淺談PDMS/E3D軟件下的三維協(xié)同設(shè)計

李汪灝,戈新銳

(中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司,河北 滄州 062550)

隨著信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的高速發(fā)展,迎來了以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式的變更?；ば袠I(yè)大力推進信息化和產(chǎn)業(yè)的融合,一直在積極構(gòu)建信息化發(fā)展平臺,其中化工工程設(shè)計行業(yè)也在從最初的二維設(shè)計,逐步向數(shù)字化工廠設(shè)計及交付、工廠的全生命周期設(shè)計及管理、可視化三維設(shè)計等工作模式進行轉(zhuǎn)變。如今的三維設(shè)計技術(shù)已經(jīng)十分成熟,對于設(shè)計單位與建設(shè)單位而言,三維建模可以實現(xiàn)精細化設(shè)計與協(xié)同設(shè)計,并且可以對建筑工程進行舒適性能、安全性能、環(huán)境性能、經(jīng)濟分析和造價控制等多維度的性能化模擬分析,在優(yōu)化設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量和數(shù)字化移交等方面都具有十分顯著優(yōu)勢,也是實現(xiàn)數(shù)字化、信息化、智能化的有效手段,三維設(shè)計已經(jīng)是設(shè)計行業(yè)的主流趨勢[1]。

隨著三維設(shè)計的逐步發(fā)展,“三維協(xié)同設(shè)計”的理念也在逐步推行。三維協(xié)同設(shè)計可以簡單地認為是配管、機制、建筑、結(jié)構(gòu)、自控、電氣、暖通等全專業(yè)通過軟件進行全比例三維實體建模,工程質(zhì)量和進度、成本控制都與三維協(xié)同設(shè)計息息相關(guān)[2]。以配管專業(yè)而言,傳統(tǒng)的配管方式是在AutoCAD中進行設(shè)計,對于復雜安裝而言,傳統(tǒng)配管的設(shè)計難度非常大,并且需要利用人工的方式進行材料的統(tǒng)計,工作量大、精確度低,設(shè)計質(zhì)量也難以保證,不適用于完成高效率、高質(zhì)量與高經(jīng)濟效益的復雜設(shè)計項目。而通過三維協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)可視化設(shè)計,可以大大降低設(shè)計難度,實現(xiàn)設(shè)計精細化,提高設(shè)計質(zhì)量,減少施工現(xiàn)場變更,計算機精確統(tǒng)料來實現(xiàn)成本控制,最終并可以進行數(shù)字化交付。對于數(shù)字化交付而言,已經(jīng)應(yīng)用在很多化工廠之中,其具有可提高運維效率和維修安全性、減少返工停車重建時間、提高各種數(shù)據(jù)在運維期間的利用率等顯著優(yōu)勢[3]。為了實現(xiàn)數(shù)字化交付,最基本的就是需要一個全專業(yè)全工廠的三維模型,此模型是重要數(shù)據(jù)的載體[4],也是數(shù)字化交付的基礎(chǔ)要求,其次是基于模型而建立的交付平臺,由此可以看出全專業(yè)三維模型的重要性。

三維設(shè)計的發(fā)展,伴隨著設(shè)計軟件的功能愈加完善,性能更加穩(wěn)定。在化工工程項目而言,管道專業(yè)在三維協(xié)同設(shè)計中占比較大,所以通常是以管道專業(yè)三維軟件作為三維協(xié)同軟件,此類軟件不僅可以對管道進行建模設(shè)計,還應(yīng)可以進行全專業(yè)的建模,并且能對設(shè)備、管道、儀表、電氣、結(jié)構(gòu)、建筑、總圖等各類資料進行整理歸納和數(shù)字化。現(xiàn)在市場占有率較高的管道專業(yè)三維軟件為PDMS(E3D)、SP3D、PDS、CADWORX、AutoPLANT Piping等。本文是在PDMS/E3D軟件的基礎(chǔ)上,探討三維協(xié)同設(shè)計在實際化工工程項目中的優(yōu)勢、問題以及可能的解決方法。

