石油化工管道工程三維協(xié)同設計的必要性

馬建華* 路毅 張怡 安奕霏 宋宇宸

（中國寰球工程有限公司北京分公司）

0 引言

隨著石油化工工程項目大型化、模塊化、數(shù)字化以及智能化的發(fā)展，對管道的設計方案優(yōu)化及安裝要求越來越高。科學的管道設計方案不僅可以保證石化工程項目的順利開工和運行，還能在很大程度上節(jié)約建設成本，保證企業(yè)獲得更高效益[1]。目前，一些工程項目建設為了縮短工期，采取了邊設計、邊施工和邊修改的“三邊”模式。設計階段未實現(xiàn)專業(yè)間的三維協(xié)同，各專業(yè)間信息共享滯后，導致設計階段應解決的“錯、漏、碰、缺”問題在施工階段顯現(xiàn)出來。從表面上看壓縮了設計周期，節(jié)約了設計費用，但卻增加了現(xiàn)場施工問題，大量的設計變更、建設返工反而增加了施工成本，延長了建設周期，甚至導致無奈的生產(chǎn)改造。

三維協(xié)同設計是指工程設計階段各專業(yè)在同一數(shù)據(jù)庫中以一致的坐標系構建模型，并在統(tǒng)一的集成化三維設計平臺上實現(xiàn)協(xié)同設計操作。三維模型為設計的可視化、精準性提供基礎平臺，方便各專業(yè)技術接口銜接，同時便于“錯、漏、碰、缺”檢查。設計過程中某一專業(yè)的設計修改信息能夠?qū)崟r上傳，各專業(yè)在線互相參考，及時修正協(xié)調(diào)，杜絕最終設計不匹配的情況。三維協(xié)同設計帶來的高效率、高質(zhì)量為工程設計尤其是數(shù)字化工廠設計帶來了新的設計方法和手段。

某石化工程項目未采用三維協(xié)同設計，以該項目現(xiàn)場管道施工安裝產(chǎn)生的問題為例，分析問題原因，闡述三維協(xié)同設計的優(yōu)勢和特點，說明各專業(yè)間三維協(xié)同設計的必要性。

1 管道施工常見問題及分析

現(xiàn)場工程聯(lián)絡單反饋出管道施工問題主要表現(xiàn)在管道專業(yè)與工藝專業(yè)、結構專業(yè)、儀表電氣專業(yè)的技術銜接上。

1.1 管道專業(yè)與工藝專業(yè)

1.1.1 PID存在缺陷

PID（工藝與自控流程圖）出現(xiàn)繪制或技術要求不完善。如施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)PID圖中的部分在線儀表規(guī)格與現(xiàn)場到貨不一致。這類問題的產(chǎn)生是由于工藝專業(yè)與儀表設備數(shù)據(jù)核對有誤，管道專業(yè)按照PID數(shù)據(jù)設計儀表元件接口尺寸，導致現(xiàn)場管道接口必須修改才能安裝儀表。管道專業(yè)修改量大，延長了施工工期，增加了項目投資。

若采用三維協(xié)同設計，實現(xiàn)自帶屬性定義的智能 PID，使各專業(yè)間工程數(shù)據(jù)庫協(xié)同化、實時化。雖然設計過程中PID升版頻次會增加，但會提高管道專業(yè)和工藝專業(yè)的協(xié)同性，減少設備訂貨及接口設計錯誤。

1.1.2 管道專業(yè)未完全按照PID要求進行設計

（1）PID中的管件、閥門、儀表元件等未體現(xiàn)在管道安裝軸測圖中，材料缺失。三維協(xié)同設計可避免材料缺失。智能PID會自動對管道元件進行匹配，如圖1所示。紅色表示匹配成功；藍色表示未匹配元件，即管道專業(yè)未配管；黃色表示查看選中元件的技術參數(shù)。

圖1 工藝智能PID與管道元件匹配圖

（2）PID中的 NOTE（注釋）未引起重視。PID中的NOTE說明閥組應地面布置，且對設備底的切線標高、自流、管道坡度等做出了具體要求。管道專業(yè)在設計時誤將閥組布置于管廊頂平臺，如圖2所示藍色管道位置?，F(xiàn)場設計代表發(fā)現(xiàn)問題后進行了修改，如圖3所示藍色管道位置。

由于目前智能PID還不能對注釋進行匹配，三維協(xié)同也不能查出此類問題。因此管道專業(yè)應嚴格按照工藝設計要求進行設計和校審。

圖2 修改前閥組布置在平臺

圖3 修改后閥組布置在地面

1.2 管道專業(yè)與結構專業(yè)

