基于Revit設備族庫的電機工廠三維工藝布局

王學宇，江濤，謝

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410007）

廠房建設是制造企業(yè)進行生產活動的開端，也是最重要組成部分之一。不同于一般的房屋建設，廠房建設因涉及生產設備而更加復雜、更具不可重復性。工藝布局規(guī)劃就是要對生產設備進行合理布置，使之形成高效生產力，并據此對廠房主體進行設計。正因如此，工藝布局規(guī)劃在工廠設計中顯得尤為重要，它是廠房設計的最重要組成部分，科學合理的工藝規(guī)劃可以使設備運行更加高效、工人操作更加便捷、物流運轉更加順暢、車間管理更加有序。隨著整個社會信息化、智能化發(fā)展不斷深入，三維工藝規(guī)劃越來越受到重視。本文就三維工藝規(guī)劃的優(yōu)勢和可行性進行了探討，重點闡述電機工廠三維工藝設備族庫的建立，為電機工廠的三維工藝布局提供了可能性。

1 二維工藝布局與三維工藝布局對比

工程圖紙是工程設計中信息溝通與信息傳遞的重要媒介，從前期方案交流討論到最終施工藍圖，圖紙作為設計師與業(yè)主、施工方等各方之間交流的工程語言，發(fā)揮著極其重要的信息傳遞作用。圖紙所表達內容的完整性、準確性、可續(xù)性以及可讀性對其所傳遞的信息能否被完全理解有著最直接的影響。當前工程設計中，二維設計仍是主流，設計師與業(yè)主、其他專業(yè)設計師之間的交流溝通均以二維圖紙為對象。在車間工藝布局規(guī)劃中也是如此，其圖紙表達方式主要為以建筑平面圖為基礎進行二維樣片規(guī)劃，同時借助剖面對最高設備高度進行體現。該方法簡單、易行，可以直觀反映出建筑物與設備之間、設備與設備之間的平面相對位置關系，有助于提高車間平面利用率，也為工藝設計工程師與業(yè)主、其他專業(yè)工程師等相關人員的溝通提供了一種可能性。但實際應用過程中，二維工藝布局仍存在明顯不足。一方面，它無法反應設備、廠房之間的空間位置關系，尤其是有行車、管線復雜的車間，易造成設備、行車、管線、建筑物門窗等之間的相互干涉。另一方面，二維設備樣片是二維工藝布局中最重要的組成部分，樣片的設計與制作過程中，為了便于表達對設備進行了不同程度的簡化，很多樣片非專業(yè)人員無法識別，更不用說對其空間結構的理解。這就必然導致溝通過程中的反復與不暢，形成溝通障礙，甚至造成誤解，不利于更優(yōu)工藝布局方案的形成，也不利于其他專業(yè)工程師在設計過程中綜合考慮設備對其設計的影響。

三維工藝布局可以很好的規(guī)避上述兩方面問題。三維表達方式更直觀、更美觀、更符合人們的視覺習慣，讓每個人都能輕松讀懂布局規(guī)劃內容。方案設計階段，采用三維工藝布局這種直觀的表達方式，有利于企業(yè)高層管理人員對工藝方案的理解，引導他們從宏觀上對設計方案提出建設性意見和原則性事項，從而設計出更契合企業(yè)實際需求，能同時滿足操作工人、車間管理人員、工藝規(guī)劃人員以及高層管理人員等各方面需求的工藝方案。這樣的方案能最大程度的避免后期設計過程中方案的大幅調整甚至推倒重來，也就避免了因此而造成的設計上的反復，對項目的順利推進大有裨益。設計過程中，三維工藝布局可以與其他各專業(yè)實現協(xié)同，讓設備在各專業(yè)設計中有效體現，從而避免各專業(yè)與工藝設備之間的干涉或可能存在的相互影響。此外，三維布局還對工藝設備的安裝、吊裝方案制定有一定的指導意義。

2 三維工藝布局難點分析

相比傳統(tǒng)的二維工藝布局，三維工藝布局優(yōu)勢顯著，卻難以在實際設計中得到推廣和普及應用，究其原因，主要受制于以下三個方面：三維軟件的選擇、技術團隊的組建、設備模型庫的建立。

