浮法玻璃工廠成形工段管路的數(shù)字化設(shè)計及應(yīng)用

郭 飛

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(II)、大數(shù)據(jù)(BD)、人工智能(AI)、云計算(CC)等新一代信息技術(shù)(new IT)的迅猛發(fā)展，設(shè)計的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化特征日益顯著，其中最為矚目的是依托數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起的智能制造(smart manufacturing)。我國作為制造業(yè)大國，擁有數(shù)目可觀的中小型制造企業(yè)，工程設(shè)計不單單是依靠經(jīng)驗與已有圖紙進(jìn)行翻版更新，更是對工程實體的全新定義以及數(shù)字化賦予工作，因此伴隨而來的是技術(shù)與設(shè)計理念的全新交互。設(shè)計工作的發(fā)展經(jīng)歷過紙面繪圖、計算機(jī)CAD畫圖的“舊時代”，在新技術(shù)革命的引領(lǐng)下也迎來了新的時代。智能制造與數(shù)字化邏輯關(guān)系的正確建立成為解決此問題的關(guān)鍵。數(shù)字化工廠是實現(xiàn)智能制造的基本條件，工廠數(shù)字化是智能制造實現(xiàn)的核心引擎，構(gòu)建真正的工廠數(shù)字化建設(shè)方案成為首要研究對象。

玻璃工廠成形工段作為玻璃生產(chǎn)車間最重要的工段，決定玻璃能否合格出廠，其中保護(hù)氣體管路的合理化設(shè)計成為玻璃成形的重要影響因素。傳統(tǒng)CAD工程圖的設(shè)計處于初期階段，現(xiàn)場土建施工與設(shè)計工作存在異步性，設(shè)計人員無法掌握其他施工流水作業(yè)面情況，進(jìn)而無法判斷空間占用關(guān)系，導(dǎo)致前期設(shè)計與實際建設(shè)施工存在出入，不僅浪費大量的人力物力，耽誤工期，同時降低了設(shè)計質(zhì)量。保護(hù)氣體管路的數(shù)字化設(shè)計是通過參數(shù)化、可視化、科學(xué)設(shè)計三個方面來建立設(shè)計思路，以三維數(shù)字化建模為手段，以浮法玻璃生產(chǎn)工藝中成形工段保護(hù)氣體管路設(shè)計為例，呈現(xiàn)了一套降本增效的解決方案，如圖1所示。

圖1 成形工段管路的數(shù)字化設(shè)計流程圖

基于模型定義(model based definition, MBD)的三維設(shè)計是當(dāng)代設(shè)計的主要發(fā)展方向，是產(chǎn)品數(shù)字化定義的先進(jìn)方法。MBD作為企業(yè)數(shù)字化推廣的核心要素，是指通過使用單一數(shù)據(jù)源建立起來的模型全生命周期描述工程實體的方法。MBD所具備的要素包括，在設(shè)計規(guī)則的基礎(chǔ)上充分利用原有工程體的幾何信息，物理信息在實際工況下的行為表達(dá)方式以及進(jìn)行對應(yīng)模擬分析實況反饋。涉及到樣品本身的屬性、材質(zhì)、狀態(tài)等與制造裝配工藝共同結(jié)合到產(chǎn)品的三維模型中并全程作為設(shè)計參考的數(shù)字化手段。MBD的運用解決了傳統(tǒng)的三維模型孤立實際生產(chǎn)，僅作為樣板展示，以及設(shè)計生產(chǎn)中“華而不實”的問題，也突破了原本只能通過大量的二維圖紙描述工程體的局限性。能夠?qū)⑿挝还?、尺寸、安裝要求等繁瑣的制造信息與工程實體相結(jié)合，作為設(shè)計生產(chǎn)制造中的重要依據(jù)。

一、參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是一種基于MBD的數(shù)據(jù)化、模塊化的設(shè)計方法，利用編程通過輸入具體參數(shù)改變產(chǎn)品特征和屬性得到建模實體，也叫程序建模。以保護(hù)氣體管路配氣室中SO2儲罐設(shè)計為例，其參數(shù)化設(shè)計界面如圖2所示，將罐體的長、寬、高、壁厚等外形特征作為基本參數(shù)變量，僅需輸入相應(yīng)參數(shù)對應(yīng)的具體數(shù)值，即可得到罐體的主體模型，以及對儲罐的進(jìn)、出氣口等屬性信息進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)賦予，可一鍵生成本項目SO2儲罐的參數(shù)化模型。

