基于三維設計的工藝布置

陶建利，余 靖（（1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南　長沙　41008；2.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南　長沙　41008；.廣州君和信息技術有限公司，廣東　廣州　51000）

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基于三維設計的工藝布置

陶建利1，2，余 靖3
（（1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南長沙410083；2.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南長沙410083；3.廣州君和信息技術有限公司，廣東廣州510030）

摘要：闡述目前冶金行業主流的幾款三維設計軟件，重點介紹了Bentley公司的OpenPlant三維工廠軟件在工程設計中的應用，包括項目組織、廠房建模、設備建模、非標件建模、碰撞檢測等，簡述建模完成后的成品輸出。

關鍵詞：三維設計；設計軟件；工藝布置；OpenPlant；冶金礦山

0　引 言

工程制圖，是實現工程設計的一個手段，主要用于將設計者的意圖通過可視的、標準化的、準確的圖紙等形式傳給施工服務人員，從而實現產品的功能。現有工程設計，需經歷“三維—二維—三維”這3個階段。藍圖的輸出從信息傳遞的角度講，是一個信息傳遞媒介。但是，信息在傳遞的過程中，由于傳遞方式不同，媒介不同，會出現不同程度的信息失真。該文基于三維設計來指導施工建設，減少設計環節中的“二維”轉換階段，提高產品質量。

由于計算機技術以及大型工程軟件的發展，使得采用計算機三維輔助設計變得越來越便捷和高效。同時，由于三維較二維在可視化和交互性方面的優勢，也使得業主越來越認同，特別是在西方發達國家，已經將三維設計作為一項基本要求，工程設計文件需提供完整的三維選礦廠模型。因此，三維設計也將是國內工程設計的發展方向。

1　常規設計

工程制圖經歷過采用工程制圖板、三角板、T字尺的手工繪圖，然后進入采用CAD、天正等計算機軟件輔助制圖，這2種方式，基本為二維制圖。

冶金礦山工程設計時，設計者首先在大腦中構建方案的初步三維圖像，然后將構件的方案用二維的方法繪制出來，再通過三維視圖來檢查各尺寸之間的相互關系，最終輸出藍圖。工程施工時，工程技術人員根據藍圖在大腦中構建三維模型，用于指導現場施工，過程與設計相反。從轉換的角度來說，工程設計信息的傳遞為“三維—二維—三維”，由于存在這樣的轉換，設計者的設計意圖在轉換過程中可能會失真，同時，二維形式的文件不能夠較直觀的檢查各組件之間的空間關系，減少設計錯誤。

此外，從現在流行的“數字化”角度講，常規的二維設計，數據和設計是相對獨立的，沒有進行統一管理，沒有參數化的概念，缺少交互形式，不能貫穿設計的整個壽命周期。

2　三維設計

與二維設計相比，三維設計有許多其無法比擬的優勢，它形象逼真，能夠實現三維動態模擬，同時，能實時、動態的查看各部件之間的空間關系，進行安全碰撞檢查，提早發現問題。目前主要使用的三維設計軟件有：AutoCAD、3DMAX，Solid-Works、Pro／Engineer、UG、PSDS、PDS、PDMS和 Microstation、OpenPant。總體而言，這些三維設計軟件的主要功能包括：①輸入數據的動態化；②模型數據的參數化；③模型的可視編輯化；④模型軟、硬碰撞檢查；⑤二維工程圖紙的成和處理；⑥材料報表自動化統計。

3　幾款常用三維軟件簡介

工程中使用的工廠類的三維軟件較多，我們僅選取PDS、PDMS和OpenPlant，簡述其在不同領域的優勢。

3.1PDS

PDS是Plant Design System的縮寫，它是由美國INTERGRAPH公司研制開發的大型工廠設計應用軟件，是一個全面的智能的計算機輔助設計和工程設計（CAD／CAE）應用軟件，可以運行在最通用的Windows操作系統平臺之上，支持通用的關系數據庫系統如：Microsoft SQL Server、Orale及Informixd等。

