制藥機(jī)械及其管路三維模型的建立

宋 波 羅 香 陳 勇 劉雪松 侯建雄

（1.蘇州浙遠(yuǎn)自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司，江蘇蘇州215163；2.蘇州澤達(dá)興邦醫(yī)藥科技有限公司，江蘇蘇州215163；3.浙江大學(xué)，浙江杭州310058）

0 引言

隨著工業(yè)化和自動(dòng)化水平的不斷提高，人們對(duì)產(chǎn)品的多樣化和個(gè)性化要求也越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期日益縮短?；诖耍a(chǎn)品設(shè)計(jì)部門的工作量越來越大，在這種情況下，工程設(shè)計(jì)人員對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率的需求也變得越來越迫切。目前，制藥機(jī)械及其管路的設(shè)計(jì)人員最常使用CAD等畫圖工具，對(duì)于缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)的安裝施工人員來說，閱讀二維CAD制藥機(jī)械及其管路圖紙時(shí)，往往容易對(duì)工藝流程的理解產(chǎn)生偏差，給制藥機(jī)械的加工和管路工程安裝造成一定的麻煩。

本文針對(duì)制藥機(jī)械的功能特點(diǎn)，研究了制藥機(jī)械及其管路的三維模型庫，并構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化的制藥機(jī)械及其管路三維模型，制藥機(jī)械和工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)開發(fā)制藥機(jī)械新產(chǎn)品時(shí)，可根據(jù)功能需要，調(diào)用模型庫圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)和模型組合設(shè)計(jì)，提高工作效率。同時(shí)，為工程實(shí)施提供直觀的三維結(jié)構(gòu)圖形，確保機(jī)械和管路安裝符合制藥工藝要求。

1 國內(nèi)外工藝管路設(shè)計(jì)軟件比較

目前國內(nèi)常用的設(shè)計(jì)軟件是AutoCADPlant 3D，它是一款專業(yè)的三維工廠設(shè)計(jì)軟件，該軟件可以對(duì)工廠進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模和文檔編制?；谑煜さ腁utoCAD軟件平臺(tái)，工廠設(shè)計(jì)師和工程師運(yùn)用AutoCADPlant3D能夠創(chuàng)建先進(jìn)的三維模型。其等級(jí)庫和元件庫，可以有效簡化管道、設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu)的放置流程；集成了AutoCAD軟件功能，可以幫助創(chuàng)建和編輯管道與儀表流程圖，并根據(jù)三維模型協(xié)調(diào)基本數(shù)據(jù)，生成和共享等軸側(cè)視圖、正交視圖和其他文檔。AutoCADPlant3D內(nèi)置在Autodesk PlantDesignSuites中。它的功能設(shè)置主要有：

（1）工作空間——專門面向三維工廠設(shè)計(jì)的用戶界面；

（2）等級(jí)庫和元件庫——基于等級(jí)技術(shù)和ANSI/ASME（B16）、DIN/ISO等標(biāo)準(zhǔn)元件庫，可以通過修改元件庫，滿足特定項(xiàng)目要求；

（3）管道、設(shè)備和結(jié)構(gòu)——以半自動(dòng)或手動(dòng)方式創(chuàng)建基于等級(jí)庫的管線和元件模型，包含一個(gè)可定制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備元件庫，從外部參考或以參數(shù)化的方式創(chuàng)建結(jié)構(gòu)元素，確認(rèn)沖突；

（4）施工文檔——生成精確的ISO圖、正交視圖和其他文檔；

（5）搜索和報(bào)表——查詢和處理數(shù)據(jù)，生成材質(zhì)報(bào)表，導(dǎo)出至PCF文件；

（6）AutodeskNavisworks兼容性——對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行審閱；

（7）規(guī)范轉(zhuǎn)換器——從其他應(yīng)用程序?qū)胍?guī)范。

此外，還有PDMS、PDS等國外設(shè)計(jì)軟件，但它們?cè)谖覈耐茝V使用受到諸多制約，主要原因有：國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫不全，建立項(xiàng)目庫的難度大，操作復(fù)雜；價(jià)格昂貴；英文界面；思維習(xí)慣和操作習(xí)慣與國內(nèi)用戶有很多不同；不能按醫(yī)藥行業(yè)特點(diǎn)修改軟件功能；不能和CAD無縫連接；封閉等級(jí)庫。

雖然AutoCADPlant3D和CADWORX都是在CAD基礎(chǔ)上開發(fā)的軟件，但是它們的功能有所不同。AutoCADPlant3D主要功能模塊包括：（1）建立建筑結(jié)構(gòu)三維模型；（2）建立設(shè)備三維模型；（3）建立管道三維模型；（4）模型設(shè)計(jì)檢查與管理；（5）模型碰撞檢查與管理；（6）效果圖生成；（7）單管圖全自動(dòng)生成及編輯；（8）平、立、剖圖自動(dòng)生成及編輯；（9）材料表模板定制；（10）材料表自動(dòng)生成；（11）工程數(shù)據(jù)庫管理；（12）圖形庫管理；（13）支吊架建模及其材料統(tǒng)計(jì)；（14）應(yīng)力計(jì)算軟件接口；（15）工廠漫游及動(dòng)畫制作。

