管道預(yù)制設(shè)計在工程項目建設(shè)期的應(yīng)用

鄭亞強(qiáng)，姜浩，馬慶，王新星，董強(qiáng)，蘇宇寧

(昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京 100000)

0 引言

管道的預(yù)制設(shè)計是項目前期技術(shù)準(zhǔn)備中重要的工作內(nèi)容，尤其大型項目軸測圖動輒幾千張到幾萬張不等，需要耗費大量的人力和時間對圖紙進(jìn)行二次設(shè)計，且出圖效率低，出圖的質(zhì)量也一般，無法達(dá)到交工標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)還得再次進(jìn)行修改。此外，不能將現(xiàn)場實際的變動升版及時體現(xiàn)到二次設(shè)計圖中，從項目前期技術(shù)準(zhǔn)備到后期交二次設(shè)計圖紙全過程中都需要施工單位內(nèi)部的技術(shù)支持，影響項目前期建設(shè)進(jìn)度和施工質(zhì)量。本文提到的管道預(yù)制設(shè)計軟件采用線上實時的二次設(shè)計辦法，通過三維渲染引擎的支持，對設(shè)計院提供的IDF文件進(jìn)行解析，還原出管道的三維模型，在三維模型中直接添加焊縫并進(jìn)行自動編號，并且通過解析IDF文件，系統(tǒng)自動統(tǒng)計出每條管線的所有材料清單，并能導(dǎo)出excel表格文件，方便現(xiàn)場管理人員快速進(jìn)行材料統(tǒng)計，極大節(jié)省了現(xiàn)場技術(shù)人員耗費的時間和精力。

1 管道施工前期準(zhǔn)備階段軸測圖的二次設(shè)計的現(xiàn)狀

在施工過程中，現(xiàn)場完全依靠技術(shù)人員手工在設(shè)計圖紙上進(jìn)行圖紙的二次設(shè)計，包括焊縫編號的標(biāo)注、材料描述和數(shù)量統(tǒng)計、管線焊口整體寸徑量的統(tǒng)計等，目前管道的二次設(shè)計的準(zhǔn)確性和效率完全依靠技術(shù)人員的技術(shù)水平。在一些圖紙中有不同的規(guī)格寸徑，造成人為計算統(tǒng)計比較繁瑣容易出現(xiàn)錯誤，如材料統(tǒng)計出現(xiàn)錯誤會影響到材料采購的準(zhǔn)確性，從而影響項目的整體進(jìn)度和成本管理。并且施工過程中設(shè)計會出現(xiàn)升級版圖紙，現(xiàn)階段需要技術(shù)人員手工對每張圖紙進(jìn)行對比找到有變化的圖紙，且對新圖紙進(jìn)行重新二次設(shè)計，造成現(xiàn)場耗費大量人力，非常容易出現(xiàn)現(xiàn)場圖紙?zhí)鎿Q不及時造成返工的情況發(fā)生。隨著技術(shù)的進(jìn)步，加上輔助軟件的支持，施工單位在拿到設(shè)計院提供的pdf版圖紙后，技術(shù)人員使用pdf編輯軟件在電腦版上標(biāo)注焊縫編號，或者將pdf格式的文件轉(zhuǎn)換成dwg格式文件，用軟件進(jìn)行焊口編號的標(biāo)記。但是焊口寸徑總量還是需要技術(shù)人員逐個摘錄到excel文件中進(jìn)行統(tǒng)計匯總，摘錄過程需要很大的工作量。材料統(tǒng)計工作也是需要大量的粘貼復(fù)制操作，因有計算機(jī)的幫助，計算工程量和材料統(tǒng)計方面準(zhǔn)確性得到了提升，但還是會耗費大量的人力和時間成本，造成前期技術(shù)準(zhǔn)備壓力大，材料統(tǒng)計也有誤差，對后續(xù)的施工進(jìn)度造成影響。

