三維設(shè)計(jì)在某海外工程中的優(yōu)勢分析

何坤鸝

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

在工業(yè)項(xiàng)目中,管道和線纜的布置較為復(fù)雜，要在有限的空間內(nèi)， 使各專業(yè)管線布局既能滿足工藝要求、設(shè)計(jì)規(guī)范，又便于施工維修，還能合理規(guī)劃空間以保證安全通行，并充分考慮后期預(yù)留等，是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作[1]。三維設(shè)計(jì)作為一種新的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，經(jīng)過近些年的實(shí)踐與推廣，其優(yōu)勢越來越明顯，已逐步在各種大型項(xiàng)目，尤其是海外項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。

1 二維設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)模式對比

1.1 二維設(shè)計(jì)模式與缺點(diǎn)

二維CAD 設(shè)計(jì)作為傳統(tǒng)的工業(yè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)手段。相較于最初的手工制圖，確實(shí)有利于提高設(shè)計(jì)效率，但其缺點(diǎn)也很明顯。二維設(shè)計(jì)的工作模式是：設(shè)計(jì)方利用積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)狀設(shè)計(jì)出二維圖紙；施工方依據(jù)圖紙制定施工方案。在施工過程中遇到諸如碰撞等情況時(shí)，施工單位通常會暫停施工，與設(shè)計(jì)方溝通、確認(rèn)解決方案后，再繼續(xù)施工，直到項(xiàng)目完工。 這種工作模式，往往難以控制項(xiàng)目的工期。

此外，以管道設(shè)計(jì)為例，二維設(shè)計(jì)確定管道定位、標(biāo)高和走向，只能抽象規(guī)劃管線，準(zhǔn)確度不高，材料量統(tǒng)計(jì)靠人工測量、計(jì)算，為保證材料充足，一般習(xí)慣上會乘以一個系數(shù)，從而造成不必要的材料浪費(fèi)。

1.2 三維設(shè)計(jì)思路與優(yōu)勢

三維設(shè)計(jì)思路是：先按照工藝需要、進(jìn)度計(jì)劃的要求，結(jié)合設(shè)計(jì)資料及工程經(jīng)驗(yàn)建立設(shè)備、結(jié)構(gòu)和管道的三維模型，制定出初步設(shè)計(jì)方案；將建立好的三維模型托管到三維工作空間， 對各專業(yè)模型進(jìn)行組裝，模擬施工現(xiàn)場的情景。通過組裝好的模型可直觀地從三維視角檢查各類模型間的相對關(guān)系、 碰撞情況，便于發(fā)現(xiàn)不合理的設(shè)計(jì)，在施工前及時(shí)修訂、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減少設(shè)計(jì)誤差，直至得到最佳的設(shè)計(jì)方案。 這種設(shè)計(jì)模式，極大地提高了施工效率，也提高了設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度。 同時(shí)， 由于三維設(shè)計(jì)建立的3D 模型及所有組件都是根據(jù)實(shí)物1∶1 的電子模擬，尺寸和實(shí)際一致,可以用測量工具準(zhǔn)確量出尺寸和距離，精確地調(diào)整管道的定位，解決碰撞問題，有效避免了施工安裝過程中因發(fā)生碰撞造成的返工。

另外， 三維設(shè)計(jì)中的材料量可以根據(jù)實(shí)際模型的數(shù)量和長度自動統(tǒng)計(jì)，節(jié)省了人工計(jì)算的工作量，數(shù)量統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度高，能有效節(jié)約10%的材料成本。

以某海外工程為例， 圖1 為該項(xiàng)目電積車間設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)的泵出口管道碰撞問題， 圖2 是該項(xiàng)目電積車間不同方向液體管道產(chǎn)生了碰撞。 這些碰撞問題，在設(shè)計(jì)階段被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，避免了后期可能造成的返工。

圖1 電積車間泵出口管道碰撞

圖2 電積車間不同方向液體管道碰撞

2 三維設(shè)計(jì)優(yōu)勢在某海外項(xiàng)目中的體現(xiàn)

2.1 某海外項(xiàng)目簡介

剛果金某濕法冶煉項(xiàng)目為一個典型的改造擴(kuò)建項(xiàng)目，1997 年至今已經(jīng)多次更換業(yè)主。2006 年，該項(xiàng)目由某海外公司進(jìn)行設(shè)計(jì)，3 年后該項(xiàng)目與當(dāng)?shù)卣勁邪l(fā)生爭議，暫停建設(shè)。當(dāng)時(shí)設(shè)備部分采購，并未完全安裝。 2012 年項(xiàng)目業(yè)主又一次變更，次年由另一家海外工程公司開始工藝設(shè)計(jì)修改，同年下半年因資金短缺，項(xiàng)目再次暫停。 2015 年，中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“中國瑞林”）承接了該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。