石油化工裝置中，管道專業(yè)和結構專業(yè)密切相關。結構專業(yè)以管道荷載條件為基礎進行框架及管道支吊架設計，輔助管道敷設?，F(xiàn)場施工過程中，管道專業(yè)與結構專業(yè)問題主要集中在碰撞方面，若采用三維協(xié)同設計，大部分問題可以避免。

1.2.1 結構專業(yè)設計缺漏

結構專業(yè)未完全按照管道專業(yè)所提條件進行梁柱設計。圖4所示管道安裝要求梁支撐，并顯示在管道專業(yè)模型上，但結構專業(yè)未設計此梁，即管道模型和結構施工圖紙不一致，導致管架無法支撐。

圖4 管道模型與結構專業(yè)施工圖紙不一致

若采用三維協(xié)同設計，管道專業(yè)自身所構建的模型將會與結構專業(yè)模型存儲在同一數(shù)據(jù)庫中，結構專業(yè)可按照管道輸出條件正確進行梁柱設計，減少設計缺漏，避免此類現(xiàn)象發(fā)生。

1.2.2 管道與結構基礎、梁柱碰撞

（1）管道與柱子基礎碰撞。圖5所示管道專業(yè)設計人員未充分考慮柱子基礎大小與管道管件之間距離的相互關系，在某框架柱子附近布置較多管道，且預留距離不足，導致現(xiàn)場柱子基礎（深紅色）與管道（藍色）碰撞。此外，若閥組間距不充分，還會造成閥組安裝、操作、檢修以及更換困難。

圖5 管道和柱子基礎碰撞

（2）管道與結構梁柱碰撞。圖6中綠色圈中所示：現(xiàn)場與結構圖紙不一致。按照管道施工圖進行管道安裝時，與結構專業(yè)設計的斜撐規(guī)格或者方位不匹配，造成管道與斜撐碰撞。若采用三維協(xié)同設計，結構專業(yè)具備完善的工程數(shù)據(jù)庫，如鋼結構截面庫、斜撐規(guī)格庫等。結構專業(yè)除按照管道條件進行梁柱設計，同時還需要將結構基礎、地墩外形等構建到模型中去，與管道模型相互佐證，便于管道專業(yè)與結構專業(yè)設計人員相互檢查，實現(xiàn)設計模型和現(xiàn)場模型高度一致，避免管道與結構基礎、斜撐碰撞問題。

圖6 管道與斜撐碰撞

1.2.3 管道與安全梯沖突

管道專業(yè)或結構專業(yè)未將所有設計元素構建到模型中去，導致現(xiàn)場管道與結構設施沖突，影響操作和逃生通道。圖7左圖中，結構專業(yè)模型中沒有顯示直爬梯和平臺，因此管道專業(yè)將管道布置于此處。但現(xiàn)場按照結構圖紙（見圖7右圖）施工后發(fā)現(xiàn)此處設有直爬梯，管道安裝后，嚴重影響閥門操作及人員逃生。

圖7 管道模型中未構建直梯

實現(xiàn)三維協(xié)同設計，管道專業(yè)在正確的結構尺寸和空間中構建自身模型，管道則不會布置在長直爬梯處，出現(xiàn)嚴重影響閥門操作及人員逃生問題。

1.3 管道專業(yè)與儀表、電氣專業(yè)

化工裝置中，管道專業(yè)與儀表相關元件主要包括減溫減壓器、開關閥、控制閥、流量計、溫度計、限流孔板、壓力計、液位計和在線分析儀等。管道專業(yè)需將儀表專業(yè)確定的各類儀表元件型號、外形尺寸構建在模型中。同時，儀表和電氣專業(yè)完善的接線、電纜、橋架等數(shù)據(jù)資料也需提供給管道專業(yè)。管道專業(yè)與儀表、電氣專業(yè)在施工過程中產(chǎn)生的主要問題是管道與儀表技術接口不匹配、與電纜橋架碰撞。

1.3.1 管道接口與儀表不匹配

（1）儀表元件的規(guī)格、儀表與管道連接的根部閥門規(guī)格容易出現(xiàn)直徑和壓力等級不匹配問題。主要原因在于設計階段無法保證設計過程中上下游專業(yè)的數(shù)據(jù)唯一性。三維協(xié)同設計通過智能PID及時更改上游數(shù)據(jù)變更，解決下游專業(yè)重復錄入上游專業(yè)工程數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)一致性，杜絕管道接口與儀表不匹配問題。