2 工程實(shí)施內(nèi)容

結(jié)合AutoCADPlant3D軟件的主要功能，筆者總結(jié)和分析曾參與過的一些醫(yī)藥工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，包含的實(shí)施內(nèi)容具體如下：

2.1 土木專業(yè)

該軟件能夠設(shè)計(jì)出土建專業(yè)的建筑（包括鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)、樓面、柱、梁、樓梯、圍欄、門、窗、屋頂、樓面開洞）及柱線，還可以聯(lián)合運(yùn)用AutoCAD RevitArchitectureSuite軟件做建筑圖設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)備布置

該軟件能夠較容易地設(shè)計(jì)出項(xiàng)目上常見的工藝設(shè)備（如濃縮器、罐、泵、換熱器、塔等）及其基腳，精確定位泵的進(jìn)出口尺寸、罐的開口位置，能自動(dòng)添加開口后的法蘭、卡盤，能夠做到先加法蘭再接管，精確定位設(shè)備在廠房中的位置。在設(shè)計(jì)好的設(shè)備上修改設(shè)備外形或開口，復(fù)制后能夠容易地修改設(shè)備編號(hào)、管嘴編號(hào)、管嘴長度及管嘴的壓力等級(jí)。用戶可以隨時(shí)修改設(shè)備的位置、形狀、描述等參數(shù)。設(shè)備設(shè)計(jì)完成后能夠自動(dòng)生成設(shè)備報(bào)表。通過用戶的報(bào)表來創(chuàng)建自己所需的報(bào)表格式，以便直接生成工藝必需的設(shè)備表，方便插入設(shè)備。在工程參數(shù)中輸入設(shè)備位號(hào)，并選擇使用設(shè)備位號(hào)分層。設(shè)備布置完后可以進(jìn)行移動(dòng)、拷貝等操作。設(shè)備基礎(chǔ)也需要進(jìn)行布置，以方便進(jìn)行碰撞檢查。此外，還可以使用AUTODESK公司的Inventor軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜的設(shè)備和參數(shù)化設(shè)備。

2.3 管道安裝

該軟件包含多種布管方式，如管件對(duì)管件布管、空間自由擺放管件、參考已存在的管件對(duì)齊、多段線輔助方式、中心線布管方式等。該軟件還包含多種管道定位類型，如管頂、管中心、管底等。該軟件能夠方便地進(jìn)行坡度管線的布置，坡度值可以輸入小數(shù)和比例。布管結(jié)束后，能在已有的管道上進(jìn)行修改，包括方位、定位尺寸、管徑、等級(jí)等，并能夠拉伸、延長或剪切管道。管道按管線號(hào)自動(dòng)生成圖層，便于對(duì)單根管道進(jìn)行檢查或修改。根據(jù)管內(nèi)介質(zhì)的不同，可以定義不同的管道顏色。管道上的各種標(biāo)準(zhǔn)閥門自動(dòng)加法蘭或卡盤。

2.4 管架

該軟件能夠設(shè)計(jì)出一次及二次管架。一次管架是指管架上支撐有多個(gè)管道的管架，如門字型、T型管架等。二次管架是指僅為單根管道使用的管架。設(shè)計(jì)人員可以從軟件自帶的管架庫中選擇管架類型和型號(hào)（可以自定義管架類型），生成管架報(bào)表。報(bào)表可以自定義類型。

2.5 數(shù)據(jù)管理

該軟件自帶元件庫和等級(jí)庫，其中的元件庫包括ANSI（美國標(biāo)準(zhǔn)）、DIN（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）、JIS/JPI（日本標(biāo)準(zhǔn)）等，同時(shí)用戶也可以自定義元件庫和等級(jí)庫。元件庫和等級(jí)庫是分開的，方便編輯管道材料等級(jí)。參照已有的數(shù)據(jù)庫建立或定義用于特定項(xiàng)目的特殊數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫管理軟件可以用SQLite編輯。

2.6 CAD兼容性

該軟件是在CAD基礎(chǔ)上開發(fā)出來的軟件，可以和CAD無縫連接。

2.7 平、立、剖圖

該軟件一般首先生成工藝配管正俯視圖，因?yàn)楦┮晥D可以反映出裝置管線的總體布置和各管線之間的相對(duì)位置。該軟件可以方便地抽取任意區(qū)域、任何標(biāo)高的平面和剖面圖，通過智能拾取的方式標(biāo)注要求的尺寸、管線號(hào)、標(biāo)高和流向等工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。由于通過軟件設(shè)置了統(tǒng)一的標(biāo)注參數(shù)，不同設(shè)計(jì)人員很容易形成一致的標(biāo)注風(fēng)格，使項(xiàng)目圖紙規(guī)范、美觀。根據(jù)需要設(shè)計(jì)出任意正俯視圖，自動(dòng)標(biāo)注管道相關(guān)信息，自動(dòng)標(biāo)注管道定位尺寸、管架定位尺寸，自動(dòng)打斷重疊管道，可自定義“打橫不打豎”或“打次不打主”。