PDS共17個模塊，分別為：

（1）Schematic Environment：用于高階段設計繪制P＆ID圖和儀表數據管理；

（2）Equipment Modeling：用于三維設備模型設計，主要建造設備外形和管口信息；

（3）Frameworks Environment：用于三維結構框架設計；

（4）Piping Designer：用于三維配管設計；

（5）Electric Raceway Environment：用于三維電纜托盤的設計；

（6）Piping Design Data Manager：用于三維設計數據檢查及二維與三維間的數據校驗；

（7）Pipe Stress Analysis：管道應力分析接口；

（8）Piping Model Builder：設計者可按照一定語法規則編寫文本文件，PDS能將其自動轉換成三維實體模型；

（9）Pipe Support Designer：用于管道支吊架設計；

（10）Interference Manager：用于三維工廠碰撞檢查；

（11）Isometric Drawing Manager：用于提取單管軸測圖；

（12）Drawing Manager：用于生成平、剖面配置圖；

（13）Design Review Integrator：智能工廠瀏覽器（SmartPlant Review）接口；（14）Report Manager：用于提取各種材料報告；（15）Project Administrator：項目控制和管理；（16）Reference Data Manager：參考數據庫管理；

（17）PE－HVAC：用于三維暖通管道設計。

PDS幫助用戶在以下幾方面節省更多的資源：①自動化工程提高效率；②三維建模過程幫助設計人員更好地設計；③支持動態瀏覽，在工廠未施工之前操作維護人員可進行交互式地觀看；④碰撞檢查減少現場返工；⑤精確的材料報告減少費用；⑥以設計規范為驅動的設計及檢查提高設計的精確度。

3.2PDMS

PDMS全稱Plant Design Management system，即工廠三維布置設計管理系統，是英國AVEVA公司（原 CADCentre公司）開發的產品。它的前身是管道設計軟件，后來發展成為大型、復雜工廠設計項目的首選設計軟件系統。PDMS包含許多程序模塊，以完成不同的功能：

（1）DESIGN 三維模型設計模塊，其下又包括以下幾個部分：①Equipment設備建模；②Pipework管道建模；③Structure結構建模；④Cable trays電纜橋架建模；⑤HVAC暖通；⑥Hanger＆Support支吊架建模。

（2）DRAFT 平豎面生產模塊。

（3）ADMINISTRATION 項目用戶及數據庫管理模塊。

（4）ISODRAFT 單管圖生產模塊。

（5）PARAGON 構造元件庫。

PDMS的主要優點：①三維實體建模；②專業多用戶的工廠設計系統；③一個設計模型（數據庫）可以輸出多種設計圖紙、報告；④等級驅動；⑤交互設計過程中，實現三維碰撞檢查；⑥平面圖自動生成并標注，當模型修改后，標注自動更新；⑦能強大的可編程宏語言—PM。

3.3OpenPlant

OpenPlant是運用于二維和三維工廠設計的軟件套裝，它是以MicroStation為基礎平臺進行的二次開發，集成了作為固有數據模型的ISO SO 15926標準，使二維及三維工廠設計工程實現真正的數據互用。

OpenPlant套件中包含的產品：①Bentley OpenPlantPowerPID V8i是唯一一款全面的工廠與儀表圖（P＆ID）軟件；②Bentley OpenPlant Modeler V8i是三維CAD工廠建模軟件；③Bentley Open-Plant ModelServer V8i可進行組件管理，用于實現分布式團隊協作；④Bentley OpenPlant Isometrics Manager V8i能夠以中間格式提取等角圖信息，以便在設計系統外部輕松維護、修改和跟蹤這一信息；⑤ProjectWise PDx Dynamic Review Service借助ProjectWise中管理的開放式ISO15926格式，保護PDS項目數據并使其沿用到21世紀；通過自動化服務，實現以低成本桌面訪問進行審核并節約管理時間。

在冶金礦山行業，工藝專業主要使用的軟件為OpenPlant Modeler V8i，它是一種等級驅動的建模系統，與工廠設計師的工作方式相符。它使用許多用戶所熟悉的、高度直觀的MicroStation V8i用戶界面，可輕松快速創建包括管道、HVAC和電氣組件在內的三維模型。在MicroStation功能（例如：精確繪圖和精確捕捉）的幫助下，只需單擊幾下鼠標即可放置元件。由于這些功能，使得工藝專業在工程項目中能夠較快地掌握和運用該軟件，完成三維工藝設計。

軟件的啟動界面和操作界面見圖1，圖2。

圖1 軟件啟動圖標與名稱Fig.1 Software startup icon and name

圖2 軟件操作界面Fig.2 Software operation interface

從圖2可知，軟件常規可顯示8個視圖，通常顯示4個視圖，分別為頂視圖、軸測視圖、前視圖、右視圖。這包含了常規工程制圖時所需的3種視圖：主視圖、俯視圖、左視圖。軟件包含的這幾個視圖是在同一坐標系統內并相互關聯。因此，我們在改變其中任何一個視圖數據時，對應的會改變和生成其他視圖數據，大大提高了制圖效率。