2.2 設(shè)計(jì)模式選擇

中國瑞林經(jīng)過重新評估，認(rèn)為需要在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上作出設(shè)計(jì)修改。 針對該項(xiàng)目多次更換業(yè)主、 多次設(shè)計(jì)并經(jīng)歷了較長的建設(shè)周期的特點(diǎn)，中國瑞林在該項(xiàng)目中采用了目前世界上通用的Bentley 三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，取得了優(yōu)良的設(shè)計(jì)效果，獲得業(yè)主的好評。

2.3 某海外項(xiàng)目中的三維設(shè)計(jì)優(yōu)勢分析

1）在改擴(kuò)建項(xiàng)目中引入Bentley 三維設(shè)計(jì)，能高效彌補(bǔ)原有設(shè)計(jì)的不足。 原有設(shè)計(jì)系某海外公司采用二維手段設(shè)計(jì)，其圖紙習(xí)慣和國內(nèi)有差別，圖紙消化耗費(fèi)時(shí)間。 如果用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)思路來做這個項(xiàng)目，需要設(shè)計(jì)人員在大腦中重構(gòu)原有設(shè)計(jì)現(xiàn)場畫面，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且準(zhǔn)確性低，極容易忽略細(xì)節(jié)。而三維設(shè)計(jì)思路，是首先用三維建模技術(shù)還原原有設(shè)計(jì)，再結(jié)合各專業(yè)工藝要求，直接在模型上對原有設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查、修改，這種方式可顯著提高設(shè)計(jì)效率。 在該項(xiàng)目建模過程中， 設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)原二維圖紙中的尺寸標(biāo)注、標(biāo)高等信息出現(xiàn)多處錯誤。通過采用三維手段對錯誤進(jìn)行了糾正對原方案進(jìn)行改進(jìn)， 使設(shè)計(jì)更合理、準(zhǔn)確。 該項(xiàng)目按照原二維設(shè)計(jì)圖紙建立三維模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)管道出現(xiàn)碰撞情況示例見圖3。

圖3 原二維設(shè)計(jì)電積車間含酸介質(zhì)管道出現(xiàn)碰撞

由圖3 所示，電積車間1 根含酸介質(zhì)管道和工藝主管發(fā)生碰撞，實(shí)際施工時(shí)是無法安裝的。這種情況在原二維圖紙中無法直觀反映，很容易在設(shè)計(jì)過程中被忽視，而只能留待施工過程中再反映出來。采用三維設(shè)計(jì)手段后，該問題在三維模型中及時(shí)被發(fā)現(xiàn)并得以修正，免去了返工工作量。 根據(jù)實(shí)際管位空間情況和工藝條件，修改后的電積車間含酸介質(zhì)管道見圖4。

圖4 修改后電積車間含酸介質(zhì)管道

由此可見，在改擴(kuò)建項(xiàng)目中，利用三維模型能直觀地反映出管道、設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間相對空間關(guān)系，對原有設(shè)計(jì)作出的調(diào)整更為客觀，更有價(jià)值，在解決有限的空間內(nèi)管道碰撞問題更為高效。

2）以PID 管道流程圖為基礎(chǔ)建模，能夠直觀檢查管道布置的合理性，利于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。工藝管道PID 流程圖是管道三維設(shè)計(jì)的依據(jù)。 工藝管道PID的繪制一般是根據(jù)工藝需要進(jìn)行的， 往往沒有考慮到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境（包括設(shè)備及結(jié)構(gòu)件的特殊位置、管線規(guī)劃線路等各方面因素）， 等到現(xiàn)場施工時(shí)，則往往會出現(xiàn)管道無法正常連接的情況。 根據(jù)PID 管道流程圖建立的三維模型， 能直觀地觀察到管道的連接情況，便于檢查PID 管道流程圖的合理性，發(fā)現(xiàn)PID 中的不足，從而優(yōu)化PID 的設(shè)計(jì)，使其更符合工程實(shí)際情況。以該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，電積子項(xiàng)與綜合管網(wǎng)對接處管道模型為例(圖5)：根據(jù)該工藝管道的PID圖， 此處需要有2 根進(jìn)水管，1 根DN50， 另1 根DN300。 然而通過三維建模，發(fā)現(xiàn)這2 根進(jìn)水管的方向是平行的， 而此處管網(wǎng)的管位空間有限， 經(jīng)過計(jì)算，考慮將原有的2 根給水管合并為1 根DN300管道，再從DN300 給水管上分出1 個支管供水。

圖5 電積子項(xiàng)與綜合管網(wǎng)對接處管道模型

3）采用協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺，便于協(xié)同工作和項(xiàng)目管理。在大型項(xiàng)目中，三維建模提高設(shè)計(jì)效率主要體現(xiàn)在多人協(xié)作同時(shí)設(shè)計(jì)上。 大型建設(shè)項(xiàng)目子項(xiàng)多或者規(guī)模大，往往由多人負(fù)責(zé)某個區(qū)域或者不同子項(xiàng)的模型建立。 通過將不同子項(xiàng)的模型托管到1 個數(shù)據(jù)托管平臺上進(jìn)行組裝， 就可以得到整個項(xiàng)目的三維模型。 通過組裝文件，能直觀地了解到各子項(xiàng)、各專業(yè)的對接點(diǎn)是否存在誤差或沖突，便于調(diào)整；也有利于相關(guān)方進(jìn)行項(xiàng)目進(jìn)度管理。