（2）現(xiàn)場儀表安裝中發(fā)現(xiàn)很多溫度計插入深度不夠。其主要原因在于管道設計時沒有對儀表專業(yè)要求的凸臺條件進行校驗，而儀表專業(yè)未參與管道模型構建，無法對管道建模信息進行校核。三維協(xié)同設計能夠?qū)⒐艿缹I(yè)和儀表專業(yè)信息交互共享，儀表專業(yè)可對管道接口信息進行校核，管道設計人員須認真核實儀表要求，保證溫度計的準確安裝。

（3）管道間距考慮不充足會導致開關閥、控制閥等元件的外形尺寸與管道碰撞。如圖8所示，管路中存在多個開關閥時，由于開關閥布置過近，未考慮開關閥手輪操作空間，導致手輪無法操作。

圖8 開關閥距離過近導致手輪無法使用

三維協(xié)同設計通過智能儀表軟件接收儀表元件的完整外形尺寸并建立三維模型，保證儀表技術數(shù)據(jù)與管道施工文件的一致性，并提醒管道設計人員錯開開關閥布置或者增加開關閥之間的距離。管道專業(yè)共享儀表技術數(shù)據(jù)可避免安裝不合理現(xiàn)象。

1.3.2 管道與儀表、電氣槽盒沖突

施工中經(jīng)常出現(xiàn)儀表、電氣槽盒與管道或者管道保溫層碰撞問題。當槽盒與管道在未保溫的情況下碰撞，會造成該處管道保溫層無法施工；若管道施工時直接貫穿電纜槽盒，造成管道無法外包保溫層的同時，還將影響槽盒內(nèi)電纜信號傳輸。

三維協(xié)同設計后，儀表、電氣專業(yè)具備完善的電纜橋架庫，相關元件均可在模型中顯見，構建模型實現(xiàn)電纜和槽盒的可視化并與管道安裝、結構專業(yè)相結合，則會避免此類碰撞。

2 全專業(yè)三維協(xié)同設計必要性

某施工現(xiàn)場聯(lián)絡單反映出管道專業(yè)聯(lián)絡單數(shù)量最多，見表 1。經(jīng)過分析，管道專業(yè)聯(lián)絡單的大部分問題與其他專業(yè)相關，比例約占60%。

表1 某施工現(xiàn)場聯(lián)絡單

目前，許多工程項目三維協(xié)同化程度不高，建模主要以管道專業(yè)為主，管道數(shù)據(jù)庫相對完善。盡管結構專業(yè)的設備基礎、管廊及框架結構等在會簽之前，電氣專業(yè)的橋架、儀表箱、接線盒等在發(fā)圖之前建立了三維建模，但僅用于碰撞檢查，部分圖紙和設備材料量都不是由三維模型自動生成，其時效性、真實性、準確性大打折扣。有的專業(yè)甚至并沒有三維建模。三維協(xié)同設計可對三維模型“邊設計，邊瀏覽”，各專業(yè)設計成果、設計進度、技術接口、協(xié)調(diào)方案均可及時準確傳達，設計結果可進行智能校核，提高設計精準性。

2.1 三維協(xié)同設計優(yōu)勢

（1）采用“一體化”設計，即所有專業(yè)人員均可在同一平臺上進行多用戶端設計，并可實現(xiàn)異地多專業(yè)協(xié)同工作。傳統(tǒng)的工程項目設計中，各專業(yè)的工作是相互分割的，只有輸出條件上的上下游傳遞，并不能在線實時共享信息?！耙惑w化”設計后，每個專業(yè)在設計過程中可以實時在線獲得其他專業(yè)的設計輸入、輸出信息，發(fā)現(xiàn)問題時及時溝通、解決，減少各專業(yè)之間、專業(yè)內(nèi)部之間由于溝通不暢導致的“錯、漏、碰、缺”問題，做到一處修改其他協(xié)同修改，并真正實現(xiàn)所有圖紙信息源的單一性，提升設計效率和設計質(zhì)量。

（2）三維協(xié)同設計具有精細化設計和精細化管理的優(yōu)勢。精細化設計使每一個工程元件都能在模型中真實搭建，提高設計產(chǎn)品的準確性。業(yè)主可隨時瀏覽三維模型并提出建議，在設計階段盡早修正，大量減少施工現(xiàn)場的設計變更和修改工作，避免造成材料浪費和施工拖期。

