三維數(shù)字化協(xié)同技術(shù)實現(xiàn)創(chuàng)新協(xié)作

文｜張科奇

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的過程被分為四個階段：項目訂制、系統(tǒng)設(shè)計、布置設(shè)計、詳圖設(shè)計。項目訂制包含以下幾個部分的內(nèi)容：項目的WBS、相關(guān)人員權(quán)限的劃分，相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)的建立以及各項標(biāo)準(zhǔn)的訂制。系統(tǒng)設(shè)計主要指P&ID圖的設(shè)計。布置設(shè)計包含以下幾個部分的內(nèi)容：一是對全廠內(nèi)的各種設(shè)備、建筑、結(jié)構(gòu)等實體建立三維模型；二是在所建立的模型上附加各種設(shè)備、建筑、結(jié)構(gòu)等實體的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，完成附加后即得到了各類實體的數(shù)字化三維模型；三是對所建立的數(shù)字化模型之間的關(guān)系做出詳細(xì)的定義。在布置設(shè)計過程中亦包含信息模型的協(xié)同、各個專業(yè)間提資的流程、并行設(shè)計等技術(shù)的實現(xiàn)。詳圖設(shè)計則是指在布置設(shè)計階段所生成的數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，通過剖切以及抽取得到平、立、剖圖以及ISO圖?？v觀四段式設(shè)計，核心在于系統(tǒng)設(shè)計，重點在于布置設(shè)計。

湖北省電力設(shè)計院采用的三維設(shè)計模塊

湖北省電力勘測設(shè)計院（以下簡稱“湖北院”）采取圖1所示的軟件模塊作為三維設(shè)計的軟件架構(gòu)，此架構(gòu)分為三個子模塊，分別是：協(xié)同模塊（ProjectWise），設(shè)計模塊（MicroStation），計算模塊為主的其他功能模塊。

圖1 模塊架構(gòu)圖

圖2 工作流程示意圖

圖3 P&ID工作流程示意

圖4 P&ID項目數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

圖5 智能的P&ID圖

圖6 P&ID報表流程示意

圖7 P&ID管線報表清單

圖8 P&ID閥門報表清單

項目工作流程

根據(jù)三維協(xié)同的特點和要求，制定了項目工作流程，其示意圖如圖2。

系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計是電廠工藝設(shè)計的核心，也就是P&ID工藝流程圖的設(shè)計。

通過P&ID完成以下需求：包括定制（需強(qiáng)行遵守）；制圖標(biāo)準(zhǔn)（圖層、顏色、線型、線寬、符號等)；使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)符號庫 （軟件附帶，也可使用公司自定義的標(biāo)準(zhǔn)）；可自定義查看和生成報表的功能；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具可把現(xiàn)有數(shù)據(jù)（如DWG文件）轉(zhuǎn)為智能的P&ID格式。如上所述，項目開始之前，首先確定本項目使用的標(biāo)準(zhǔn)，完成數(shù)據(jù)的前期準(zhǔn)備工作。現(xiàn)已有國內(nèi)電力行業(yè)常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)符號庫可以套用，當(dāng)有特殊需求時，可以根據(jù)規(guī)則進(jìn)行修正。

設(shè)計過程參考圖3。首先利用繪制工具繪制出強(qiáng)制遵守制圖標(biāo)準(zhǔn)（圖層，顏色，線寬等)的工藝系統(tǒng)及儀表圖。利用軟件提供的邏輯檢查功能對項目范圍內(nèi)的所有P&ID圖進(jìn)行檢查，排除各種邏輯錯誤，如管件是否缺少關(guān)鍵屬性；管線、設(shè)備和閥門是否重復(fù)編號；止回閥方向是否與管線流向一致等等。最后從圖中得到各種報表，如：管線清單、閥門清單、設(shè)備清單。報表的產(chǎn)生可以按單張圖進(jìn)行統(tǒng)計，也可以將整個工廠的所有P&ID匯總到一起，一次性產(chǎn)生，借助于DataManager，可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。根據(jù)項目需要，可以把P&ID圖中的必要信息通過Bentley DataManager產(chǎn)生由P&ID確定的可用管件選擇列表，傳遞到PSDS或OpenPlant中供3D管道設(shè)計時使用。此時在PSDS或OpenPlant中布置三維模型時，只能選擇到在P&ID系統(tǒng)中被定義過的管件及對應(yīng)的參數(shù)，有效地避免了系統(tǒng)流程圖與三維模型管件規(guī)格、參數(shù)不一致導(dǎo)致的錯誤。如圖4～圖8。