該項(xiàng)目工藝包括尾礦回收、浸出等7 個子項(xiàng)，以及供水、供電等10 個公輔設(shè)子項(xiàng)。 項(xiàng)目采用Project Wise 軟件作為協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺， 各子項(xiàng)同時(shí)建模，并利用Project Wise 軟件進(jìn)行組裝。 由于該項(xiàng)目規(guī)模大， 子項(xiàng)組裝可以根據(jù)需要部分組裝或者整體組裝，操作靈活，各專業(yè)間實(shí)現(xiàn)了邊設(shè)計(jì)邊對圖，有效統(tǒng)一了不同子項(xiàng)、不同專業(yè)間的設(shè)計(jì)。圖6 為該項(xiàng)目銅電積儲罐子項(xiàng)和電積車間子項(xiàng)的組裝模型。

圖6 子項(xiàng)間三維模型組裝

基于元件庫和等級庫建立的三維工廠模型，能自動生成施工交付文件，如管道軸測圖、平立剖圖[2]和支吊架詳圖等。 而通過ProjectWise 平臺，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以在不同的工作地點(diǎn)同時(shí)共享項(xiàng)目資料， 共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)[3]。 各專業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)資料、三維信息模型、 抽取的二維圖紙及工程量統(tǒng)計(jì)表也使用該平臺進(jìn)行管理，通過相應(yīng)的人員及權(quán)限管理，使多個專業(yè)的工程師可以共享數(shù)據(jù)和模型， 避免了二維設(shè)計(jì)階段各專業(yè)間未按序提交設(shè)計(jì)資料和因?yàn)橘Y料不統(tǒng)一造成的設(shè)計(jì)錯誤。 同時(shí)，建設(shè)方、設(shè)計(jì)方和施工方也可以在設(shè)計(jì)前、中、后期隨時(shí)共享上述信息，使三方對于項(xiàng)目進(jìn)度的掌控和管理更加直觀、便捷。

3 經(jīng)驗(yàn)與啟示

海外項(xiàng)目與國內(nèi)項(xiàng)目有著明顯的差異。比如，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同、提交設(shè)計(jì)成果及深度不同、專業(yè)劃分不同等，且海外項(xiàng)目往往規(guī)模較大、工期緊，技術(shù)難度高，對設(shè)計(jì)質(zhì)量要求高，一旦發(fā)生設(shè)計(jì)變更或施工安裝過程中的返工狀況，延誤工期，則可能造成更昂貴的代價(jià)[4]。 尤其對于此類改擴(kuò)建項(xiàng)目而言，由于涉及到的變更更多，且存在原設(shè)計(jì)資料不完整或設(shè)計(jì)資料與現(xiàn)場實(shí)際情況不符等情況，三維設(shè)計(jì)更加凸顯了其優(yōu)勢。

三維設(shè)計(jì)能可視化模擬設(shè)計(jì)成果， 使設(shè)計(jì)方案的空間規(guī)劃更為直觀， 為科學(xué)地修改設(shè)計(jì)方案提供有力保障。在以往采用三維設(shè)計(jì)手段的海外項(xiàng)目中，施工階段錯誤少，施工順利，工期能得到有效控制，受到業(yè)主和施工單位的一致好評。 此次該海外項(xiàng)目充分利用Bentley Open Plant Modeler 三維軟件及Project Wise 協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，快捷地整理、消化了原有設(shè)計(jì)的問題，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大提高了工作效率，滿足了項(xiàng)目要求，其經(jīng)驗(yàn)值得在類似海外項(xiàng)目中借鑒推廣。

4 結(jié)語

三維模型是三維可視化技術(shù)的產(chǎn)物， 通過托管平臺，實(shí)現(xiàn)多方參與施工方案預(yù)演，可不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工方案；統(tǒng)計(jì)材料精準(zhǔn)，減少了施工服務(wù)的工作量。目前，很多項(xiàng)目都已經(jīng)受益于三維設(shè)計(jì)帶來的便利。 隨著國家重視制造業(yè)的智能化、信息化發(fā)展，工程數(shù)據(jù)對接項(xiàng)目管理為三維設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展提出了工程項(xiàng)目數(shù)字化移交的新要求。 相信隨著信息技術(shù)的發(fā)展，未來三維數(shù)字移交模式將更為廣泛地為廣大業(yè)主單位和設(shè)計(jì)單位接受，并使三維設(shè)計(jì)在海外項(xiàng)目中發(fā)揮更大的作用。