2 管道預(yù)制設(shè)計軟件技術(shù)調(diào)研與驗證

管道預(yù)制設(shè)計是管道施工的基礎(chǔ)，因此必須做到管道預(yù)制設(shè)計的準(zhǔn)確性，才能保障管道后續(xù)的施工能夠有序進(jìn)行。經(jīng)過對多家施工單位的調(diào)研，了解到管道預(yù)制設(shè)計需求主要包括：焊縫位置標(biāo)注、焊縫自動編號、手動插入焊口、預(yù)制管線/口和安裝管線/口劃分、圖紙版本比對、焊縫寸徑量統(tǒng)計以及每根管線的材料統(tǒng)計等。其中，重難點集中在焊縫位置標(biāo)注與焊縫編號、升版圖紙與老版圖紙的對比等，因此本文主要對上述重難點作為研究對象。

管道預(yù)制設(shè)計軟件開發(fā)的首要條件，需要對設(shè)計模型及圖紙進(jìn)行了解與研究。經(jīng)過對多家設(shè)計單位的模型源文件進(jìn)行調(diào)研，并進(jìn)行了多次技術(shù)研究與驗證，最終確定通過解析設(shè)計軟件(PDMS/SP3D)在抽出管道軸測圖時生成的中間文件(IDF/PCF)。利用“數(shù)字孿生”及三維渲染技術(shù)，可完整還原出管道三維設(shè)計模型、工藝參數(shù)及材料信息，在三維模型上進(jìn)行高效、半自動化的焊縫設(shè)計、編號及圖紙生成，降低施工單位操作難度和工作量，依托三維模型提高焊縫、工程量及材料等統(tǒng)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度，提高工作效率，減少技術(shù)人員投入。經(jīng)過研究管道預(yù)制設(shè)計需要獲取設(shè)計信息如表1所示。

表1 預(yù)制設(shè)計獲取信息

3 預(yù)制設(shè)計軟件的渲染技術(shù)

3.1 復(fù)雜三維場景實時渲染技術(shù)

對預(yù)制設(shè)計軟件，其面臨的核心挑戰(zhàn)之一是復(fù)雜場景、龐大模型數(shù)量與大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的渲染、顯示。在石油化工中較為復(fù)雜的生產(chǎn)場所，一個畫面所需要顯示的場景物件三角形數(shù)量經(jīng)常達(dá)到幾百萬。為保障軟件流暢的三維運行效率與顯示效率，采用綜合影像金字塔模型、模型加載網(wǎng)格優(yōu)化、可見性裁剪、自適應(yīng)渲染等技術(shù)，并采用動態(tài)加載、分層次細(xì)節(jié)(LOD)等優(yōu)化機(jī)制，構(gòu)建三維可視化場景。

3.2 三維模型的輕量化技術(shù)

在體量大、精度高的三維模型的處理上，對電腦的要求很高，這就要求在同質(zhì)量情況下模型的輕量化，渲染速度快。

動態(tài)模型加載：不是所有模型都在內(nèi)存里，而是根據(jù)當(dāng)前觀察場景的需要動態(tài)加載模型，可以降低內(nèi)存的壓力。

多級精度模型：如果模型在較遠(yuǎn)處顯示很精細(xì)的模型是沒有必要且浪費的。所以依據(jù)視點位置決定需要顯示的是什么等級精度的模型。

二叉樹場景組織：可以快速找到交互對象及需要顯示的模型。

3.3 云渲染技術(shù)

三維軟件往往需要較高的硬件(GPU、內(nèi)存、CPU)配置，而企業(yè)的電腦配置普遍達(dá)不到該要求，若全面推廣，需對企業(yè)電腦進(jìn)行大批量的更新?lián)Q代，導(dǎo)致成本提高。