1 三維協(xié)同設(shè)計的工作流程

PDMS(Plant Design Management System)軟件是工廠布置設(shè)計管理系統(tǒng),由英國AVEVA公司開發(fā),是大型工廠三維設(shè)計系統(tǒng)軟件,廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力和發(fā)電廠等工程項目的設(shè)計階段[5],如今的PDMS已經(jīng)停止了服務(wù),并且AVEVA已經(jīng)決定PDMS在2024年前會逐步退出市場,將其E3D軟件取代PDMS,與PDMS相比,AVEVA E3D更強大、更先進、更高效。三維協(xié)同設(shè)計就需要多專業(yè)在PDMS/E3D平臺進行三維建模。在建模之初,需要數(shù)據(jù)庫管理人員針對特定項目編制數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的編制主要包括元件庫、等級庫與特性庫,其中元件庫是指存儲元件的具體外形形狀、數(shù)據(jù)與描述的數(shù)據(jù)庫,等級庫是按照項目等級表關(guān)聯(lián)元件庫后的關(guān)系數(shù)據(jù)庫,特性庫則是儲存元件的壁厚、重量、材料等特性特征。待數(shù)據(jù)庫編制完成后,各專業(yè)設(shè)計人員才可以進行三維建模。

三維協(xié)同設(shè)計包含但不僅限于總圖專業(yè)的平面、豎向、軸網(wǎng)建模,其中軸網(wǎng)是多專業(yè)協(xié)同設(shè)計參考定位的依據(jù),在生成平面布置圖時可以生成軸網(wǎng)號方便定位,除此以外還需要在三維平臺上搭建道路、圍墻、地形、雨水溝等內(nèi)容,總圖作為上游專業(yè),其專業(yè)所搭建的內(nèi)容影響下游專業(yè)整體的布置方案;建筑專業(yè)需要對建筑物進行建模,應(yīng)該包括建筑物的墻體、地面、屋頂、門窗等;對于設(shè)備建模而言會比較特殊,對于非標設(shè)備而言,會由設(shè)備專業(yè)進行設(shè)備本體的建模,然后由配管專業(yè)繼續(xù)設(shè)備布置,對于外購設(shè)備而言,會要求相關(guān)廠家提供三維模型,導入軟件之后由配管專業(yè)進行設(shè)備布置,待設(shè)備布置完成后,初步搭建設(shè)備基礎(chǔ),作為給結(jié)構(gòu)專業(yè)提資時使用;結(jié)構(gòu)專業(yè)需要針對各專業(yè)的提資情況,搭建管廊、基礎(chǔ)等模型,替換各專業(yè)用于提資的模型,保證三維平臺上模型的準確性;電氣、儀表專業(yè)需要對橋架等建模,其中電氣工程師還需要在三維平臺上搭建燈桿、燈塔、攝像機桿等設(shè)備,方便后期的碰撞檢查;暖通專業(yè)對建筑物內(nèi)供暖、通風等建模等;工藝專業(yè)編制智能P&ID,用于進行二、三維校驗;配管專業(yè)是三維設(shè)計中的重要組成部分,在進行管道安裝設(shè)計時需要嚴格遵循P&ID要求,在整體布局合理的情況下,滿足工藝上的集成和優(yōu)化,并考慮遠期擴建的需求,配管專業(yè)需要提資的東西較多,主要需要與電氣、儀表、結(jié)構(gòu)等專業(yè)提委托,所以配管專業(yè)在三維平臺上的建模準確程度、深度影響較大。圖1為某設(shè)計項目中過程中,三維協(xié)同設(shè)計所涵蓋的專業(yè)。

