三維協(xié)同設(shè)計平臺在核電工程設(shè)計中的應(yīng)用分析

摘 ? 要： 三維協(xié)同設(shè)計平臺是數(shù)字化、虛擬化、立體化、智能化等技術(shù)的融合，由于其直觀性強，受到越來越多的核電工程設(shè)計單位的青睞。介紹了三維協(xié)同設(shè)計在核電工程布置設(shè)計、模型存儲、圖形展示中的應(yīng)用特點，明確其在核電工程設(shè)計中應(yīng)用的優(yōu)勢，分析了工程設(shè)計合理性、便于工程數(shù)據(jù)管理、提高施工圖設(shè)計質(zhì)量等方面的作用，闡述了核電工程設(shè)計人員在數(shù)據(jù)庫定制、設(shè)計變更面臨的挑戰(zhàn)，并提出改進建議：1）提高設(shè)計人員對三維協(xié)同設(shè)計的適應(yīng)性和熟練度;2）加大對數(shù)據(jù)庫定制的投入，實現(xiàn)多項目復(fù)用;3）形成三維協(xié)同設(shè)計標準化體系和機制?？茖W(xué)準確應(yīng)用三維協(xié)同設(shè)計平臺可提升核電工程設(shè)計單位核心競爭力。

關(guān)鍵詞： 核電工程;三維協(xié)同設(shè)計平臺;布置設(shè)計;施工圖設(shè)計;設(shè)計變更;數(shù)據(jù)庫定制;標準化體系

中圖分類號：TL48 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：2095-8412 （2020） 04-131-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.025

引言

近年來，核電事業(yè)不斷發(fā)展，核電工程項目持續(xù)增多，傳統(tǒng)的基于AutoCAD的計算機輔助設(shè)計、以O(shè)FFICE為主的分散設(shè)計及配套管理模式已經(jīng)無法滿足同時開展多項目設(shè)計的需求[1]。面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，三維設(shè)計越來越受到重視[2]。利用三維技術(shù)手段進行設(shè)計，不僅可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的直觀展示，還可以借助一系列的自動化手段（如工藝系統(tǒng)三維布置、抽取布置圖抽取、材料報表抽取、碰撞檢查等），將復(fù)雜的工作交由計算機來完成，大大提高生產(chǎn)效率[3-4]。

越來越多的核電工程設(shè)計單位已將建立核電工程三維協(xié)同設(shè)計平臺作為迎接核電新機遇的重要任務(wù)[5-7]。本文首先介紹三維設(shè)計在核電工程設(shè)計中的應(yīng)用特點;其次闡述在核電工程設(shè)計中應(yīng)用三維協(xié)同設(shè)計平臺的優(yōu)勢;最后分析三維協(xié)同設(shè)計在核電工程設(shè)計應(yīng)用中仍面臨的挑戰(zhàn)，并提出改進建議。

1 ?三維協(xié)同設(shè)計在核電工程設(shè)計中的應(yīng)用特點

三維設(shè)計是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計平臺的基礎(chǔ)，是一種可以使設(shè)計目標更立體化、形象化的新型設(shè)計方法[8]。

核電工程是一個子項數(shù)量多、工藝復(fù)雜的巨大系統(tǒng)工程，其布置設(shè)計是一項極其龐大的工作[9]。采用三維設(shè)計，可以通過計算機創(chuàng)建覆蓋核電工程設(shè)計全生命周期、全專業(yè)、全比例和可靠的科學(xué)、合理、快捷的核電站工廠三維模型，如圖1所示。在核電站工廠三維模型中，包含了建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、工藝管道、通風(fēng)管道、電纜托盤等布置設(shè)計。

通過三維協(xié)同設(shè)計平臺，可將核電工程項目的設(shè)計模型全面地存儲下來。在設(shè)計過程中，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中的不合理情況，非常直觀地了解布置設(shè)計周圍的環(huán)境情況，并選擇合適的路徑進行修正。例如，在設(shè)計支吊架時，可以對周邊的可利用空間進行準確的判斷，保證設(shè)計的支吊架不會與周圍的物項產(chǎn)生沖突，避免引起不必要的返工[10]。

三維協(xié)同設(shè)計平臺以數(shù)據(jù)為中心產(chǎn)生圖形，其內(nèi)涵是幾何信息與屬性的融合，最終表現(xiàn)成果為圖紙、報表以及對最終三維模型附加的各種直觀、立體的審核與檢查。

2 ?三維協(xié)同設(shè)計平臺在核電工程設(shè)計應(yīng)用中的優(yōu)勢分析

相較于基于二維平面的傳統(tǒng)工程設(shè)計，核電工程使用三維協(xié)同設(shè)計平臺有著非常明顯的優(yōu)勢。

2.1 ?提高設(shè)計合理性

三維協(xié)同設(shè)計將傳統(tǒng)的二維設(shè)計轉(zhuǎn)移到虛擬的工廠空間中進行，不同的工藝系統(tǒng)設(shè)計工程師可開展協(xié)同設(shè)計，不同工種之間數(shù)據(jù)共享但互不干擾，設(shè)計人員能夠非常直觀地查看各工藝系統(tǒng)布置之間的空間占位關(guān)系，及時優(yōu)化、調(diào)整工藝系統(tǒng)布置設(shè)計，解決不同工藝系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)或干擾問題。