云渲染是在云計算的基礎(chǔ)上加上圖形渲染，把對硬件要求最高的三維渲染部分抽離到服務(wù)器，即將三維軟件中需要進(jìn)行三維渲染的部分移到遠(yuǎn)程圖形工作站進(jìn)行渲染，指令從用戶終端中發(fā)出，服務(wù)端圖形工作站根據(jù)指令執(zhí)行對應(yīng)的渲染任務(wù)。渲染完成之后，再將渲染結(jié)果畫面?zhèn)魉突赜脩艚K端顯示，這樣就不需要對工廠企業(yè)現(xiàn)有電腦的配置進(jìn)行升級。

由于行業(yè)資產(chǎn)密集，管道元器件數(shù)量龐大，對渲染引擎的性能要求極高。密集模型的渲染極其消耗算力，在硬件設(shè)備性能不足時，往往會出現(xiàn)加載緩慢、操作卡頓等問題，難以實際應(yīng)用。目前市面上的三維引擎或是基于國外商業(yè)引擎進(jìn)行二次開發(fā)，技術(shù)上難以實現(xiàn)自主可控；或是受限于自研引擎的周期過長，投入不足，性能上不盡人意，難以支撐流程行業(yè)大規(guī)模場景的渲染需求。投入數(shù)百名研發(fā)工程師，花費上千萬資金，自主研發(fā)出一款為流程行業(yè)量身打造的超高性能三維渲染引擎，引擎具備以下優(yōu)勢。

為解決硬件依賴問題，將三維渲染、復(fù)雜計算等工作置于后端高性能服務(wù)器上進(jìn)行。因此渲染需求雖高，但對客戶端設(shè)備卻無任何要求，配置再低的電腦都可以做到網(wǎng)頁端極速瀏覽。而相對于市面上主流的前端渲染技術(shù)路線，后端渲染的方案無需大范圍升級用戶電腦，極大節(jié)省升級成本，也為用戶實際操作提供了相當(dāng)大的便捷。

為更好適配流程工廠的建模需求，基于長期研發(fā)經(jīng)驗，開發(fā)出一整套流程行業(yè)專用的三維圖形庫。圖庫中包含了設(shè)計文件中需求的所有三維體元，擁有完整的三維表達(dá)能力，能夠真實反映出工廠中每一個零部件實體的幾何尺寸和物理性狀，覆蓋全專業(yè)的三維渲染需求。

4 管道預(yù)制設(shè)計的基本方法

管道預(yù)制設(shè)計通過解析設(shè)計IDF或PCF文件，后通過對模型文件添加焊口等操作對模型進(jìn)行二次加工后，生成滿足施工需要的圖紙，流程如圖1所示。

圖1 預(yù)制設(shè)計流程

管道預(yù)制設(shè)計通過解析IDF/PCF等格式設(shè)計文件，獲取預(yù)制設(shè)計所需三維設(shè)計模型，以及管線的設(shè)計信息，作為相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫文檔，并作為預(yù)制設(shè)計的基礎(chǔ)。IDF接口工作流程如圖2所示。

圖2 IDF接口工作流程

焊縫點插入：通過解析的IDF文件，設(shè)計已經(jīng)對管件與管線端口位置、管件與管件端口位置插入了焊縫點。通過分析設(shè)計模型上長距離管線設(shè)計并未做分段處理，需要輸入單根管線的長度對長管段進(jìn)行分段并在兩根管線的端口插入焊縫點。

焊縫編號插入：焊縫的編號規(guī)則確認(rèn)，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和規(guī)范要求，焊縫大致分為對接焊縫其焊縫編號按阿拉伯?dāng)?shù)字流水編號、管道支管連接接頭其焊縫編號用“D”標(biāo)記加阿拉伯?dāng)?shù)字流水號后綴表示、管道角接接頭其焊縫編號用“C”標(biāo)記加阿拉伯?dāng)?shù)字流水號后綴表示。設(shè)置好編號規(guī)則系統(tǒng)通過識別設(shè)計信息中的介質(zhì)流向，按流向方向統(tǒng)一進(jìn)行編號。

