三維設(shè)計(jì)在高溫氣冷堆核電站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

秦旭映 宋元鑫 錢寬

[摘? ? 要] 核電站設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極其龐大且復(fù)雜的工作，必須采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段。20萬千瓦高溫氣冷堆核電站示范工程的核島設(shè)計(jì)采用了三維設(shè)計(jì)軟件Smart 3D，創(chuàng)建了全比例三維模型，在虛擬的空間工廠中進(jìn)行了三維工藝布置，并實(shí)現(xiàn)了管線綜合與碰撞檢查。三維設(shè)計(jì)在高溫氣冷堆示范工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用表明，三維設(shè)計(jì)有助于提高核電站設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，在60萬千瓦高溫氣冷堆核電站設(shè)計(jì)優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化過程中值得大力推廣。

[關(guān)鍵詞] 高溫氣冷堆;核電站設(shè)計(jì);三維設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 11. 078

[中圖分類號] TP311? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）11- 0180- 02

0? ? ? ?引? ? 言

高溫氣冷堆具有安全性好、發(fā)電效率高、小容量模塊化建造等特點(diǎn)[1]。20萬千瓦高溫氣冷堆核電站示范工程，是全球首座具有第四代核能系統(tǒng)安全特征的核電站。

隨著硬件技術(shù)的迅速發(fā)展， 近年來一些國際知名的軟件公司逐步開發(fā)和完善了一批能夠付之于工廠設(shè)計(jì)的三維整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這些設(shè)計(jì)系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的在二維平面進(jìn)行圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的概念，將工程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化到在一個真正的三維電子空間建立工廠實(shí)體模型的實(shí)踐[2]。

對于高溫堆示范工程而言，其核島設(shè)計(jì)應(yīng)用了上述三維工廠設(shè)計(jì)手段，采用了計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件Smart 3D，創(chuàng)建了全比例三維模型，實(shí)現(xiàn)了三維工藝布置。通過三維設(shè)計(jì)在示范工程中的實(shí)際應(yīng)用，證明了三維設(shè)計(jì)在提高核電站設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率等方面的重要性，在60萬千瓦高溫氣冷堆核電站設(shè)計(jì)優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化中值得大力推廣。

1? ? ? 三維設(shè)計(jì)在高溫堆示范工程中的應(yīng)用

三維設(shè)計(jì)在高溫氣冷堆示范工程核島設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要包括4個方面。

1.1? ?三維布置

由于工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要以建筑專業(yè)的軸線或墻體予以定位，所以需要首先完成建筑專業(yè)三維建模工作。高溫堆示范工程三維設(shè)計(jì)組按照工程進(jìn)度計(jì)劃，收集各設(shè)計(jì)項(xiàng)的設(shè)計(jì)接口資料，根據(jù)設(shè)計(jì)接口資料提交的設(shè)計(jì)圖紙，首先利用Smart 3D中的Structure模塊，繪制核島廠房的建筑軸線、墻體、樓板、結(jié)構(gòu)梁柱等。

在建筑模型完成的基礎(chǔ)上，開展工藝系統(tǒng)的三維布置工作。給各專業(yè)分配不同的專業(yè)權(quán)限，專業(yè)之間的設(shè)計(jì)能相互查看，但不能修改，不會產(chǎn)生干擾，所以針對不同的設(shè)計(jì)項(xiàng)，可以多人同時開展三維布置工作。

利用Smart 3D軟件的管道模塊對工藝管道專業(yè)進(jìn)行精確的三維布置，各系統(tǒng)建立了自身的三維管道模型。利用Smart 3D軟件的通風(fēng)模塊對高溫堆示范工程的通風(fēng)和負(fù)壓排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行三維布置，從而形成了通風(fēng)系統(tǒng)三維模型。利用Smart 3D軟件的電氣模塊，完成高溫堆示范工程廠房內(nèi)電纜托盤的布置。

1.2? ?管線綜合與碰撞檢查

高溫堆示范工程設(shè)計(jì)過程中不可避免會出現(xiàn)各專業(yè)間的干涉問題。這就要求設(shè)計(jì)人員通過管線綜合、碰撞檢查，盡快發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的干涉問題。

示范工程三維設(shè)計(jì)組根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)提交的設(shè)計(jì)圖紙完成三維建模后，通過開啟三維設(shè)計(jì)軟件的碰撞檢查功能，進(jìn)行工藝系統(tǒng)之間的干涉計(jì)算，并在三維模型中自動標(biāo)記存在干涉問題的準(zhǔn)確位置，形成碰撞檢查報(bào)告。