布置設(shè)計

創(chuàng)建軸網(wǎng)。作為電廠設(shè)計的主要專業(yè)，機(jī)務(wù)專業(yè)首先協(xié)同其他專業(yè)建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)和確定坐標(biāo)原點，即建立軸網(wǎng)。如圖9。

軸網(wǎng)是由PSDS或OpenPlant提供的Column Line工具完成，軸網(wǎng)原點的位置一經(jīng)確定，不會輕易更改。確定后的軸網(wǎng)，通過Append命令將其加載到數(shù)據(jù)庫中。軸網(wǎng)信息將在支吊點平面軸線定位圖例中使用。如圖10、圖11。

軸網(wǎng)文件確定后，將其保存為一個獨立的文件，并將其權(quán)限設(shè)定為“只讀”。當(dāng)相關(guān)設(shè)計人員需要使用軸網(wǎng)或坐標(biāo)系統(tǒng)時，通過文件參考引用的方式連接到當(dāng)前文件中使用。

通過統(tǒng)一的軸網(wǎng)保證了所有專業(yè)在模型組裝時相對位置完全正確，這是多專業(yè)三維協(xié)同作業(yè)的一個基礎(chǔ)保障。

創(chuàng)建三維設(shè)備模型。設(shè)備模型的文件劃分規(guī)則應(yīng)在項目策劃階段確定，根據(jù)項目規(guī)模的大小，可以將本專業(yè)的所有設(shè)備放置在一個文件中（小規(guī)模項目），也可以按系統(tǒng)或區(qū)域?qū)⑵浞謩e放置在不同的文件中（中、大規(guī)模的項目），甚至可以采用MCS（模型控制系統(tǒng)）功能，將所有模型壓縮進(jìn)數(shù)據(jù)庫中。

本實踐主要解決的是設(shè)備空間布置的問題，而不是做機(jī)械設(shè)備設(shè)計。它所關(guān)注的問題是設(shè)備的外形尺寸、定位尺寸、接口尺寸、檢修預(yù)留空間、設(shè)備操作運行空間、設(shè)備相關(guān)屬性，例如：設(shè)備編碼、規(guī)格型號、處理能力、設(shè)備重量等；而不是設(shè)備零部件的大小、裝配關(guān)系。因此，在建立設(shè)備模型時，設(shè)備的外形尺寸、定位尺寸、接口尺寸一定要精確建模，而內(nèi)部細(xì)節(jié)可以在保證一定美觀相似的情況下盡量簡化，這一點對于大型項目尤為重要。

模型由三種渠道獲得，一是通過系統(tǒng)提供的參數(shù)化模型（預(yù)定義了符合工業(yè)規(guī)范的參數(shù)化設(shè)備庫，同時允許用戶自定義）。二是利用MicroStation平臺的三維建模功能創(chuàng)建模型，然后將其定義為具有設(shè)備屬性的設(shè)備單元。三是通過轉(zhuǎn)換，接收第三方三維設(shè)計軟件創(chuàng)建的三維模型，然后將其定義為具有設(shè)備屬性的設(shè)備單元。如圖12。

圖9 坐標(biāo)原點及軸網(wǎng)的確定

圖10 附加軸網(wǎng)至數(shù)據(jù)庫

圖11 支吊點平面軸線定位圖

圖12 參數(shù)化設(shè)備模型

圖13 PSDS Equipment 管嘴管理工具

圖14 調(diào)整后的管件屬性項

圖15 二維和三維關(guān)聯(lián)并存

圖16 面向?qū)ο蟮慕ㄖI(yè)工具集

在設(shè)備屬性表中用戶可以方便地增加和修改所需的各項設(shè)備屬性，Object Reporter提供了生成各類報表清單的工具，它有集成化的界 面，與數(shù)據(jù)庫有機(jī)地連接，用戶可以定義、編輯、修改報告和明細(xì)表的形式。各類設(shè)備都可以組裝到OpenPlant或PSDS三維環(huán)境下進(jìn)行瀏覽，參與碰撞檢查。