如今的多專業(yè)三維設(shè)計,會進行各個階段的模型審查,建模深度是隨著階段逐步加深,各個階段的審查就是為了保證項目進度可以滿足要求,并保證整體設(shè)計方案是沒有問題的。在各個階段的模型審查中,還需要分別進行專業(yè)審查、業(yè)主的審查,待各類審查均沒有問題的情況下,方可生成設(shè)計成果。在正式審查以外,還需要經(jīng)常進行二、三維校驗、管道應(yīng)力分析計算與碰撞檢查,這些檢查也是三維協(xié)同設(shè)計的主要優(yōu)勢,對于三維協(xié)同設(shè)計的過程是一個循環(huán)修正的過程,在檢查本專業(yè)內(nèi)容的同時,也需要查看其余專業(yè)的設(shè)計內(nèi)容,可以清楚的了解各個專業(yè)的設(shè)計思路,避免碰撞與沖突的發(fā)生,例如碰撞檢查、應(yīng)力分析就需要貫穿整個項目的設(shè)計過程,因為一個專業(yè)的調(diào)整通常會牽扯到相關(guān)專業(yè)的調(diào)整,不能等到所有專業(yè)完成建模后再進行,否則調(diào)整的工作量較大,調(diào)整起來也不方便,有時甚至會造成設(shè)計返工的發(fā)生,影響到項目進度。對于三維協(xié)同設(shè)計而言,就需要參與三維設(shè)計的各專業(yè)工程師密切配合,及早發(fā)現(xiàn)問題,及早解決問題。圖2為三維協(xié)同設(shè)計的簡易工作流程。

圖2 簡易工作流程

三維協(xié)同設(shè)計的實時性、高效性,使其工作流程有異于傳統(tǒng)設(shè)計的工作流程。因三維協(xié)同設(shè)計涉及多個專業(yè)的建模,其建模的工作分工是比較重要的一個內(nèi)容,而不同的設(shè)計公司,根據(jù)自身的環(huán)境和情況,專業(yè)間的工作分工各有不同,從而也會有各自不同的三維協(xié)同設(shè)計的工作流程,所以在制定工作流程的時候,也需要考慮自身的情況,保證所制定的工作流程可以準確地引導各專業(yè)開展三維協(xié)同設(shè)計。

2 三維協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢

2.1 項目進度精細管控

在三維設(shè)計過程中,各專業(yè)均需要進行三維建模,并且在三維建模的過程中,需要各個專業(yè)進行交流協(xié)作和信息共享,這樣會減少很多不必要的流程,實現(xiàn)工作流程的簡化;對于項目整體而言,因為是全比例的三維實體建模,做到所見即所得,所以可以較為方便地掌握各專業(yè)的設(shè)計進度,保證各個計劃節(jié)點可以按時完成。

2.2 設(shè)計質(zhì)量的提高

由PDMS/E3D軟件進行模型建模以后,可以通過軟件自行導出所用材料數(shù)量,并進行整理匯總,保證所用材料材質(zhì)、數(shù)量的準確性,避免人工統(tǒng)計容易出錯的問題,除了導出材料以外,也可以直接導出平面布置圖、ISO圖等,保證設(shè)計成果的準確性。

三維模型可以直觀的體現(xiàn)設(shè)計內(nèi)容,準確的體現(xiàn)各專業(yè)的整體設(shè)計方案,對設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計方案進行審查時,更容易從整個項目工程的宏觀角度去校審設(shè)計成果,提高了校審質(zhì)量;對于實際工程項目而言,現(xiàn)場主要問題大部分是碰撞問題,有本專業(yè)自己的碰撞,也有與其他專業(yè)發(fā)生碰撞,而當多專業(yè)進行三維建模后,就可以將可能發(fā)生的設(shè)計問題在設(shè)計階段就進行解決,軟件中可以進行數(shù)據(jù)一致性檢查、碰撞檢查等,通過此功能,可以直觀方便地對模型進行檢查,有效避免了各專業(yè)之間的交叉碰撞和本專業(yè)內(nèi)部的交叉碰撞,大幅度地提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率,減少施工過程的設(shè)計變更及工期的拖延。圖3為某天然氣液化儲配項目進行的碰撞檢查。

圖3 某天然氣液化儲配項目的碰撞檢查

2.3 可視化促進溝通

在以往的二維設(shè)計模式中,各專業(yè)的設(shè)計成果均在最后階段體現(xiàn)在二維圖紙之中,不能直接、實時地檢查出問題,而可視化作為三維協(xié)同設(shè)計的主要優(yōu)勢,可以較好地解決這個問題。在進行三維協(xié)同設(shè)計時,將各專業(yè)的信息匯集到一起,在一個平臺建立模型,各個專業(yè)均可以得到整個項目的信息,促進各專業(yè)的溝通交流、信息互通,例如在設(shè)計項目提資過程中,會存在因為設(shè)備調(diào)整、安裝調(diào)整等而多次提委托的情況,而各專業(yè)進行了三維建模,委托文件與建模情況就可以相互對應(yīng),避免信息不對等、接收文件錯誤等導致出現(xiàn)設(shè)計錯誤[6];除此以外,業(yè)主也可以隨時瀏覽三維模型并提出意見,降低后期的調(diào)整返工。