通過管線綜合與碰撞檢查，將高溫堆示范工程設(shè)計(jì)中存在的問題盡可能在施工圖設(shè)計(jì)階段解決，以減少后期現(xiàn)場安裝的碰撞和干涉。

1.3? ?抽取綜合布置圖

繪制綜合布置圖是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的工作，在示范工程應(yīng)用中，從三維設(shè)計(jì)中抽取出了綜合布置圖，這是完成綜合布置圖比較高效的手段。通過綜合布置圖，可以了解到安裝區(qū)域存在哪些設(shè)計(jì)項(xiàng)、各工藝系統(tǒng)的基本布置情況，可以直接用來指導(dǎo)施工、安排施工次序，可以控制各專業(yè)和分包的施工工序，減少返工，加快施工進(jìn)度。

1.4? ?抽取ISO圖和材料清單

在示范工程的實(shí)際應(yīng)用中，按照ISO圖出圖深度規(guī)定，結(jié)合Smart 3D軟件功能，經(jīng)過對高溫堆示范工程出圖模板的定制，實(shí)現(xiàn)了從Smart 3D抽取各工藝系統(tǒng)ISO圖，并針對導(dǎo)出ISO圖的管道導(dǎo)出詳細(xì)的材料清單。

2? ? ? 存在的問題和解決措施

三維設(shè)計(jì)在高溫堆示范工程設(shè)計(jì)過程中起到了舉足輕重的作用，但是實(shí)際應(yīng)用中，還存在一些問題，本文提出解決措施。

2.1? ?采用SmartPlant P&ID繪制流程圖

在高溫堆示范工程的三維設(shè)計(jì)應(yīng)用中，各工藝系統(tǒng)通過Auto CAD二維設(shè)計(jì)軟件繪制系統(tǒng)工藝流程圖，這種方式無法和三維設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，即：工藝流程圖與三維布置之間沒有任何數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，也就不能校驗(yàn)工藝流程圖和三維布置的一致性。在后續(xù)工程中，可以通過利用與已有三維設(shè)計(jì)軟件相結(jié)合的SmartPlant P&ID工藝流程圖設(shè)計(jì)工具開展工藝流程圖設(shè)計(jì)，通過這種方式能夠?qū)⒐に嚵鞒虉D的數(shù)據(jù)傳遞到三維設(shè)計(jì)平臺，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性。

2.2? ?增加對支吊架開展三維布置

高溫堆示范工程三維設(shè)計(jì)時，只完成了設(shè)備、工藝管道、通風(fēng)管道、電纜橋架的三維布置，然后進(jìn)行碰撞檢查，沒有對支吊架進(jìn)行詳細(xì)的布置，嚴(yán)重影響了三維碰撞檢查的精度，也無法從三維設(shè)計(jì)工具抽取支吊架圖紙。在后續(xù)工程中，需要開發(fā)定制布置所需的各種形式支吊架，在布置時對支吊架進(jìn)行精確的選型和定位，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)更加完整，碰撞檢查更加精確。

2.3? ?提前定制管道、電纜橋架等級庫

高溫堆示范工程三維設(shè)計(jì)之前，沒有定制嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓艿赖燃?、通風(fēng)等級和電纜橋架等級，在三維布置時，無法嚴(yán)格選取設(shè)計(jì)所需要的等級，導(dǎo)致無法從三維設(shè)計(jì)軟件抽取準(zhǔn)確的材料報(bào)表。在后續(xù)工程開展三維設(shè)計(jì)之前，需提前針對三維設(shè)計(jì)軟件定制完整的管道等級、通風(fēng)管道等級和電纜橋架等級庫，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)軟件自動導(dǎo)出材料報(bào)表。

2.4? ?優(yōu)化三維設(shè)計(jì)工作模式

高溫堆示范工程的三維設(shè)計(jì)工作模式存在如下問題：設(shè)計(jì)項(xiàng)完成二維平面布置，通過接口資料提交三維組，由三維組根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)提供的二維平面圖紙進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行碰撞檢查，將碰撞詳情反饋給設(shè)計(jì)項(xiàng)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)返回的布置意見修改三維模型，如此反復(fù)，直至解決碰撞問題。這種三維設(shè)計(jì)方式?jīng)]有完全發(fā)揮三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，而且設(shè)計(jì)項(xiàng)對三維組提接口時容易出現(xiàn)版本混亂或者接口資料漏提的情況，導(dǎo)致由三維組根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)接口資料完成的三維模型可能與設(shè)計(jì)項(xiàng)最終出版的施工圖不一致，也直接影響碰撞檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在后續(xù)工程中，設(shè)計(jì)項(xiàng)直接在三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺開展設(shè)計(jì)工作，并且從三維設(shè)計(jì)軟件抽取各專業(yè)的施工設(shè)計(jì)圖紙，保證三維模型和出版施工圖的一致性。