通過使用 PSDS Equipment或OpenPlant Equipment的管嘴管理工具，來管理各類設(shè)備上的管嘴參數(shù)；可以通過表格輸入，定義和編輯設(shè)備的管嘴。如圖13。

創(chuàng)建三維管道模型。使用PSDS Piping 或OpenPlant Piping模塊完成三維管道建模。與設(shè)備模型一樣，管道模型的劃分規(guī)則應(yīng)在項目策劃階段確定，根據(jù)項目規(guī)模的大小，可以采用按系統(tǒng)劃分模型或按區(qū)域劃分模型。也可以將全廠的管道模型通過MCS（模型控制系統(tǒng)）的功能，壓縮進(jìn)數(shù)據(jù)庫（Microsoft SQL Server或Oracle）中。

管道的建?？梢园粗悄苤行木€（Intelligent Line）法放置，也可以按單一管段、管件分別放置。在布置管件時，系統(tǒng)能自動檢測管件屬性（尺寸、spec、端面、等級等）的一致性，如有不一致的屬性出現(xiàn)，會自動發(fā)出提示信息，并禁止管件放置。

管件的屬性信息在放置完成后，被自動保存在對象模型中。用戶可以根據(jù)工程項目需求，方便地增加、修改所需的屬性項，所有這些屬性都可以被統(tǒng)計到材料報表中。

屬性項的定義一定要在項目前期策劃階段完成，在項目執(zhí)行階段不要輕易更改，否則將會影響到修改之前布置的管件，在后期出圖及綜合應(yīng)用階段產(chǎn)生錯誤。如圖14。

創(chuàng)建三維建筑、結(jié)構(gòu)模型。建筑、結(jié)構(gòu)建模使用AECOsim Building Designer軟件完成。三維建筑設(shè)計系統(tǒng)（Bentley AECOsim Building Designer）是一套采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，多專業(yè)集成的專業(yè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)最重要的一個特點是建立全信息三維模型作為設(shè)計的唯一數(shù)據(jù)源，所有的二維圖紙、統(tǒng)計報告以及其它成果（如可視化表現(xiàn)）都是通過這個唯一的數(shù)據(jù)源生成，這種方式保障了結(jié)果的一致性。

本實踐使用了完備的中國標(biāo)準(zhǔn)庫，使用中能夠方便迅速地從預(yù)先定義的庫中快速地挑選參數(shù)化的墻體、門窗、衛(wèi)生潔具等建筑對象。

通過使用系統(tǒng)的自動關(guān)聯(lián)功能，非常好地保持了建筑部件間的關(guān)聯(lián)拓?fù)潢P(guān)系，可自動判斷建筑對象之間的標(biāo)準(zhǔn)鏈接關(guān)系。當(dāng)設(shè)計人員修改建筑的某一處的時候，與之關(guān)聯(lián)的部分能夠自動發(fā)生變化，節(jié)省了大量的模型修改工作量，實現(xiàn)了“一處修改，關(guān)聯(lián)變化”，保障了設(shè)計人員能夠有更多的時間去關(guān)注設(shè)計本身，而不是如何繪圖。如圖15。

建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)的三維模型，在完成方案設(shè)計之后就能夠被所有的其它相關(guān)專業(yè)作為背景模型參考使用，在三維協(xié)同設(shè)計中作為其它相關(guān)專業(yè)的重要設(shè)計依據(jù)。其他專業(yè)可以隨時利用三維建筑、結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行布置設(shè)計時的輔助定位、碰撞檢查，在整個設(shè)計階段盡可能的減少碰撞，提高設(shè)計效率、設(shè)計質(zhì)量。如圖16。

建筑專業(yè)在準(zhǔn)備階段僅得到機(jī)務(wù)專業(yè)一次提資圖，因此建筑僅完成建筑外墻及各層部分內(nèi)墻模型，待項目進(jìn)展深入，將進(jìn)一步細(xì)化模型。