2.4 精準地成本預算

隨著精細化設(shè)計要求的提出,精準的材料統(tǒng)計功能成為必要的需求。在建立準確的三維模型信息與項目數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,通過軟件方便、快速地實現(xiàn)精準的材料統(tǒng)計,完全滿足設(shè)計精度和深度的要求,并且根據(jù)相關(guān)公司或項目要求,可以對材料進行編碼,方便采購等相關(guān)操作,降低人工統(tǒng)計而產(chǎn)生錯誤的風險。

2.5 數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)

在傳統(tǒng)化工工廠建設(shè)交付中,主要是提供各類紙質(zhì)或電子的設(shè)計圖紙、計算書,采購階段的裝箱清單、使用說明書,施工階段的各種施工記錄等,這些紙質(zhì)或電子資料經(jīng)常都是獨立的、零散的,各種資料之間的關(guān)聯(lián)性并不強,并且保存不易,以及十分不方便查詢,這些問題對后期運維工作造成了極大的困難。而通過三維協(xié)同設(shè)計,以此為基礎(chǔ)去構(gòu)建數(shù)字化交付平臺,以工廠對象為核心的模型進行組織[7],從而得到整個工廠的動態(tài)、靜態(tài)信息,讓各種信息得到交互關(guān)聯(lián),可以輕松、快捷、準確地得到各種信息,進而也實現(xiàn)了企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,方便了企業(yè)后期的運維工作。

2.6 數(shù)字化交付

建設(shè)數(shù)字中國已成為各行業(yè)的重要指導目標,數(shù)字化交付作為一種新型交付方式,是通過數(shù)字化的交付平臺,將設(shè)計、采購、施工等階段產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)、資料、模型以標準數(shù)據(jù)格式提交給業(yè)主的交付方式。通過數(shù)字化交付平臺,可以得到一個能夠真實反映現(xiàn)場物理情況的多維數(shù)字工廠,在這個平臺上可以實時地查看設(shè)備的位置、參數(shù)、運行狀態(tài)等信息,通過對數(shù)據(jù)的綜合利用,可以實現(xiàn)智慧化運維與管控。

三維模型則是整個數(shù)字化交付中的主要內(nèi)容,這個三維模型就需要包含全專業(yè)三維設(shè)計內(nèi)容。通過三維協(xié)同設(shè)計,在設(shè)計的同時完成全專業(yè)建模,避免了再去搭建三維模型的過程,除了在搭建單純的幾何模型以外,也在給模型附帶上完整的設(shè)計數(shù)據(jù)信息,這些信息均與項目的數(shù)據(jù)庫有邏輯關(guān)系。三維協(xié)同設(shè)計在對設(shè)計階段存在優(yōu)勢的同時,也是為了順應(yīng)如今主流的數(shù)字化交付情況。

3 三維協(xié)同設(shè)計的主要問題與解決思路

三維協(xié)同設(shè)計存在著顯著的優(yōu)勢,但在項目的實際應(yīng)用過程中,還是存在著一些不可忽視的問題,其中主要的就是PDMS/E3D并不能滿足所有專業(yè)的設(shè)計需求。

PDMS/E3D軟件是以管道設(shè)計為核心的軟件,對于配管專業(yè)而言,PDMS/E3D軟件可以滿足其整個設(shè)計內(nèi)容,沒有額外的工作量的增加。而對于其余專業(yè),PDMS/E3D軟件并不能滿足需求,例如結(jié)構(gòu)專業(yè)需要PKPM軟件進行鋼構(gòu)的建模計算或者鋼筋混凝土配筋的計算等;設(shè)備專業(yè)需要用UG、solidworks、Anays等一些軟件對于非標設(shè)備進行建模,例如薄膜罐之類的對計算要求非常高,PDMS/E3D軟件根本無法滿足其設(shè)計要求;應(yīng)力分析專業(yè)需要CAESARII軟件對管道系統(tǒng)進行應(yīng)力計算,根據(jù)各種工況計算管系敏感點的應(yīng)力情況;建筑專業(yè)、暖通專業(yè)普遍習慣使用BIM軟件進行建模等。