在三維模型中直接添加焊口編號，在視覺效果上更加直觀，技術(shù)人員還可以依靠三維模型進(jìn)行更深層次的焊口二次設(shè)計，劃分更詳細(xì)的預(yù)制管段。預(yù)制設(shè)計軟件還能快速自動統(tǒng)計工程寸徑量，且可以按照不同的管線材質(zhì)類型詳細(xì)統(tǒng)計工程量，節(jié)省了技術(shù)員統(tǒng)計的時間并提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。通過解析IDF文件，系統(tǒng)自動統(tǒng)計出每條管線的所有材料清單，并能導(dǎo)出excel表格文件，方便現(xiàn)場管理人員快速進(jìn)行材料統(tǒng)計，極大節(jié)省了現(xiàn)場技術(shù)人員耗費的時間和精力。

5 管道預(yù)制設(shè)計軟件的功能特點和優(yōu)勢

基于設(shè)計院提供的管道軸測圖的IDF/PCF模型源文件，管道預(yù)制設(shè)軟件專業(yè)的二次深化設(shè)計，更好地在工程建設(shè)期間為重難點管道安裝工程提供優(yōu)質(zhì)高效服務(wù)，大幅減少了管道安裝工程在前期的扒圖扒料技術(shù)準(zhǔn)備的時間和專業(yè)技術(shù)人員數(shù)量和精力，為現(xiàn)場施工單位減負(fù)增效，為加快工程項目建設(shè)提供技術(shù)支持。

5.1 支持解析不同設(shè)計院的IDF/PCF源文件

在系統(tǒng)中按不同設(shè)計單位的IDF/PCF源文件格式要求，編輯配置數(shù)據(jù)解析包，全廠不同設(shè)計單位設(shè)計的其他裝置單元的IDF/PCF源文件的解析所有施工單位都可以直接使用，PCF文件配置如圖3所示。

圖3 PCF文件配置

5.2 二次深化設(shè)計簡易快捷

在管道預(yù)制設(shè)計功能中先對較長管段根據(jù)材料實際采購長度進(jìn)行一鍵批量分段，系統(tǒng)自動在較長管段中按照分段的長度插入焊縫，然后一鍵點擊對應(yīng)的焊縫編號功能，系統(tǒng)會快速地在管線模型中插入焊縫，并根據(jù)行業(yè)規(guī)范同時生成帶有不同焊口類型前綴的二次設(shè)計的焊口編號。根據(jù)施工單位不同程度的預(yù)制加工深度，在系統(tǒng)中點選預(yù)制或安裝焊口/管線功能，系統(tǒng)自動在焊口編號后面添加固定口標(biāo)識。二次設(shè)計功能如圖4所示。

圖4 二次設(shè)計功能

5.3 自動識別、追溯變更

當(dāng)遇到設(shè)計升版變更時，在上傳IDF/PCF升級版本功能上傳設(shè)計升版變更源文件，系統(tǒng)會進(jìn)行設(shè)計文件的數(shù)據(jù)核查和比對，將空間位置未發(fā)生變化的焊縫覆蓋到升版IDF/PCF文件中，并對舊版本文件進(jìn)行全新的繼承與替換?？臻g位置發(fā)生變化的管段系統(tǒng)支持延續(xù)上一版最后一個編號順延補(bǔ)全其他的焊口編號。

5.4 多方面利用源文件解析后數(shù)據(jù)

通過解析設(shè)計單位的源文件數(shù)據(jù)，提取出管線的材料統(tǒng)計表，配合預(yù)制設(shè)計生成管段材料表，針對焊縫生成焊縫兩側(cè)元件明細(xì)清單，并生成管線和焊口數(shù)據(jù)基本信息，為現(xiàn)場管道施工工程焊接、熱處理、焊口無損檢測、生成資料等其他工序提供數(shù)據(jù)支持。

