三維模型技術(shù)對(duì)儀表設(shè)計(jì)與施工的優(yōu)化

馬曉柯

(中石化第四建設(shè)有限公司， 天津 300270)

中國(guó)石化行業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)比較成熟的階段，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)趨于飽和，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整穩(wěn)步推進(jìn)，市場(chǎng)開拓方向轉(zhuǎn)為海外的新興市場(chǎng)，國(guó)家欲以優(yōu)質(zhì)的煉化工程為名片，在世界化工建設(shè)領(lǐng)域立一席之地。因此，對(duì)工程企業(yè)提出了更高的要求，促使企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新、增強(qiáng)管理、深化改革等方面尋求突破，提高自身競(jìng)爭(zhēng)力。

國(guó)內(nèi)的石化產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由過(guò)去的粗放向精細(xì)轉(zhuǎn)變，在產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗、環(huán)境保護(hù)、自動(dòng)化、智能化等方面有了更高的要求。石化裝置以工藝技術(shù)的升級(jí)優(yōu)化為引導(dǎo)，設(shè)備、管道、電氣、儀表等各個(gè)專業(yè)的技術(shù)都隨之在提高，增加了大量的測(cè)量、監(jiān)視和控制需求，裝置的設(shè)計(jì)與施工內(nèi)容變得更加復(fù)雜。

隨著“數(shù)字化工廠”概念的提出和發(fā)展，數(shù)字化交付的方式逐漸得到認(rèn)可，越來(lái)越多的石化項(xiàng)目開始應(yīng)用三維模型技術(shù)。三維模型技術(shù)可以模擬生產(chǎn)裝置原貌，真實(shí)表現(xiàn)設(shè)備、管道的外形尺寸、空間位置，并且將相關(guān)數(shù)據(jù)信息集成融合，使實(shí)體裝置數(shù)字化，對(duì)裝置的建設(shè)和生產(chǎn)管理極為有利。

1 三維模型技術(shù)的應(yīng)用情況

目前國(guó)內(nèi)的石化工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，僅對(duì)設(shè)備和管道建模，而電氣、儀表等專業(yè)并不參與建模，裝置的三維模型比較簡(jiǎn)單，對(duì)于儀表專業(yè)設(shè)計(jì)和施工的指導(dǎo)作用并不明顯，也無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化工廠”的理念。儀表專業(yè)室外部分的設(shè)計(jì)和施工是整個(gè)儀表工程的重點(diǎn)，其質(zhì)量至關(guān)重要?，F(xiàn)場(chǎng)工況的復(fù)雜多變，多專業(yè)之間互相影響制約，往往有許多問(wèn)題在設(shè)計(jì)和施工的前期無(wú)法預(yù)見(jiàn)，如果在儀表工程設(shè)計(jì)施工中應(yīng)用三維模型技術(shù)將會(huì)帶來(lái)較大的好處。

與傳統(tǒng)方式相比，三維模型的出現(xiàn)彌補(bǔ)了平面圖紙的不足，借助其可視化的優(yōu)勢(shì)，儀表專業(yè)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程能得到較大的優(yōu)化，對(duì)于整個(gè)工程的質(zhì)量提升也是不可或缺的。同時(shí)，在實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，隨著相應(yīng)工程軟件的配套發(fā)展，三維模型技術(shù)的應(yīng)用還能提高技術(shù)人員的工作效率，減少人工成本。

工程領(lǐng)域的三維模型設(shè)計(jì)軟件有很多種，各有特點(diǎn)，在實(shí)踐中都得到了很好的應(yīng)用。其中，Smart 3D是Intergraph公司出品的工程系列軟件之一，是目前國(guó)內(nèi)外主推的一款工程模型軟件，其內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大，基于服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)模型的實(shí)時(shí)在線修改、存儲(chǔ)和共享。通過(guò)定制三維模型，可以精確建立模型的外形尺寸，完全展現(xiàn)裝置的真實(shí)樣貌。同時(shí)，該軟件支持與Excel和AUTO CAD等文件的數(shù)據(jù)交互，可以基于模型生成需要的圖紙、表單。