首先是設計軟件的選擇。三維工藝布局必然需要用到三維設計軟件，事實上，目前市場上可用于三維工程設計的軟件很多，也有專門用于工藝布局與仿真的軟件，孰優(yōu)孰劣各有說法，每種軟件的側重點不同而已。因此，本文不再贅述各類軟件之優(yōu)劣，只闡明如何選擇適合設計院自身的設計軟件。需要注意的是，工廠是一個涉及不同專業(yè)的龐大綜合系統(tǒng)，工藝專業(yè)雖然是各專業(yè)的龍頭，但并不是唯一組成，還有總圖規(guī)劃、建筑、結構、給排水、暖通空調、動力、電氣等專業(yè)。因此，在選擇設計軟件時必須兼顧各專業(yè)，與此同時，還應考慮設計院當前所應用三維軟件的實際情況。中機國際工程設計研究院有限責任公司作為一家綜合性設計研究院，較早的開展了Revit的三維設計工作，并已成熟應用于多個項目。Revit具有較強的族庫模型建模能力，大部分工藝設備可直接用其建模。而對于復雜工藝設備或者要求比較精細的非標設備，可以采用Inventor軟件。Inventor軟件是一款工藝設計軟件，有強大的模型搭建能力，新版Inventor軟件可以簡單實現與Revit的數據交換。在Inventor中定義的接頭可以在Revit中通用，且模型可直接導出為Revit中的族文件。因此，采用Revit進行三維工藝布局是可行的，可以實現各專業(yè)的協(xié)同設計，有利于高效完成整個廠房系統(tǒng)的設計。

其次是技術團隊的組建，軟件是工具，三維工藝布局能否實現關鍵還是在于設計師能否用好軟件。中機國際成立了專門的BIM設計數字化信息所，其設計作品屢獲大獎，該所的工程師能為三維設計提供必要的技術支撐。與此同時，通過定期培訓，全院的工程師均具備了BIM設計能力，工藝工程師能獨立運用Revit完成族模型的建立、進行工藝布局。

第三，是工藝設備模型庫的建立。工廠設計涉及的工藝設備種類各異、數量繁多，因此，必須對各類各型號設備進行一一建模。為保證表達的準確性，三維工藝布局里的設備模型不能簡單用一個長方體或圓柱體示意，而應與實際設備在外形尺寸、組成部件等方面保持一致，且顏色外觀也應基本相近。再加上各設備復雜程度不一，建模時間很難預估，但必然遠遠超過二維樣片。因此，有必要建立一個種類齊全、數量眾多的模型庫供設計使用。實際設計過程中，除個別非標設計需要單獨建模外，大部分設備可以直接從模型庫中選用或只需進行少量調整即可使用，只有這樣，才能確保設計的高效性。上述三個方面對大部分設計院或設計師而言，由于沒有良好的技術積累，很難突破。對于筆者所在的設計院，前兩個方面實際上已經有了相應的解決方案。因此，第三方面工藝設備模型庫的建立，才是能否實現電機工廠三維工藝布局的關鍵所在。

3 電機工廠設備族庫的建立

電機是一種實現電能向其他形式能量（主要為機械能）轉換與傳遞的機電裝置。作為一種復雜的機電耦合系統(tǒng)，電機生產制造流程比較復雜，主要生產設備包括機加、沖壓、焊接、電工、裝配、起重運輸等。為確保族庫模型在工藝布局時的完整性與有效性，電機工廠設備族庫需包含上述各類設備，且模型所含信息應包括設備外形尺寸、功率、加工能力參數等。因此，建立電機三維族庫并不是一個簡單的建模過程，而是一項系統(tǒng)工程。設備族庫的建立第一個需要解決的問題是必須收集足夠多、足夠準確、符合設計要求的設備信息。在實際信息收集過程中，主要途徑包括我院60余年積累的設計文件、工藝專業(yè)設計中積累的產品樣本、各主要廠家官網上相關設備資料以及通過電話咨詢、參加設備展等收集的資料。為保證模型庫的實用性，所收集產品信息針對性較強，所選設備均為電機行業(yè)常用的且較為先進的設備。然后是對收集的信息進行分析、整理。為提升建模效率，便于實現設備模型的可參數化，在保證設備外形完整性與可識別性的前提下，對設備進行適度簡化，同時，對所有設備進行分類，確定模型命名原則，方便日后管理。最后，根據整理好的設備信息，用相關軟件對所有設備分類建模。目前，共完成電機工廠設備模型400余臺套，通過參數化可以實現至少1000余臺套設備模型，基本滿足電機工廠工藝布局需求。

4 三維電機工廠機加車間示例

在Revit軟件中，應用所建立的設備模型庫，對電機機加車間進行三維工藝布局，如圖1所示。設備模型包括數控臥車、數控立車、外圓磨床、地腳銑床、數控鍵槽銑床、搖臂鉆床、落地鏜銑床、平衡吊、行車、立體庫等。圖1中，可以清晰的觀察到各設備的位置及其與附近設備、廠房的空間關系，據此可以更直觀的對車間工藝布局進行討論、優(yōu)化。

圖1 機加車間示意圖

5 結語

本文以電機工廠三維工藝布局為研究對象，在對三維工藝布局的優(yōu)勢及難點進行分析的基礎上，詳細闡述了建立設備族庫的必要性以及建模過程。該設備模型庫的建立，使電機工廠三維工藝布局成為可能，提高了工廠設計過程中的可視性，對更科學、更合理工藝布局的形成具有重要意義。