圖2 SO2儲罐的參數(shù)化設(shè)計界面

通過建立參數(shù)化設(shè)計思想，可以極大提升目前設(shè)計體系的設(shè)計效率，輸入?yún)?shù)與輸出模型間有著精準(zhǔn)可控的聯(lián)系，使得精準(zhǔn)復(fù)雜形體的設(shè)計變得高效便捷。每個項目均有多種備選方案，傳統(tǒng)設(shè)計的背后是設(shè)計師無數(shù)次重復(fù)工作，利用參數(shù)設(shè)計能夠快速生成多個方案模型，在方案的修改完善中也可以直接根據(jù)需求快速進(jìn)行迭代，滿足了不同專業(yè)間、設(shè)計與施工間的精準(zhǔn)對接。每一個項目工程均有大量專業(yè)進(jìn)行配合，傳統(tǒng)CAD圖紙在專業(yè)協(xié)作和設(shè)計與施工交底過程中存在信息更新不及時、部分信息缺失等多種問題，拖延整個設(shè)計施工的進(jìn)度，在參數(shù)化設(shè)計的支持下，通過單一數(shù)據(jù)模型的傳遞，不僅滿足了設(shè)計精度的需求，同時讓施工與設(shè)計無差別，極大地減小了返工的概率。

二、可視化設(shè)計

建立在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)之上，通過數(shù)據(jù)-設(shè)計-數(shù)據(jù)的工作模式，構(gòu)建設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的元件庫。此處以內(nèi)螺紋截止閥為例，通過使用Solidworks基礎(chǔ)建模軟件，按照MBD的建模思路，對截止閥的尺寸、形狀、裝配關(guān)系等幾何參數(shù)進(jìn)行編輯，使模型能夠通過已知經(jīng)驗或物理規(guī)律模擬截止閥的實際工況。其次，賦予截止閥相關(guān)的制造信息，如圖3中示例的機(jī)床加工模塊，不同制造工藝的集合使得本模型可以將更多的物理行為在模型中顯示，以此類推描述內(nèi)螺紋截止閥的加工、裝配、生產(chǎn)、原材料等諸多屬性。

圖3 基于MBD的三維建模實體(內(nèi)螺紋截止閥)

基于已建成的成形工段保護(hù)氣體管路標(biāo)準(zhǔn)件庫、參數(shù)化非標(biāo)準(zhǔn)件模型庫，按照實際的工業(yè)管道組成，結(jié)合分部分項工程的劃分特點，以模塊化分區(qū)設(shè)計的方式，按照層級裝配的概念，從個體設(shè)備到管道子系統(tǒng)再到管道母系統(tǒng)，按照層層遞進(jìn)、相互配合的方式進(jìn)行裝配式設(shè)計。將保護(hù)氣體管道分為閥門管件、區(qū)域管道、總管道等分項工程模塊，待每個分項工程完成后，將其相互搭接，完成管道設(shè)計分部工程。管道的起點與終點以不同區(qū)域個體設(shè)備的預(yù)設(shè)接口為準(zhǔn)，按照分項工程劃分原則，分解各區(qū)域管道，以區(qū)域管道內(nèi)不同設(shè)備串聯(lián)起的管路為最小單元進(jìn)行分段建模。以廠區(qū)氮氫站引管進(jìn)入成形工段車間為起點，分別按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范、人防規(guī)定、防爆等級要求，布置了如圖4所示的三維管路系統(tǒng)(圖4(a))、保護(hù)氣體配氣室及SO2室(圖4(b))和成形工段內(nèi)的管路系統(tǒng)(圖4(c))。

圖4 數(shù)字化三維管路(a)、保護(hù)氣體配氣室及SO2室管路(b)和成形工段管路(c)示意圖

所有管道子裝配體與設(shè)備模塊建立完成后進(jìn)行總裝配，得到最終三維模型后仍需對模型進(jìn)行包括管道碰撞檢查，管件數(shù)據(jù)屬性參數(shù)檢查，模型設(shè)計檢查等多方面的質(zhì)量檢查。管道碰撞檢查是各專業(yè)協(xié)同設(shè)計的關(guān)鍵，以設(shè)定好的各類管件碰撞條件為基礎(chǔ)，對已經(jīng)完成的三維管道建模與構(gòu)筑物實體建模的空間關(guān)系數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行比對，對達(dá)到碰撞條件的部件進(jìn)行可視化標(biāo)識，及時提醒設(shè)計人員進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修改或者模型的重建。管件數(shù)據(jù)屬性檢查主要是對管件數(shù)據(jù)進(jìn)行核實，利用NEW IT技術(shù)，對數(shù)據(jù)不合理部分進(jìn)行反饋監(jiān)督，提醒相關(guān)設(shè)計人員；模型設(shè)計檢查是通過物理運行規(guī)則提供數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合相關(guān)規(guī)范保證管件、設(shè)備之間連接邏輯的合理性、管件和連接件之間參數(shù)的匹配性以及墊片壓力等配管邏輯的檢查。圖5為利用Navisworks進(jìn)行檢查碰撞的圖例，通過模塊化設(shè)計、相關(guān)專業(yè)參照、實際布管以及模型驗證，利用數(shù)字化技術(shù)對玻璃工廠三維管道布局及參數(shù)實現(xiàn)修正和改良，實現(xiàn)最終設(shè)計交付。

圖5 利用Navisworks進(jìn)行模型檢查

可視化設(shè)計的實現(xiàn)為設(shè)計師在前期設(shè)計方案時提供了更直觀、清晰的空間關(guān)系，極大程度上減少了依靠想象進(jìn)行空間位置上推斷的不合理設(shè)計，從而減少了在施工階段的返工工作。同時在項目前期方案階段，可以給第三方更為直觀的展示，對企業(yè)設(shè)計能力以及招投標(biāo)階段的競爭力的提高有著巨大的幫助。