6 實踐應(yīng)用

本文從天津石化某乙烯項目的建設(shè)中，對設(shè)計單位和施工單位進(jìn)行調(diào)研，并收集設(shè)計原模型文件，從設(shè)計模型中選取比較典型的IDF文件進(jìn)行了上傳，并進(jìn)行了管道預(yù)制設(shè)計。

首先對焊口編號規(guī)則進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)不同行業(yè)對焊縫編號規(guī)則的要求，可以在系統(tǒng)中進(jìn)行自定義的配置，滿足不同行業(yè)規(guī)范要求。焊口規(guī)則設(shè)置如圖5所示。并且根據(jù)最長管段提示，決定是否需要劃分管段。

圖5 焊口規(guī)則設(shè)置

其次對導(dǎo)入的IDF文件進(jìn)行焊口設(shè)計，點擊重新編號功能，系統(tǒng)自動插入焊縫圖標(biāo)和生成焊縫編號，輔助施工單位進(jìn)行不同深度的二次設(shè)計。并且施工單位可以根據(jù)實際需求手動更改焊口編號。根據(jù)源文件大小，每條管線生成焊縫編號的時間在3～15 s時間不等，而且對管線中管段較長和比較復(fù)雜的管線，生成的焊縫數(shù)量和類型準(zhǔn)確，還可以批量對管線進(jìn)行焊縫編輯，提高了工作效率和準(zhǔn)確率，減少專業(yè)技術(shù)人員的投入，減少后續(xù)施工過程中增減焊口的影響，提高裝置工程統(tǒng)計算量的精確度。自動標(biāo)注焊口如圖6所示。

圖6 管線自動標(biāo)注焊口號

管線二次設(shè)計完成后，對快速、批量出圖進(jìn)行了測試，每條管線生成圖紙的時間不超過30 s，而且還可以根據(jù)項目要求自行設(shè)置出圖的分圖點，滿足項目個性化使用需求。經(jīng)過計算解析，增加了材料下料尺寸這項重要信息，更加方便現(xiàn)場操作班組的實際操作。自動生成施工圖如圖7所示。

圖7 施工圖管理

通過對收集到的變更圖紙進(jìn)行導(dǎo)入測試，將變更后的源文件上傳到管道預(yù)制設(shè)計系統(tǒng)中，利用版本比對功能，能快速查找發(fā)現(xiàn)有變更的位置，并且繼承變更前的焊口編號。對變更前后的材料進(jìn)行了對比，并標(biāo)出變更前后減少、增加的材料，不需要專業(yè)技術(shù)人員逐張圖紙的比對，減輕人員負(fù)擔(dān)，提高工作效率。變更圖紙對比如圖8所示。

圖8 變更圖紙對比

通過項目的應(yīng)用，管線施工中的信息已全部獲取，并可以指導(dǎo)施工，經(jīng)過測試出圖速度可達(dá)1 min 1張。通過現(xiàn)場簡單培訓(xùn)一名技術(shù)人員一天可以完成500張的圖紙預(yù)制設(shè)計工作。比傳統(tǒng)的方式效率大大提高。

7 結(jié)語

管線詳圖二次深化設(shè)計是現(xiàn)場管道安裝工程的基礎(chǔ)。相較傳統(tǒng)用手工在PDF版設(shè)計圖紙上標(biāo)記焊口，或用CAD軟件逐個配件逐張繪制單線圖的深化二次設(shè)計，工作量過大，而且需要投入相當(dāng)多的人力，加之現(xiàn)場施工單位要二次設(shè)計單線圖比較緊急，以前的管理辦法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的施工進(jìn)度要求。因此，采用管道預(yù)制設(shè)計系統(tǒng)輔助施工單位完成管線的二次深化設(shè)計，能極大提高施工單位的工作效率，減輕專業(yè)技術(shù)人員的壓力負(fù)擔(dān)，為在項目上的管理人員節(jié)省技術(shù)上投入的時間，能有更多的時間投入到項目的管理協(xié)調(diào)上，為項目工程建設(shè)提供良好的技術(shù)支持，加快推動項目的建設(shè)。