此外，通過三維模擬仿真，可以實現(xiàn)對大型設(shè)備、模塊及主要工藝流程的可拆性、可達性和可維護性方面進行分析評估，從而提高設(shè)計合理性和便捷性。

圖2所示是一種典型的三維布置模型。在布置設(shè)計過程中，產(chǎn)生碰撞干涉的位置會出現(xiàn)提示（圖2灰色圓球為碰撞干涉點），能夠使設(shè)計人員清晰地了解碰撞干涉是在哪個位置產(chǎn)生的、是與哪個工藝系統(tǒng)之間相互產(chǎn)生的、產(chǎn)生碰撞干涉的原因是什么、碰撞干涉如何解決等問題，有效解決傳統(tǒng)二維設(shè)計的固有難題。

2.2 ?便于工程數(shù)據(jù)管理

三維協(xié)同設(shè)計平臺擁有后臺數(shù)據(jù)庫，核電工程工藝系統(tǒng)設(shè)計工程師完成三維布置設(shè)計后，設(shè)計信息將自動存儲到后臺數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)設(shè)計信息數(shù)據(jù)化，更加便于數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)管理。

通過利用信息化手段，還可實現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計平臺工具以及設(shè)計接口資料管理系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)之間的集成，實現(xiàn)電子化數(shù)據(jù)管理，以保證核電工程數(shù)據(jù)在整個設(shè)計過程中的一致性，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的全程跟蹤與監(jiān)控。

2.3 ?提高施工圖設(shè)計質(zhì)量

由于二維出圖標準已經(jīng)比較完善，因此作為工程設(shè)計、施工的主要介質(zhì)的施工圖在行業(yè)內(nèi)的壟斷地位短期內(nèi)無法改變，形式相對固化，設(shè)計質(zhì)量不易提高。主因是傳統(tǒng)的核電工程二維設(shè)計中，工程設(shè)計人員只能通過對工藝系統(tǒng)布置走向的空間位置關(guān)系進行想象來繪制二維平面圖、立面圖、軸測圖等，如果修改局部工藝布置，相關(guān)聯(lián)的圖紙都要做相應(yīng)修改，造成的誤差和工程量可想而知。

而采用三維協(xié)同設(shè)計，可以依據(jù)出版圖紙的深度規(guī)定要求，對三維協(xié)同設(shè)計平臺軟件進行標準化定制，更為靈活方便。例如：對圖框、圖紙、圖例的要求，對報表格式的要求等，都可以標準化定制，在完成三維布置設(shè)計的前提下，從三維模型抽取所需材料。由于出圖的數(shù)據(jù)唯一來源為三維模型，這既保證了出版圖紙的標準化要求，又能極大地減少工程師的重復(fù)工作。抽取圖紙的工作交由計算機處理，避免手工繪制圖紙出現(xiàn)誤差，有效提高施工圖設(shè)計質(zhì)量。

2.4 ?提高核電工程設(shè)計單位核心競爭力

核電工程工藝系統(tǒng)復(fù)雜，使用三維協(xié)同設(shè)計可以合理使用人力資源。多人協(xié)同設(shè)計的模式，可極大縮短設(shè)計周期，尤其在施工圖設(shè)計階段，可節(jié)省大量手工繪制施工圖時間，更好地滿足現(xiàn)場施工需求，進而縮短整個核電站的建造周期，節(jié)省建造總投資。

目前在國內(nèi)核電行業(yè)中，三維協(xié)同設(shè)計還是一項比較先進的技術(shù)，只要能夠?qū)ζ涫炀氄莆詹嶋H應(yīng)用，就可以更快地在行業(yè)內(nèi)占據(jù)領(lǐng)先地位。

綜上所述，三維協(xié)同設(shè)計在核電工程設(shè)計中優(yōu)勢明顯，能夠提高核電工程設(shè)計合理性，便于工程數(shù)據(jù)管理，提高施工圖設(shè)計質(zhì)量，從而極大提高核電站設(shè)計建造的經(jīng)濟性，有效實現(xiàn)工期、質(zhì)量、費用的三贏，值得大力推廣。

3 ?三維協(xié)同設(shè)計在核電工程設(shè)計應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)及建議

3.1 ?對設(shè)計人員提出更高要求

由于三維協(xié)同設(shè)計與傳統(tǒng)的二維設(shè)計有很大差別，采用的設(shè)計理念、設(shè)計標準、設(shè)計方法和設(shè)計技巧也完全不同，因此工程師往往習(xí)慣于將傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計、制圖理念沿用到三維協(xié)同設(shè)計中，未能實現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計的真正應(yīng)用。

為了更好地采用全新的三維協(xié)同設(shè)計方式，工程師需要盡快適應(yīng)新的設(shè)計流程，掌握新的設(shè)計工具，以提高設(shè)計質(zhì)量和效率，這對工程設(shè)計人員的能力提出了更高的要求。隨著大量工程設(shè)計人員逐步掌握與三維協(xié)同設(shè)計平臺的使用技巧，工程設(shè)計效率將得到明顯的提高。