（3）三維協(xié)同設計直觀化。首先是設計直觀化，設計平臺以及設計成果不再是抽象的二維線條而是逼真的三維實體模型，三維設計軟件可動態(tài)直觀地展示出工廠或單元裝置建成后的實際情景。其次是管理直觀化，幫助工程項目各方人員隨時輕松讀懂設計。通過對直觀模型提出意見和建議，有利于合理策劃施工方案、減少返工、控制施工進度和成本，為業(yè)主決策提供有力的支持。

（4）三維協(xié)同設計自動化、智能化。首先，三維設計軟件對全廠模型進行碰撞檢查，可以自動檢查出各專業(yè)模型間的硬碰撞（可稱為直接碰撞），也可以檢查出各模型與預留空間、檢修起吊空間、熱膨脹、保溫層等的碰撞（稱為軟碰撞）；其次，三維軟件系統(tǒng)還可以與應力計算、結構分析等第三方軟件接口，實現(xiàn)第三方軟件對模型中數(shù)據(jù)的自動讀取、計算或分析；再次，三維設計平臺能夠自動抽取各專業(yè)需要提交給業(yè)主的交付文件。

2.2 三維協(xié)同設計特點

三維協(xié)同設計與傳統(tǒng)工程設計相比，設計團隊更加注重技術研發(fā)和更新，設計特點鮮明。

2.2.1 數(shù)據(jù)共享性

工藝智能PID系統(tǒng)實現(xiàn)單點數(shù)據(jù)錄入，保證文檔數(shù)據(jù)唯一性和共享性。各專業(yè)間能夠繼承模型中數(shù)字屬性，并實現(xiàn)相關屬性的導出和導入。實時數(shù)據(jù)共享使得設計進度可控，配合效率顯著提升，做到設計“零碰撞”。

2.2.2 軟件兼容性

三維協(xié)同設計軟件兼容性好，能夠兼容廠家模型和各類專業(yè)設計軟件，準確記錄儲存各類文檔的完整信息，可追溯不同時間節(jié)點的資料。同時三維協(xié)同設計平臺具備管理文檔、管理設計版本、設計瀏覽和設計審批等功能，實現(xiàn)文檔管理一體化。

2.2.3 設計精準性

三維協(xié)同設計促進各專業(yè)以數(shù)據(jù)為核心實現(xiàn)信息共享后，細化設計，保證三維模型和成品圖與實施后的物理廠區(qū)高度一致，提供精準的材料統(tǒng)計，節(jié)約工程造價，滿足客戶需求。

2.2.4 現(xiàn)場指導性

三維協(xié)同設計將數(shù)字化三維模型擴展至施工現(xiàn)場，可模擬安裝和指導施工，優(yōu)質(zhì)高效地解決多項工程安裝的實際問題。

2.2.5 數(shù)據(jù)庫重復性

三維協(xié)同設計有助于工程設計公司建立工程數(shù)據(jù)庫，儲備統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。工程設計公司可根據(jù)工程特點和業(yè)主要求，實現(xiàn)設計規(guī)范、工程數(shù)據(jù)、材料編碼等信息的重復使用，大量減少工時消耗，縮短設計周期，減少成本，實現(xiàn)利潤最大化。

2.3 三維協(xié)同設計的必要性

隨著國內(nèi)外行業(yè)競爭日益激烈，協(xié)同化設計已經(jīng)成為主流的設計方式，高水平的設計方案既是工程公司設計水平的體現(xiàn)，也決定著能否獲得更多項目的機會。三維協(xié)同設計意味著搶占數(shù)字化交付、實現(xiàn)智能化工廠重要市場的先機，是幫助業(yè)主實現(xiàn)打造智能化工廠的第一步。

三維協(xié)同設計可實現(xiàn)數(shù)據(jù)管控、任務管控、權限管控、資料管控和流程管控功能，并能跨地域應用，與第三方軟件接口匹配，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。為業(yè)主和工程設計公司共同追求的數(shù)字化、智能化管理奠定基礎。

3 結束語

全專業(yè)間三維協(xié)同設計提供了可視、精準的平臺，方便各專業(yè)技術接口銜接，便于“錯、漏、碰、缺”檢查，避免大部分施工安裝問題。三維協(xié)同設計可從根本上提高設計水平，幫助業(yè)主打造智能化工廠，實現(xiàn)數(shù)字化管理，提高管理效率。三維協(xié)同設計必然成為工程項目建設的發(fā)展趨勢。