2 儀表工程中三維模型技術(shù)的應(yīng)用

2.1 建模設(shè)計(jì)

利用Smart 3D軟件對(duì)儀表設(shè)備建立三維模型，進(jìn)行儀表專業(yè)的可視化設(shè)計(jì)，是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的一種補(bǔ)充和優(yōu)化。

1) 由于模型的存在，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)裝置建成后的樣貌有一個(gè)直觀的感受，也能對(duì)自身的工作成果有所認(rèn)識(shí)和了解，該軟件對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)較少的年輕工程師來(lái)說(shuō)，是非常有幫助的。而業(yè)主也可以通過(guò)三維模型來(lái)提前審查設(shè)計(jì)工作，對(duì)于工程感官質(zhì)量的控制變得更加靈活、更加容易。

2) 儀表專業(yè)設(shè)計(jì)受配管、設(shè)備等專業(yè)的限制比較大，往往牽一發(fā)而動(dòng)全身，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，儀表專業(yè)設(shè)計(jì)的修改量和進(jìn)度壓力會(huì)非常大。當(dāng)各專業(yè)都進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)后，所有三維模型集中在1個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，設(shè)計(jì)人員可以非常直觀地看到裝置現(xiàn)場(chǎng)的布置情況，從而能夠有的放矢地修改儀表、槽板等的位置，有效避免遮擋、碰撞等問(wèn)題。三維模型對(duì)于儀表專業(yè)設(shè)計(jì)工作的深度和準(zhǔn)確度都有很大的提升。

另外，三維模型的建立有利于材料統(tǒng)計(jì)工作的實(shí)施。傳統(tǒng)項(xiàng)目中的儀表材料用量通常都是估計(jì)量加裕量，主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，材料用量很難準(zhǔn)確控制，容易導(dǎo)致施工中出現(xiàn)糾紛，最終的結(jié)果就是材料用量超預(yù)算采購(gòu)量。在三維模型中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)變送器、接線箱、閥門等儀表設(shè)備的位置，準(zhǔn)確計(jì)算電纜、氣源管、支架等各類安裝材料數(shù)量，大幅提高了材料統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，既有利于成本控制，也能做到有據(jù)可查。

在某渣油加氫項(xiàng)目中，某公司首次正式采用Smart 3D軟件設(shè)計(jì)儀表專業(yè)三維模型，建模對(duì)象主要包括變送器、接線箱、氣源分配器、電纜槽板等儀表設(shè)備，而在線儀表、閥門、取源點(diǎn)等依據(jù)設(shè)計(jì)慣例由配管專業(yè)建模。

可視化是三維模型設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)，也是相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在。以變送器為例，設(shè)計(jì)人員可以非常直觀地看到變送器與取源點(diǎn)的位置關(guān)系，以及安裝場(chǎng)地的周邊情況，進(jìn)而根據(jù)氣上液下的原則調(diào)整變送器與取源點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系，旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)變送器到便于安裝檢修的朝向及位置，同時(shí)避開其他的設(shè)備、管道和結(jié)構(gòu)。變送器建模示例如圖1所示。

圖1 變送器建模示例

2.2 圖紙編制

Smart 3D軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)三維建模，還可以將立體轉(zhuǎn)化為平面，根據(jù)需求輸出儀表室外圖、供氣圖、電纜槽圖等各種施工圖紙。利用Drawings and Reports功能，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需求創(chuàng)建圖紙模板，完成映射邏輯定義、圖框圖章編輯、圖面屬性設(shè)置等工作。