目前，國內(nèi)外通用的兩種平面圖消隱方式，一種是國內(nèi)通用的工程消隱規(guī)則，即軟件自動(dòng)在需要反映下層管子上的閥門、管件等信息時(shí)，在上層管子上加剖斷符；另一種是實(shí)體消隱，這種消隱方式只考慮上下關(guān)系，不會(huì)自動(dòng)加剖斷符。該軟件支持多種消隱方式。

2.8 自動(dòng)生成ISO單管圖

ISO單管圖由該軟件自動(dòng)生成，軟件根據(jù)不同的管線號(hào)進(jìn)行出圖，一個(gè)管線號(hào)生成一個(gè)軸側(cè)圖文件，對(duì)特別復(fù)雜的管線一般通過設(shè)置斷點(diǎn)分成多張軸側(cè)圖，方便圖形編輯。只要軸側(cè)圖的圖框定義恰當(dāng)，設(shè)計(jì)人員所需的圖面編輯量就很少，可直接得到成品圖。對(duì)跨片區(qū)管線的單線圖，由不同的設(shè)計(jì)人員分別生成，通過標(biāo)注相鄰管線號(hào)和轉(zhuǎn)接圖號(hào)來處理，可以自定義單線圖。

2.9 材料表生成

該軟件可以生成綜合材料表、管段材料表、設(shè)備表及其他三維模型中有信息的材料表，表格的形式可以定義成自己設(shè)計(jì)院的格式。目前，材料表使用較多的是Excel、PDF格式。生成的材料表可以統(tǒng)計(jì)靜量和動(dòng)量兩種。用三維管道設(shè)計(jì)軟件做材料統(tǒng)計(jì)的好處是統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確，特別適用于工程總承包項(xiàng)目，能有效控制材料費(fèi)用，從而節(jié)省工程總費(fèi)用。專門有軟件可以出材料表，自定義用戶需要的材料表。

2.10 碰撞檢查

配管模型初步建立完成后，首先采用該軟件提供的碰撞檢查功能對(duì)管線進(jìn)行檢查，可以用Navisworks軟件插件在P3D中時(shí)時(shí)檢測(cè)管線的碰撞情況。對(duì)管線與設(shè)備之間、管線與構(gòu)件之間的距離進(jìn)行檢查，對(duì)檢查報(bào)告中提示的碰撞一般分為三類：第一類是直接碰撞，又稱硬碰撞，這種碰撞是由于配管錯(cuò)誤導(dǎo)致的，必須進(jìn)行修改；第二類是預(yù)留空間碰撞，又稱軟碰撞，相鄰元件的間距小于項(xiàng)目的一般規(guī)定，但實(shí)際并未真正發(fā)生硬碰撞，軟碰撞是否需要修改視具體情況而定；第三類是偽碰撞，這是由于描述碰撞體的圖形比真實(shí)的實(shí)體要大而引起的，偽碰撞一般不需要修改。對(duì)發(fā)生碰撞的管線可通過模型編輯功能進(jìn)行修改調(diào)整，以滿足設(shè)計(jì)要求，減少可能發(fā)生的現(xiàn)場(chǎng)修改工作量。

2.11 渲染和動(dòng)畫

設(shè)計(jì)模型可以導(dǎo)出到Navisworks中，利用Navisworks強(qiáng)大的渲染工具進(jìn)行渲染，可以把建成的模型做成效果圖，可供來訪的客戶和兄弟單位參觀，可以作為以后項(xiàng)目的招投標(biāo)素材，展示給業(yè)主證明設(shè)計(jì)實(shí)力，還可以把模型做成AVI格式的漫游工廠媒體播放文件。

2.12 圖紙表格式樣的定義

涉及項(xiàng)目圖紙表格式樣的圖框和表格有平面圖框、ISO圖框、綜合材料表和工藝管線規(guī)格表。該軟件對(duì)表格的定義是完全向用戶開放的，用戶能夠根據(jù)需要，利用軟件中的表格模板模塊定制自己的圖表格式，并產(chǎn)生特定范圍的材料統(tǒng)計(jì)表。準(zhǔn)確的圖紙表格式樣大大減少了設(shè)計(jì)人員對(duì)圖表的編輯修改量，提高了工作效率。

3 結(jié)語

本文較深入地描述和分析了AutoCADPlant 3D設(shè)計(jì)軟件在制藥機(jī)械及其管路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。綜上所述，利用AutoCADPlant3D進(jìn)行制藥機(jī)械及其管路設(shè)計(jì)，不但保證了設(shè)計(jì)的合理性、精確性，最大程度地避免了人為錯(cuò)誤，大幅提高了工作效率，而且降低了設(shè)計(jì)建造費(fèi)用，提高了項(xiàng)目工程的設(shè)計(jì)安全性。