3? ? ? 三維設(shè)計(jì)在60萬千瓦高溫氣冷堆核電站中的應(yīng)用展望

在高溫氣冷堆示范工程基礎(chǔ)上，清華大學(xué)等相關(guān)單位正在積極推進(jìn)高溫氣冷堆技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化工作。60萬千瓦高溫氣冷堆核電站是20萬千瓦高溫氣冷堆核電站示范工程的后續(xù)主打堆型。在示范工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)要開展好60萬千瓦高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化工作，而三維設(shè)計(jì)是促進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化工作的有效手段。本文對三維設(shè)計(jì)在60萬千瓦高溫氣冷堆核電站中的應(yīng)用提出如下展望。

3.1? ?大力推動使用統(tǒng)一的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺

所有設(shè)計(jì)項(xiàng)在統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺開展設(shè)計(jì)工作，在統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺中為設(shè)計(jì)項(xiàng)定制不同權(quán)限組，實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)項(xiàng)之間可互相查看三維布置情況，但不可對不同設(shè)計(jì)項(xiàng)的布置予以修改和刪除;統(tǒng)一定制工廠結(jié)構(gòu)，工廠結(jié)構(gòu)的每一個節(jié)點(diǎn)設(shè)置對應(yīng)的權(quán)限組，以實(shí)現(xiàn)每個設(shè)計(jì)項(xiàng)只能將三維模型布置在所屬的工廠節(jié)點(diǎn)，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

3.2? ?引入SmartPlant P&ID工藝流程圖設(shè)計(jì)軟件

根據(jù)高溫堆示范工程的經(jīng)驗(yàn)，定制適用于60萬千瓦高溫氣冷堆核電站的工藝流程圖圖例，采用SmartPlant P&ID設(shè)計(jì)和繪制工藝流程圖，并將數(shù)據(jù)傳遞到Smart 3D三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維建模，檢查工藝流程圖與三維布置的一致性。

3.3? ?定制等級庫

根據(jù)示范工程的經(jīng)驗(yàn)以及管道管件標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)手冊，開發(fā)適用于60萬千瓦高溫氣冷堆核電站的閥門外形，定制管道等級庫。與相關(guān)專業(yè)溝通確定60萬千瓦高溫氣冷堆核電站所需通風(fēng)和電纜橋架的等級，定制三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺的通風(fēng)和電纜橋架等級庫。最終將等級庫導(dǎo)入三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺，為三維設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依托。

3.4? ?定制支吊架庫

根據(jù)高溫堆示范工程的經(jīng)驗(yàn)以及經(jīng)過各設(shè)計(jì)項(xiàng)確認(rèn)的支吊架類型，開發(fā)適用于60萬千瓦高溫氣冷堆核電站的不同形式支吊架符號，并導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)庫，以便各設(shè)計(jì)項(xiàng)在進(jìn)行三維布置時，能夠選取所需的各種形式支吊架。

3.5? ?定制三維圖紙、報(bào)表模板

定制60萬千瓦高溫氣冷堆核電站出圖所需的圖框、出圖風(fēng)格（包括：平面圖、立面圖、ISO圖、支吊架圖等出圖風(fēng)格）、標(biāo)注樣式以及三維導(dǎo)出各類報(bào)表的樣式，以滿足60萬千瓦高溫氣冷堆核電站從三維設(shè)計(jì)軟件出圖的要求。

4? ? ? 結(jié)? ? 論

三維設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、運(yùn)行、檢修和最終核電站的退役整個生命周期的全過程管理，最大限度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理、維修的各項(xiàng)成本，從而全面提高核電站的效益[3]。

在高溫堆示范工程設(shè)計(jì)中，Smart 3D三維設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)成為綜合布置設(shè)計(jì)的重要工具，在碰撞檢查、管線綜合等方面均發(fā)揮了重要作用。在高溫堆示范工程基礎(chǔ)上，60萬千瓦高溫氣冷堆核電站的重要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化，三維設(shè)計(jì)無疑是很好的工具。根據(jù)三維設(shè)計(jì)在高溫堆示范工程使用中反饋的問題和經(jīng)驗(yàn)，本文提出了對應(yīng)的解決措施。在60萬千瓦高溫氣冷堆核電站的設(shè)計(jì)優(yōu)化與標(biāo)準(zhǔn)化過程中，三維設(shè)計(jì)值得進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

主要參考文獻(xiàn)

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[3]田立成，張潔，陳明亮. 核電三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺建設(shè)與應(yīng)用研究[J].核工業(yè)勘察設(shè)計(jì)，2016（1）：65-72.