在出圖時(shí)，只需定義出圖區(qū)域，通過(guò)調(diào)用編輯完成的圖紙模板，就可以生成相應(yīng)區(qū)域的平面圖紙。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式相比，設(shè)計(jì)人員不再需要在CAD軟件中手動(dòng)編輯圖紙、標(biāo)注文字和符號(hào)，大幅提高了工作效率。同時(shí)，Smart 3D軟件支持多種編輯功能，可以根據(jù)需要定制圖紙，包括儀表符號(hào)的替換、標(biāo)注的形式、報(bào)表類型等內(nèi)容，使用非常靈活。

當(dāng)圖紙需要升版時(shí)，自動(dòng)出圖的優(yōu)勢(shì)則更加明顯。當(dāng)相關(guān)設(shè)計(jì)條件變化后，設(shè)計(jì)人員只需要修改三維模型，平面圖紙則利用update功能進(jìn)行更新，大幅減輕了圖紙修改的工作量，提高了工作效率，有利于項(xiàng)目進(jìn)度管理。同時(shí)，自動(dòng)出圖還能避免一些人工繪圖帶來(lái)的錯(cuò)誤或疏漏，有利于對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的控制。

2.3 模型審查

采用三維建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)， 模型審查是非常重要的一個(gè)管理環(huán)節(jié)，通常以30%，60%，90%完成度為控制節(jié)點(diǎn)，檢查模型設(shè)計(jì)進(jìn)度的完成情況，旨在審定當(dāng)前工作是否存在偏差，偏差多少以及如何修正偏差等問(wèn)題。

模型的可視化使得進(jìn)度控制變得更加容易，對(duì)項(xiàng)目管理非常有利。在模型審查中，一些多專業(yè)交叉的問(wèn)題會(huì)暴露出來(lái)，設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)修改設(shè)計(jì)。儀表專業(yè)施工中發(fā)生概率較高的電纜槽板與管道碰撞等問(wèn)題，通過(guò)三維建模和模型審查，完全可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)和解決，從根本上杜絕了該類問(wèn)題的發(fā)生。

2.4 輔助施工

在施工準(zhǔn)備階段，施工技術(shù)人員可以通過(guò)三維模型了解裝置概況，分析施工可行性及施工難點(diǎn)，更加有針對(duì)性地編制施工組織設(shè)計(jì)。模型與圖紙相結(jié)合，技術(shù)人員也會(huì)更容易理解設(shè)計(jì)意圖，并且可以借助三維模型進(jìn)行可視化交底工作，向作業(yè)人員交代一些施工難點(diǎn)問(wèn)題，幫助作業(yè)人員牢記施工方法和注意事項(xiàng)。

此外，在施工階段，技術(shù)人員可以方便快捷地在模型上完成測(cè)量、定位等工作，以配合現(xiàn)場(chǎng)施工，提高了工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

如某項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)存在的施工問(wèn)題： 分析儀表安裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，分析儀供水回水管線的預(yù)留管嘴完全一樣，無(wú)法區(qū)分，在單管圖中也沒(méi)有找到明顯差別，僅憑圖紙無(wú)法確定供水回水，安裝工作無(wú)法繼續(xù)。最終，技術(shù)人員在三維模型中搜索并定位分析儀位置，找到了相應(yīng)的管嘴，通過(guò)查看2條管線的屬性，以管線號(hào)判別供水管與回水管，從而解決了該問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

石化項(xiàng)目中三維模型技術(shù)對(duì)儀表專業(yè)設(shè)計(jì)和施工的幫助和優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1) 設(shè)計(jì)深度增加，有助于把握設(shè)計(jì)的合理性與可操作性，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2) 減輕了重復(fù)的圖紙升版、修改工作，利于進(jìn)度控制和降本增效。

3) 優(yōu)化施工進(jìn)程，對(duì)施工組織、技術(shù)交底、作業(yè)質(zhì)量等方面有極大的幫助和提升。

4) 輔助技術(shù)人員解決施工問(wèn)題，能有效提高工作效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。