國內(nèi)工程公司設(shè)備專業(yè)協(xié)同設(shè)計及自動出圖的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

劉 波，梁彩云，楊小林，任文文，劉 言

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

隨著軟件和信息技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)許多石油化工類的工程公司都在進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以提升企業(yè)競爭力。數(shù)字化工廠是集三維模型、協(xié)同設(shè)計、數(shù)字化交付為一體，確保實現(xiàn)設(shè)計、采購、施工、調(diào)試和運維等工程全生命周期各個階段的數(shù)據(jù)信息共享和協(xié)同[1]。其中，數(shù)字化交付已形成標準，由中石油、中石化集團的工程公司編制，住建部發(fā)布的GB/T 51296—2018《石油化工工程數(shù)字化交付標準》于2019年3月1日起實施。

在大部分工程公司中，管道專業(yè)是最先進行三維模型化、協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化交付，其他專業(yè)(如工藝專業(yè)、電氣儀表專業(yè)等)均有不同程度的參與，而設(shè)備專業(yè)參與程度較低。本文對國內(nèi)部分石油化工類工程公司的設(shè)備專業(yè)參與協(xié)同設(shè)計和三維自動出圖的現(xiàn)狀進行調(diào)研分析，并對三維自動出圖和協(xié)同設(shè)計的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 協(xié)同設(shè)計與數(shù)字化交付

1.1 數(shù)字化交付與協(xié)同設(shè)計的關(guān)系

就石油化工行業(yè)而言，企業(yè)都在推進智能工廠的建設(shè)，要求新工廠采用數(shù)字化形式交付，即物理工廠和數(shù)字工廠同步建設(shè)。若要物理工廠和數(shù)字化工廠同步建設(shè)，就必然不能缺少協(xié)同設(shè)計，只有整個設(shè)計周期在協(xié)同設(shè)計平臺上進行，才能實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化交付。而目前，在實際項目執(zhí)行中，由于建設(shè)方及承建方對數(shù)字化交付的理解不同，因而對數(shù)字化交付的內(nèi)容、方式、階段等產(chǎn)生分歧[2]。數(shù)字化交付與協(xié)同設(shè)計由于各種原因存在一定程度上的脫節(jié)，部分三維模型都是在設(shè)計完成之后再補充的。

1.2 協(xié)同設(shè)計與數(shù)字化交付平臺

石油化工工程公司目前使用較多的協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化交付平臺主要有AVEVA PLANT和鷹圖SMART PLANT。

其中，AVEVA PLANT主要包含以下模塊：①AVEVA Diagram 智能PID繪制；②AVEVA Engineering 工藝設(shè)計及數(shù)據(jù)集成；③AVEVA PDMS 工廠三維布置設(shè)計；④AVEVA Electrical 電氣系統(tǒng)設(shè)計；⑤AVEVA Instrumentation 儀表系統(tǒng)設(shè)計。

鷹圖的Smart Plant主要包括以下模塊：①Smart Plant PID智能PID繪制；②Smart Plant 3D工廠三維布置設(shè)計；③Smart Plant EL 電氣儀表系統(tǒng)設(shè)計。

其中，PDMS(Plant Design Management System)是英國AVEVA公司開發(fā)的三維工廠設(shè)計系統(tǒng)。PDMS軟件可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，針對專業(yè)特點劃分為多個模塊，其中，三維設(shè)計又包括設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)、暖通、電纜橋架等不同模塊，配管設(shè)計是PDMS軟件的強項，而設(shè)備建模功能與專業(yè)的三維設(shè)計軟件相比較弱[3]。

SP3D(Smart Plant 3D)是二十一世紀以來出現(xiàn)的相對先進的工廠設(shè)計處理軟件系統(tǒng)，SP3D產(chǎn)品是由美國鷹圖公司推出的SmartPlant系列中一個最新一代三維設(shè)計、面向數(shù)據(jù)庫的軟件，相對簡化工程設(shè)計流程，并且能更有效地重復(fù)使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)。