這種情況就造成了需要三維協(xié)同設(shè)計的項目,除了配管專業(yè)項目全程采用PDMS/E3D軟件進行設(shè)計,其余大部分專業(yè)均無法全程使用PDMS/E3D進行相關(guān)設(shè)計?，F(xiàn)如今的工作模式還是主要以總圖、工藝以二維圖為委托提供給配管專業(yè),配管專業(yè)在PDMS/E3D上進行建模,待模型深度足夠后,導出二維圖,再給下游專業(yè)提委托,下游專業(yè)通過在其他軟件上進行建模計算,完成自身的設(shè)計后,還需要在PDMS/E3D軟件上進行建模,這樣二維、三維循環(huán)轉(zhuǎn)換的情況,會增大下游專業(yè)的工作量,降低工作效率,并且喪失了一部分三維協(xié)同設(shè)計的優(yōu)勢。

現(xiàn)階段多款軟件的綜合利用是無可避免的,部分專業(yè)對軟件的要求是PDMS/E3D無法滿足的,既然無法滿足各專業(yè)直接在PDMS/E3D軟件上搭建模型的條件,那么解決方法可以放在多軟件數(shù)據(jù)接口的方向。AVEVA E3D是AVEVA公司對PDMS的升級,E3D已經(jīng)新增了電纜敷設(shè)、支吊架及礦山運輸?shù)仍O(shè)計模塊,其數(shù)據(jù)接口的格式數(shù)量在17個左右,對于比較常用的STP文件、IFC4文件、DWG文件、IGES文件、C2文件等均可以導入到E3D之中,可以看出AVEVA公司也在努力實現(xiàn)真正的三維協(xié)同設(shè)計而努力。E3D軟件的開放性較好,可以對E3D軟件進行二次開發(fā),部分具備二次開發(fā)能力的公司也在研究多軟件數(shù)據(jù)互通的情況,進而將E3D作為設(shè)計平臺,實現(xiàn)與各軟件的數(shù)據(jù)互通。圖4為各類軟件與PDMS/E3D之間的接口導入情況。

圖4 PDMS/E3D與其余軟件的數(shù)據(jù)接口情況

4 結(jié)論

綜上所述,三維協(xié)同設(shè)計在項目進度管控、設(shè)計質(zhì)量、成本控制、可視化溝通、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)字化交付等多個方面具有十分明顯的優(yōu)勢,并且對于需要數(shù)字化交付的項目,三維協(xié)同設(shè)計也是必須進行的?，F(xiàn)如今三維協(xié)同設(shè)計存在的主要問題有單一軟件并不能滿足所有專業(yè)的設(shè)計需求,PDMS/E3D軟件是以管道設(shè)計為核心的軟件,對于配管專業(yè)而言,PDMS/E3D軟件可以滿足其整個設(shè)計內(nèi)容,而其他專業(yè)在使用PDMS/E3D軟件的同時,還需要使用其余軟件進行設(shè)計,對于此問題的解決思路主要是通過PDMS/E3D軟件的數(shù)據(jù)接口,將其余軟件的設(shè)計成果導入到PDMS/E3D軟件之中。雖然這樣可以進行數(shù)字化交付,但是與真正的三維協(xié)同設(shè)計還是存在著不少的差距,其他軟件導入的文件,有些僅能導入外形,對于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息并不能完全體現(xiàn),并且無法進行多專業(yè)實時設(shè)計,無法實現(xiàn)可視化溝通,實時的碰撞檢查也會存在滯后的情況。三維協(xié)同設(shè)計必然成為工程項目建設(shè)的發(fā)展趨勢,雖然還存在不少問題,但是已經(jīng)在努力推進三維協(xié)同設(shè)計的建設(shè),優(yōu)化各類數(shù)據(jù)接口,探究軟件數(shù)據(jù)互通的可能性等問題,相信隨著相關(guān)技術(shù)的逐漸完善,會使三維協(xié)同設(shè)計更加地快捷便利。