelectionDBHlpr

ImplementsIJDUserSymbolServices

ImplementsIJHgrSymbolBOMServices

PrivateSubIJDUserSymbolServices_InitializeSymbolDefinition(pSymbolDefinitionAsIMSSymbo-lEntities.IJDSymbolDefinition)

ConstMETHOD= "IJDUserSymbolServices_InitializeSymbolDefinition"

圖1　ST-001支架圖例

ST-001支架數(shù)據(jù)表見圖2。

圖2　ST-001支架數(shù)據(jù)

4.2幾何形體構(gòu)建

物理支吊架在中國石油企業(yè)標準《三維設計導則》定義為模型中的實體支吊架，可以理解為具有物理屬性的幾何形體，與其他三維模型一樣都是在平面二維系統(tǒng)中加入了一個方向向量構(gòu)成的空間系，三維即是坐標軸的三個軸，即X、Y、Z軸，X表示南北空間，Y表示上下空間，Z表示東西空間，這樣就形成了人的視覺立體感，需要注意的是所設計的物理支吊架的坐標系應與SP3D模型中的一致[2]。

幾何形體由面組成，面由線組織，線由點組成，關鍵點起著至關重要的作用，是貫穿支吊架空間聯(lián)系的紐帶，包含管道與支吊架的關聯(lián)點，支撐點、構(gòu)成組件中圓、長方體等基礎幾何形狀的連接點、組件裝配連接點、特殊界限點五種，一般起始點以管道與支吊架的關聯(lián)點為對象計算得知的，程序編譯如下：

AddPoint"Route", 0, 0, 0,_1, 0, 0,_0, 0, 1,m_outputColl, "Route",arrayOfInputs(1), "Route"

ST-001支架可以進一步拆解為兩個1/4圓形實心圓鋼、兩根直線實線圓鋼、兩個六角螺栓構(gòu)成，為簡便六角螺栓用空心圓柱代替，根據(jù)所加載的關鍵點，開始繪制幾何形體，見圖3。

ST-001中的部分幾何形狀程序編譯如下：

'Elbow

AddElbowdST001_D1 / 2,c/ 2, 180, "ROTZ(90)",m_outputColl, "Elbow"'Bolt

AddCylinderWP0,c/ 2, 0, 0,c/ 2, -(dS001_H1 -dS001_R-dS001_L1),dS001_D1 / 2,m_outputColl, "Pin1", "Pin1"

AddCylinderWP0,c/ 2, -(dS001_H1 -dS001_R-dS001_L2), 0,c/ 2, -(dS001_H-dS001_R-dS001_L+dS001_L1),dS001_D3 / 2,m_outputColl, "Pin2", "Pin2"

AddCylinderWP0,c/ 2, -(dS001_H-dS001_R-dS001_L1 +dS001_L2), 0,c/ 2, -(dS001_H1 -dS001_R),dS001_D2 / 2,m_outputColl, "Pin3", "Pin3"

上述代碼對應的幾何形狀見圖4。

所有幾何形狀構(gòu)建完畢后生成dll(動態(tài)鏈接庫)文件，加載到SP3D軟件，通過HangersandSupports模塊，即可畫出ST-001物理支架，見圖5。

圖3ST-001基本幾何圖形分解圖4上述代碼對應的幾何形狀

圖5　ST-001支架三維模型圖

5支吊架應用

吉林院歷時一年時間，開發(fā)出第一批120多套架形的物理支吊架庫，并應用于某石化MTBE項目中，首次擺脫了虛擬的邏輯支架，參與到碰撞檢查中，精確抽取了材料表，取得了良好效果，同時也吸取了支吊架添加與材料統(tǒng)計兩方面的教訓。

支吊架添方面的問題主要體現(xiàn)在支撐物的選擇上，支吊架識別結(jié)構(gòu)模型中的建構(gòu)筑物是沒有問題的，但是“門”型支吊架本身也是可以作為支撐點，見圖6。最初設計時沒有考慮支架本身的組合問題。

圖6　支吊架作為被支撐物

支吊架材料統(tǒng)計的問題主要體現(xiàn)在：

(1)支架圖冊不同架形的材質(zhì)和型鋼型號書寫不規(guī)范，如角鋼∠100×100×8與L100×8是同種角鋼，材料賦值時也是不同的格式，致使料表中的材質(zhì)與型鋼型號五花八門。

(2)螺栓與螺母統(tǒng)計方法應按套，而實際缺分開統(tǒng)計的。

(3)支吊架幾何形體分解，只考慮到U型螺栓、管卡等細小的成套部件，保冷管托據(jù)業(yè)主反饋施工單位加工非常困難，分解成型鋼很不科學，但直接實現(xiàn)保冷管托成套統(tǒng)計支架庫后臺將有顛覆性的改動。

針對支吊架統(tǒng)計的問題采取了相應補救措施，將型鋼表示方法與材質(zhì)表示方法進行了統(tǒng)一，修改了后臺程序的屬性賦值；將螺栓與螺母兩個基本部件合為一個部件；而對于管托類的部件修改進行了評估，得出修改源程序的代價過高，最終采取了處理數(shù)據(jù)方式，將管架表中的管托解析出形式、規(guī)格、數(shù)量信息，計算出散材的數(shù)量，在管架材料表中去除，并添加上管托成套統(tǒng)計內(nèi)容，由于處理數(shù)據(jù)過程采用了SP3D軟件DrawingsandReports模塊拓展編程實現(xiàn)，支吊架材料抽取方法與之前一致，相當于增加了一套支吊架材料模板，沒有給設計人員附加額外工作量。

6結(jié)語

物理支吊架庫的開發(fā)有利于提升三維模型的整體品質(zhì)與三維成品的質(zhì)量，是三維設計發(fā)展的新里程，同時物理支吊架庫的開發(fā)亦是長期復雜的過程，需要做好細致的需求分析，確保開發(fā)工作的順利進行。

參考文獻

1黃文豪.基于工業(yè)流水線控制系統(tǒng)的軟件模塊化研究與設計. [D]. 廣州:華南理工大學,2012.

2師濤. 三維動畫理念對現(xiàn)代電影審美價值提升性的研究. [D]. 西安: 西安美術學院,2008.

(收稿日期2016-03-25)

*王鈺銘：工程師。2011年畢業(yè)于長春工業(yè)大學高分子化學與物理專業(yè)獲理學碩士學位。主要從事石油化工配管設計與計算機輔助設計研究工作。聯(lián)系電話：18643222932，E-mail:jly_wym5195@petrochina.com.cn。