在實際項目執(zhí)行過程中，一般是根據(jù)業(yè)主的要求選擇相應(yīng)的數(shù)字化交付平臺PDMS或SP3D等，因此，工程公司對主流交付平臺都需有足夠的了解和掌握[4]。

1.3 設(shè)備專業(yè)協(xié)同設(shè)計與數(shù)字化交付的現(xiàn)狀

設(shè)備專業(yè)的主要設(shè)計工作為壓力容器設(shè)計，由于行業(yè)特殊性，絕大多數(shù)的壓力容器設(shè)計為非標設(shè)計，無法像類似汽車行業(yè)一樣使用常規(guī)的三維建模軟件(SolidWorks、ProE等)進行設(shè)計，難以完成設(shè)備三維模型上設(shè)計協(xié)同平臺。行業(yè)內(nèi)主流壓力容器設(shè)計方式仍然是專業(yè)強度計算軟件與手動二維AutoCAD出圖結(jié)合。而專業(yè)強度計算軟件與設(shè)計協(xié)同平臺的集成性差，無法直接用專業(yè)強度計算軟件與設(shè)計協(xié)同平臺進行集成。

因此，數(shù)字化交付中的設(shè)備三維模型通常是由管道專業(yè)三維建模組進行建模，但模型一般為簡化模型，以圓筒、方盒、柱狀等構(gòu)件為主，精細度較低。如果業(yè)主對設(shè)備模型的精細度有更高的要求時,數(shù)字化交付應(yīng)用就難以實現(xiàn)。

隨著壓力容器行業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)了如中國五環(huán)工程有限公司、中石化洛陽工程有限公司、山東山大華天軟件有限公司(XVessel)、Bentley軟件公司(AutoPIPE Vessel)和南京旭宸皓峰信息科技有限公司(3D-PVAD)等一些前瞻性強的工程公司和軟件公司，致力于壓力容器強度計算、三維自動出圖和協(xié)同設(shè)計的集成解決方案。

1.4 協(xié)同設(shè)計存在的問題和對策

目前，山東山大華天軟件有限公司、Bentley軟件公司和南京旭宸皓峰信息科技有限公司三家軟件公司提供的三維模型在一定程度上可以參與協(xié)同設(shè)計，但仍存在一些問題。

(1)設(shè)備三維模型的精度可以滿足要求，但模型為一個整體的塊，缺少屬性信息，比如接管法蘭等級、密封面形式等配管信息。

上述問題出現(xiàn)的主要原因是PDMS或Smart Plant 3D平臺的軟件商接口并未打通，造成了部分信息無法提取。

對數(shù)字化交付模型精度要求不高的業(yè)主，建議由專業(yè)軟件商或工程公司二次開發(fā)程序，用于提取三維模型文件中的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入到PDMS或Smart Plant 3D中進行快速建模，這樣既可進行協(xié)同設(shè)計，又可以完成數(shù)字化交付。

對于某些業(yè)主要求提供精確的設(shè)備模型，建議在已完成的PDMS或Smart Plant 3D簡化設(shè)備模型的基礎(chǔ)上，將精確的設(shè)備模型替換簡單模型，同時保留管口屬性信息。

上述對策僅是短期過渡，最終還是要打通軟件商的接口問題，這樣既可以進行協(xié)同設(shè)計，又可以交付精確模型。

(2)三維模型占用儲存空間較大，會增大計算機硬件需求。對于三維模型占用空間大的問題，需要依靠專業(yè)軟件商針對協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化交付提供輕量化模型，將其中關(guān)于計算或出圖等的相關(guān)信息進行刪減。

2 自動出圖

就設(shè)備專業(yè)內(nèi)部而言，手動二維Auto CAD出圖方式效率較低，越來越無法滿足項目進度要求。對普通設(shè)計人員而言，用于繪圖的時間占比較大，而用于從事設(shè)計計算、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)含量較高的工作時間則較為有限。

近些年，在壓力容器三維自動出圖方面，中國五環(huán)工程有限公司和中石化洛陽工程有限公司都是推行得較早的工程公司。經(jīng)考察，三維自動出圖可較大幅度提高設(shè)備專業(yè)出圖效率，目前主要有3種集成解決方案。