建筑模型按外墻和內(nèi)墻劃分成兩個模型，最后通過文件參考組裝完成。操作步驟如下：首先，在AECOsim Buiilding Designer操作環(huán)境下創(chuàng)建一個新文件（選擇項目統(tǒng)一的種子文件），例如：建筑.dgn。其次，參考項目唯一的軸網(wǎng)文件以確保坐標(biāo)系唯一。第三，根據(jù)機(jī)務(wù)專業(yè)提供的一次資料圖完成外墻模型的創(chuàng)建，包括墻體、門窗、散水、屋面等。最后，在一個新的文件中或新的“模型空間”（Model）中，完成建筑內(nèi)墻模型的創(chuàng)建。

與建筑模型類似，結(jié)構(gòu)模型也是根據(jù)機(jī)務(wù)專業(yè)一次提資資料創(chuàng)建，也將隨項目進(jìn)展進(jìn)一步細(xì)化。結(jié)構(gòu)模型除了可以通過交互的方式，利用系統(tǒng)提供的面向?qū)ο蟮墓ぞ呖焖賱?chuàng)建以外，還可以通過接口模塊，直接讀取計算軟件（PKPM、STAAD.Pro等）的信息自動創(chuàng)建。

結(jié)構(gòu)模型按樓層進(jìn)行劃分，每個樓層的模型存放在一個dgn文件的Model（模型空間）中，最后通過文件的參考組裝成結(jié)構(gòu)模型。首先，在AECOsim Building Designer操作環(huán)境下創(chuàng)建一個新文件（選擇項目統(tǒng)一的種子文件），例如：Structural.dgn。第二步，參考項目唯一的軸網(wǎng)文件以確保坐標(biāo)系唯一。第三步，根據(jù)機(jī)務(wù)專業(yè)資料，通過交互方式創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型。如圖17。

樓板及墻體開孔

通過閉合元素（如多邊形、圓等）確定孔洞位置之后，使用開洞工具對樓板和墻體開設(shè)洞口，開孔過程中的開孔深度是可以由用戶自行定義的。值得指出的是，系統(tǒng)中所有的孔洞都是參數(shù)化的，孔洞可以非常方便的刪除、移動位置、復(fù)制添加、修改尺寸等，這給孔洞的修改編輯工作帶來了極大的便利。如圖18。

建筑、結(jié)構(gòu)模型中的孔洞分兩類，一類是專業(yè)內(nèi)部模型的孔洞，如樓板在樓梯位置的開孔；另一類是配合專業(yè)提出的配合孔洞。專業(yè)內(nèi)部的開孔，只需通過智能線或多邊形確定開孔的大小和位置，然后選擇開孔工具（Cut Solid）在樓板或墻體上開孔即可。在建筑或結(jié)構(gòu)的對象模型上開孔時，注意要將“Feature”選項選中。

協(xié)同工作及專業(yè)資料互提

由于各專業(yè)、各子系統(tǒng)都在一個統(tǒng)一平臺下進(jìn)行操作，經(jīng)過合理的模型劃分，可以使各專業(yè)同時開展設(shè)計建模工作，真正實現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同作業(yè)。各個專業(yè)的信息在統(tǒng)一操作界面下，可以非常方便且安全地被其他專業(yè)人員獲取和解讀，保證設(shè)計人員在第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的沖突，加強(qiáng)了專業(yè)之間的數(shù)據(jù)互用性和設(shè)計溝通性，最大限度的提高整體設(shè)計效率。

各專業(yè)在進(jìn)行資料互提時，可以充分利用MicroStation文件參考及參考嵌套功能，最大限度的利用配合專業(yè)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息，盡可能的保證數(shù)據(jù)來源的唯一性，減少由于數(shù)據(jù)冗余造成的配合錯誤。

P&ID與3D模型間的信息傳遞。P&ID圖中的管件屬性和3D模型中的管件屬性來自同一個數(shù)據(jù)源——項目數(shù)據(jù)庫，這樣能保證P&ID圖中的管件屬性和3D模型中的管件屬性完全一致，比如管線號、管徑、壓力等級，KKS碼等屬性。它與傳統(tǒng)的二三維校驗技術(shù)相比優(yōu)勢明顯，前者是在作業(yè)流程上預(yù)防了屬性不一致的可能性，是主動預(yù)防錯誤產(chǎn)生，而后者是靠事后校驗對比來檢查屬性的一致性，屬于被動檢查。