3.2 三維協(xié)同設(shè)計平臺數(shù)據(jù)庫定制工作量大

原生三維協(xié)同設(shè)計平臺數(shù)據(jù)庫不可能滿足核電工程所有的設(shè)計需求，需要核電工程設(shè)計單位對后臺數(shù)據(jù)庫進行定制。三維協(xié)同設(shè)計平臺的后臺數(shù)據(jù)庫定制是一個專業(yè)性很強的工作，需要數(shù)據(jù)庫定制人員對三維協(xié)同設(shè)計平臺的使用、數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)換方式相當熟悉。定制工作在整個三維協(xié)同設(shè)計中用時很長、工作量大，在三維協(xié)同設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)庫還需要更新和維護，對數(shù)據(jù)庫定制人員提出了更高的要求。

為此，在核電工程項目中，設(shè)計單位可根據(jù)項目的設(shè)計需求，制定標準化體系，規(guī)范材料、規(guī)格選型，例如管道等級、通風(fēng)等級、電纜橋架等級、支吊架庫等，都可以標準化，力求實現(xiàn)多項目復(fù)用。有條件的設(shè)計單位甚至可以一次性投入較大精力完成數(shù)據(jù)庫定制，更好實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的多項目復(fù)用。

3.3 ?修改后臺數(shù)據(jù)對三維協(xié)同設(shè)計影響大

在核電工程項目三維協(xié)同設(shè)計過程中，如果中途修改后臺數(shù)據(jù)庫，可能會對各工種的三維布置設(shè)計造成很大影響。以在核電工藝管道設(shè)計過程中修改管道材料等級表為例，如果在修改管道材料等級表之前，已經(jīng)有工藝系統(tǒng)采用原管道等級開展了三維布置設(shè)計，那么在修改管道材料等級表后，該部分已完成的三維模型會出錯，甚至需要重新進行三維布置，增加了三維協(xié)同設(shè)計的工作量，耗費了大量時間。

因此，建議設(shè)計單位形成標準化技術(shù)團隊，保證標準化工作連續(xù)性，建立信息反饋、討論修改的機制，進而提高標準化質(zhì)量和水平。只有標準化設(shè)計足夠完善了，三維協(xié)同設(shè)計平臺后臺數(shù)據(jù)才不至于受到較大幅度的修改，而三維協(xié)同設(shè)計工作應(yīng)在標準化工作基本完成，無需再進行較大修改后才開始。

4 ?結(jié)束語

三維協(xié)同設(shè)計在核電工程設(shè)計工程中能做到直觀化、精細化、自動化的優(yōu)勢融合。合理地選擇、運用三維模擬仿真軟件，能夠在復(fù)雜的核電工程項目設(shè)計中，以逼真三維實體模型解決項目中出現(xiàn)的各類問題。通過自動化碰撞檢查及自動化圖紙文件和各類數(shù)據(jù)報表生成，可以有效減少施工圖設(shè)計階段的設(shè)計變更和現(xiàn)場工作量的大幅修改，使三維協(xié)同設(shè)計更好地為核電工程設(shè)計服務(wù)。

相信隨著核電工程三維協(xié)同設(shè)計實際應(yīng)用經(jīng)驗和設(shè)計水平的不斷提高，核電工程設(shè)計單位能夠形成對三維協(xié)同設(shè)計平臺進行標準化定制及二次開發(fā)的不斷優(yōu)化機制。三維協(xié)同設(shè)計平臺功能的升級和完善，必會使三維協(xié)同設(shè)計在核電工程設(shè)計中發(fā)揮更大的作用。

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作者簡介：

宋元鑫（1986—），通信作者，男，北京西城人，中級工程師。研究方向：高溫氣冷堆三維設(shè)計。

E-mail： yxsong@chinergy.com.cn

（收稿日期：2020-06-03）

Application Analysis on 3D Collaborative Design Platform for Nuclear Power Engineering Design

SONG Yuan-xin

（CHINERGY Co.， Ltd.， Beijing 100193， China）

Abstract： 3D collaborative design platform is an integration of digital， virtual， stereoscopic and intelligent design， which is favored by more and more nuclear power engineering design units due to its intuitiveness. The application characteristics of 3D collaborative design in layout design， model storage and graphic display for nuclear power projects are introduced. The advantages of 3D design for the nuclear power engineering design are ensured， and its impact in improving the rationality of engineering design， facilitating the management of engineering data and improving the quality of construction drawing design are analyzed. The challenges brought by 3D design for nuclear power engineering designers， database customization and design changes are stated， and suggestions for improvement are put forward： 1） improve the adaptability and proficiency of designers in 3D collaborative design; 2） increase the investment in database customization to realize multi-project reuse; 3） form a 3D collaborative design standardization system and mechanism. Scientific and accurate application of 3D collaborative design platform can enhance the core competitiveness of nuclear power engineering design units.

Key words： Nuclear Power Engineering; 3D Collaborative Design Platform; Layout Design; Construction Drawing Design; Design Change; Database Customization; Standardization System