三、科學(xué)設(shè)計

傳統(tǒng)的工程設(shè)計主要由經(jīng)驗豐富的設(shè)計師根據(jù)多年的從業(yè)設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合實際生產(chǎn)線的建設(shè)運營情況，不斷摸索總結(jié)出設(shè)計規(guī)律。但隨著時代發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量和種類也提出了更高層次的要求，傳統(tǒng)意義上依靠經(jīng)驗設(shè)計的思想愈發(fā)不滿足現(xiàn)在的設(shè)計體系，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAE技術(shù)下的仿真模擬成為主流設(shè)計的重要輔助工具，將數(shù)字化設(shè)計生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)有機(jī)地聯(lián)系到一起，貫穿于工程全生命周期。在本項目的前期實施中，同樣需要對管道類別、選型以及合理性進(jìn)行分析，排除了以往依靠經(jīng)驗設(shè)計的不準(zhǔn)確性，所有的管道設(shè)計都基于科學(xué)的應(yīng)力模擬分析，這是數(shù)字化設(shè)計體系構(gòu)建的重要組成部分。基于科學(xué)應(yīng)力分析，可以對設(shè)計計算結(jié)果進(jìn)行驗證，對管道預(yù)生產(chǎn)階段的實際情況進(jìn)行模擬，極大保證了設(shè)計與生產(chǎn)的相關(guān)性。從經(jīng)驗設(shè)計到科學(xué)設(shè)計的轉(zhuǎn)變，數(shù)據(jù)的積累可以快速進(jìn)行迭代，為之后項目提供更多數(shù)據(jù)分析，基于大數(shù)據(jù)可以進(jìn)行更為準(zhǔn)確的設(shè)計分析及應(yīng)用分析。

四、數(shù)字化設(shè)計在施工建設(shè)方面的應(yīng)用

(1)管道預(yù)制化技術(shù)發(fā)展，降低施工耗材損耗，節(jié)約成本。管道預(yù)制化技術(shù)是一種半成品加工技術(shù)，在縮短施工工期、提高工程安全、提升安裝質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本方面發(fā)揮著重要作用，具有廣泛的推廣空間和實用價值，其中設(shè)計人員提供準(zhǔn)確的設(shè)計圖紙是實現(xiàn)這一技術(shù)的重要前提，本三維數(shù)字化設(shè)計導(dǎo)出的管段軸測圖、單線圖、加工圖分段合理(由小到大、由局部到整體)，管段配件編號、加工、焊接、檢驗信息、涂裝、存儲等工藝信息完整，相較于紙質(zhì)圖紙，更易存儲，便于日后復(fù)核檢查，存檔更新，施工現(xiàn)場也根據(jù)準(zhǔn)確的材料量計算節(jié)省了大量成本。

(2)三維數(shù)字化交付，便于現(xiàn)場施工時提升安裝效率。傳統(tǒng)施工現(xiàn)場要求能夠看懂工程圖紙，因圖施工，但是由于施工人員流動性大，從業(yè)素質(zhì)參差不齊，對設(shè)計內(nèi)容把握起來難度大，因而施工質(zhì)量無法得到保障。三維數(shù)字化設(shè)計可以直接將設(shè)計模型發(fā)送至施工現(xiàn)場，模型尺寸與實際一致，施工人員可以快速高效地理解設(shè)計意圖，準(zhǔn)確地進(jìn)行無差別施工，對施工進(jìn)度的加快、質(zhì)量的提高有著極大的幫助。

(3)減少現(xiàn)場安裝碰撞造成的返工。用了三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，設(shè)計人員在前期設(shè)計階段對整個工段布局及設(shè)計內(nèi)容有更準(zhǔn)確的把控，設(shè)計人員可以根據(jù)實際三維模型在“虛擬車間”內(nèi)的布局進(jìn)行可視化設(shè)計，不斷調(diào)整直至找到最佳的設(shè)計方案，讓原本考慮不周所造成的施工現(xiàn)場返工現(xiàn)象大大減少。

綜上所述，基于MBD原則的設(shè)計方法，從參數(shù)化設(shè)計、可視化設(shè)計、科學(xué)設(shè)計及在實際施工建設(shè)中的應(yīng)用等角度進(jìn)行分析，不僅能夠大幅提升現(xiàn)有的設(shè)計質(zhì)量，同時可以作為企業(yè)數(shù)字化資產(chǎn)進(jìn)行迭代優(yōu)化，成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型背后的核心競爭力。對實際施工安裝過程中的問題進(jìn)行了有效的解決，提升了施工質(zhì)量，縮短了施工周期，降本增效。在設(shè)計與工程實踐的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善玻璃生產(chǎn)加工全生命周期的技術(shù)路徑，與上下游供貨商、業(yè)主之間等進(jìn)行多維度的數(shù)字化合作，以推動“智能制造”的強大引擎在玻璃行業(yè)中提速增效。