孔洞配合提資。對于配合專業(yè)提出的開孔，其工作流程如下：第一步，提出留孔專業(yè)創(chuàng)建一個新的模型文件，如：機(jī)務(wù)孔洞.dgn，參考項目唯一的軸網(wǎng)文件，確保定位準(zhǔn)確，可以同時參考要開孔樓板或墻體的模型文件，用于輔助定位。第二步，用MicroStation基本繪圖命令，確定孔洞的位置，繪制孔洞的大小、形狀，作為資料模型提供給結(jié)構(gòu)專業(yè)（可以設(shè)置成結(jié)構(gòu)專業(yè)有只讀權(quán)限）。第三步，結(jié)構(gòu)專業(yè)獲得開孔提資模型后，可將其參考進(jìn)需要開孔的結(jié)構(gòu)或建筑模型，檢查并確認(rèn)開孔位置不與本專業(yè)模型沖突，然后批量選擇需要在本層開孔的多邊形元素，使用開孔工具（Cut Solid）在本層樓板上開設(shè)孔洞。最后，在孔洞周邊需要加強(qiáng)的位置增設(shè)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)對象。

提出留孔專業(yè)的留孔提資圖，也可以直接通過模型的剖切后增加適當(dāng)?shù)臉?biāo)注產(chǎn)生。

出圖及報表

平、立、剖面圖。三維模型建立完成之后，通過三維模型生成二維圖紙就是一個相對比較快捷的過程，利用系統(tǒng)提供的抽圖管理器，可以抽取二維平、立、剖面及任意視角的投影圖。

圖17 結(jié)構(gòu)模型組合

圖18 樓板開孔

圖19 自動生成的平面圖

圖20 自動生成的軸側(cè)消隱圖

圖21 單管軸側(cè)圖及材料報表

剖面的位置和方向可以在系統(tǒng)中任意設(shè)定，而且還可以設(shè)定前景和后景的景深，并且可以根據(jù)所采用的不同構(gòu)件類型使用不同的線寬、線形以及填充方式在剖面中進(jìn)行表達(dá)。結(jié)構(gòu)桿件可以按一定的規(guī)則進(jìn)行“再符號化”，例如，鋼結(jié)構(gòu)桿件可以抽成單線形式等。桿件的截面名稱、桿件類型、編號材料、標(biāo)高等信息可以自動標(biāo)注。

在傳統(tǒng)的二維設(shè)計中，由于沒有統(tǒng)一的三維模型，常常出現(xiàn)平、立、剖不一致的現(xiàn)象。而使用剖切平面工具，能夠非常有效保證平面圖和立面圖以及剖面圖完全一致，而且在模型修改后，平、立、剖面圖只需更新計算即可全部自動更新。原有的標(biāo)注信息依舊會保留在圖紙中，不會丟失。如圖19、圖20。

ISO單管軸側(cè)圖。通過使用IsoExtrator，ISO圖能智能化地從三維模型中提取，標(biāo)注、標(biāo)簽和材料表（材料表包括切管長度、隱含材料如螺栓、螺母等和焊接形式）等信息也可以自動生成。設(shè)計人員能根據(jù)不同的管線號、不同的系統(tǒng)和不同的回路等屬性，將其任意組合，生成獨立的ISO圖文件。單管軸測圖的屬性完全與三維模型中的相應(yīng)管件的屬性相同，因此，能夠通過點取ISO圖中的任意管道和閥門、管件等符號查看其屬性。

能夠進(jìn)行自動和手工標(biāo)注。標(biāo)注內(nèi)容和形式能夠很方便地進(jìn)行定義，標(biāo)注的內(nèi)容也可以任意修改，材料清單能夠自動更新。標(biāo)注的內(nèi)容和深度可以通過定制滿足國際和中國電力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。如圖21：

通過實際工程中的實踐，得到了傳統(tǒng)二維設(shè)計與四段式三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的效果的對比：二維設(shè)計的可視化較差，對于碰撞檢測沒有完善的解決方案；二維的信息集成度較低，很難規(guī)劃出參數(shù)化快速建模的方案；二維設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化以及數(shù)據(jù)的管理較差，而三維設(shè)計時，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)可以在設(shè)計的時候自動監(jiān)測，并糾正不正確的設(shè)計；三維設(shè)計的協(xié)作工作能力較二維強(qiáng)。