2.1 AutoPIPE Vessel集成解決方案

該軟件屬于Bentley軟件公司，是集設(shè)計計算、三維建模、自動出圖三項功能于一體的軟件。APV可以設(shè)計壓力容器、管殼式換熱器、空冷器、鍋爐和儲罐等。在功能方面，APV 擁有設(shè)計壓力容器所需全球范圍內(nèi)的標準規(guī)范，可以創(chuàng)建設(shè)備模型并對荷載加以分析，自動生成設(shè)備計算書，自動出裝配圖，進行造價估算，與工藝仿真模擬軟件(如HTRI)進行數(shù)據(jù)交互，模型可導(dǎo)入SP3D。軟件模型示意見圖1，自動生成圖紙示意見圖2。

圖1 AutoPipe Vessel軟件模型示意

圖2 AutoPipe Vessel軟件生成圖紙示意

目前，中國五環(huán)工程有限公司部分國外項目正在采用該軟件進行壓力容器設(shè)計和三維自動出圖。

該解決方案有如下優(yōu)點：①設(shè)計計算、三維建模、自動出圖三項功能于一體，避免了不同軟件之間的轉(zhuǎn)換與重復(fù)輸入；②模型全面，含壓力容器、管殼式換熱器、儲罐等常用設(shè)備的模型；③國外標準規(guī)范全面，如ASME VIII-1/2，PD5500，EN13445，AD Merkblatter，CODAP，GOST R 52857等規(guī)范；④將出圖定制模塊開放給用戶，例如各種表格、圖形擺放位置等可根據(jù)需求自行定制。

該方案有如下缺點：①目前國內(nèi)標準僅有GB/T 150和GB/T 151，缺少支座、容器法蘭等零部件標準，難以在國內(nèi)項目上推廣應(yīng)用；②雖然圖紙定制模塊開放，但僅限于其軟件提供的部分，對于圖形本身并不提供二次開發(fā)，因此圖形的表達無法完全滿足需求，需要手工修改。針對該缺點，中國五環(huán)工程有限公司從2018年開始就與Bentley軟件公司進行合作，逐漸解決圖形表達不完善方面的問題。

2.2 PVdesktop+XVessel集成解決方案

PVdesktop由中石化洛陽工程公司主導(dǎo)開發(fā)，經(jīng)石化中心站發(fā)布，經(jīng)容標委認證，廣泛應(yīng)用于石化系統(tǒng)設(shè)計院，涵蓋了石油化工行業(yè)中塔器、容器、管殼式熱交換器等設(shè)備及受壓元件的計算，大量的測試結(jié)果表明，該軟件計算結(jié)果可靠、運行穩(wěn)定。標準涵蓋GB/T 150《壓力容器》、GB/T 151《熱交換器》、NB/T 47041《塔式容器》等國家標準及行業(yè)標準，并加入了ASME Ⅷ-1/Ⅷ-2設(shè)計計算標準。

XVessel是中石化洛陽工程公司與華天軟件合作開發(fā)的，基于自主三維CAD 軟件SINOVATION 定制研發(fā)的高效專業(yè)的石化靜設(shè)備三維設(shè)計系統(tǒng)，提供石油化工容器的參數(shù)化、模塊化向?qū)皆O(shè)計、一鍵出圖、自動統(tǒng)計等功能。該軟件模型和圖紙分別見圖3、圖4。

圖3 XVessel軟件模型示意

圖4 XVessel軟件生成圖紙示意

目前，中石化洛陽工程公司將該解決方案應(yīng)用于壓力容器設(shè)計及三維自動出圖。

該解決方案有如下優(yōu)點：①PVdesktop+Xvessel之間高度結(jié)合，采用PVdesktop進行設(shè)計計算后，數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入XVessel，自動生成三維模型，對部分信息完善后可直接生成二維CAD圖紙；②自動生成的圖紙是基于中石化洛陽工程公司標準圖簽和模板圖等作業(yè)指導(dǎo)書進行深度定制，可有效滿足特定用戶需求。

該方案的缺點如下：①目前僅提供塔器、立式容器和臥式容器模型出圖，暫無管殼式熱交換器模型；②國外標準較少，一般用于國內(nèi)項目；③由于圖紙定制并未開放，需要依賴華天軟件，費用不低。

2.3 SW6/PVElite+SPVD集成解決方案

SW6過程設(shè)備強度計算軟件由全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站發(fā)布，經(jīng)容標委認證。該軟件為在國內(nèi)化工行業(yè)使用廣泛，并得到驗證的壓力容器強度設(shè)計軟件，覆蓋國內(nèi)GB/T 150《壓力容器》、GB/T 151《熱交換器》、NB/T47041《塔式容器》等國家標準及行業(yè)標準[5]。

PV Elite是鷹圖公司開發(fā)的壓力容器設(shè)計軟件，主要提供國外ASME VIII-1/2，PD5500，EN13445的強度設(shè)計，特別是在ASME規(guī)范設(shè)計上，其市場占有率較高。

SPVAD軟件是由南京旭宸皓峰信息科技有限公司基于INVENTOR或Solidworks三維軟件進行二次開發(fā)的三維壓力容器輔助設(shè)計軟件。該軟件無計算模塊，在三維軟件INVENTOR或Solidworks中進行導(dǎo)向性建模，涵蓋了臥式設(shè)備、立式設(shè)備、換熱器等，可創(chuàng)建設(shè)備主體(封頭、筒體、錐體、設(shè)備法蘭、裙座、膨脹節(jié)等)及外部附件(接管、支座、吊柱與吊耳等)的三維模型。標準件的數(shù)據(jù)庫較為完善(基于國內(nèi)標準創(chuàng)建)，可導(dǎo)出二維圖紙和材料表。該軟件模型見圖5。

圖5 3DPVAD模型示意

3DPVAD由于并無強度計算模塊，因此，通過提取SW6或PV Elite軟件計算結(jié)果進行建模，目前，已開發(fā)完成PV Elite數(shù)據(jù)提取流程，SW6數(shù)據(jù)提取流程仍在開發(fā)過程中。

該方案的優(yōu)點如下：①降低了學(xué)習(xí)成本，SW6或PV Elite軟件屬于行業(yè)內(nèi)通用的軟件，一般設(shè)備專業(yè)工程師均已掌握；②3DPVAD是基于通用三維軟件INVENTOR或Solidworks二次開發(fā)，用戶可在向?qū)гO(shè)計后，添加一些非標準件，如一些內(nèi)件或外部附件等。

該方案的缺點如下：①目前，已開發(fā)完成的PV Elite數(shù)據(jù)提取流程并未得到廣泛的測試，且國內(nèi)標準強度計算軟件SW6數(shù)據(jù)提取流程還未開發(fā)成功；②出圖功能還處于比較初級的程度，標注、管口符號、件號和各種數(shù)據(jù)表格暫時無法自動生成，還需要后期較大的修改和完善。

3 結(jié)語

(1)協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化交付的發(fā)展是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，各設(shè)計專業(yè)都在逐步融入其中，設(shè)備專業(yè)模型進入平臺時面臨的問題，可通過本文中的幾種建議方法暫時替代，但最終還是需要打通平臺(如PDMS或Smart Plant 3D)接口，讓設(shè)備專業(yè)采用的三維設(shè)計軟件能夠更方便準確地進入平臺，完成協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化交付。

(2)在三維自動化出圖方面，介紹了目前市面上3種可行的解決方案并分析其優(yōu)缺點，筆者認為，三維自動出圖的開發(fā)必須依靠工程公司和軟件公司的緊密合作，才能真正發(fā)揮出生命力，而目前的解決方案還都不夠完善，三維自動化出圖想要在行業(yè)內(nèi)大面積推廣還需要解決如下問題：①標準規(guī)范全面，包含國內(nèi)外，或打通軟件之間的接口；②出圖模板定制需要有足夠的開發(fā)程度，以利于軟件的推廣和降低開發(fā)費用；③工程公司需要大力支持這方面的開創(chuàng)性工作。