4　三維制圖基本設計流程

在國外三維制圖目前較流行的設計流程是專業化流水線式工作流程模式，每個人只是負責流水作業工序中的一個環節，專職做模型出圖。三維設計按照設計流程劃分設計人員角色，一般情況下大體流程可分為：①系統設計；②布置設計；③分析計算；④詳細設計。

在系統設計階段，也叫做項目策劃，需要項目策劃者將項目拆解成一個個具體的需完成的文檔，并對文檔編號，制定統一的標準和參照，以及對應的權限。這能夠很好地規范和整理團隊成員完成的工作，并保證每個成員所獲得的標準和參照以及圖紙都是實時最新的。

布置設計時，各專業級成員需指定大致可執行的基本方案，并將各方案進行統一部署和協調。如同常規上的方案設計。

分析計算，正如其名，主要是對方案的分析和計算，核實是否滿足規程規范，經濟上是否可行，工程上是否可實現。

詳細設計，主要是對確定后的方案進行工藝布置和設備部件等圖紙的詳細設計，輸出可實施的工程圖紙，為施工服務。

5　具體工程設計

冶金礦山工藝布置，主要是通過以下幾個基本步驟來實施。

5.1廠房建模

這個主要用到OpenPlant中的結構和建筑模塊，完成柱、梁、樓板和工程涉及到的各種鋼結構的模型搭建。工藝專業主要與土建專業商量好軸網，并參數化。定好軸網后，工藝專業在進行設計時都以此軸網為參照，保證模型的統一。詳細的廠房設計由土建專業完成，工藝專業通過參考命令把土建廠房參考進來，作為工藝布置定位的基礎。

由于OpenPlant側重于工藝專業，僅能進行簡單的土建模型搭建，并不能實現各構件的力學模型設計，如需實現參數化的土建廠房模型，需配套用到專業的AECOsim Building Designer和Prosteel，它同屬于Bentley旗下軟件，前者主要于廠房建模，含暖通、給排水、電氣等專業以及軸網設計，建筑全信息建模；后者主要用于鋼結構的柱、梁、樓板的參數化設計。

5.2設備建模

這是Openplant Modeler的主要功能之一。軟件為設計者提供了專門用于設備建模功能，并提供了部分常見設備，如泵、罐、槽、熱交換器、料倉等的參數化模型，見圖3。通過這些內置的設備，設計者很方便的定義設備參數，輸入設備尺寸，插入設備。同時軟件也提供了自定義設備的強大功能，設計者可利用三維工具繪制設備，然后將其定義為設備并賦予屬性。

但是較可惜的是，軟件對冶金礦山行業所需用到的大部分設備模型，包括：破碎機、振動篩、球磨機、旋流器、浮選機、濃縮機、壓濾機以及皮帶、起重機等設備并沒提供參數化的模型，需要設計者完成設備建模，見圖4。由于礦山行業所用到的設備種類繁多，規格不一，因此設備模型庫的建立是一個極其耗時的過程，需要長時間的積累。不過，軟件支持參數化轉換其它軟件建立的三維模型，大大降低了初始設備建模階段的工作量。

圖3 軟件提供的設備建模模塊Fig.3 Device modeling module provided by the software

圖4 圓錐破碎機模型Fig.4 Cone Crusher model

5.3連接件建模

通過軸網的定位將各設備布置在對應的位置，并完成設備管口方位布置后便可進行連接件的建模。連接件的建模包括2塊：①是非標件：②是工藝管線。

非標件為除設備、管道外其他需要單獨設計的部件，一般為各設備與設備之間聯系的連接部件，由于連接的設備、方向和方式千差萬別，因此較難制作成統一的模型，需根據實際情況設計。在冶金礦山工藝專業，主要的非標件有：格柵、漏斗、料槽、防護罩、部分操作平臺、浮選泡沫槽、儲礦設施等。此部分非標件的建模可運用設備建模完成。

工藝管線包括主工藝管線、次工藝管線、氣動儀表管線、電動電纜線等繪制。由于Openplant PowerPID模塊包含很多有ISA和ISO標準認證的圖列以及一整套繪制管道和儀表的線型，所以能較快地完成圖紙的繪制，見圖5。

圖5 顎式破碎機工藝布置Fig.5 Jaw crusher process layout

5.4碰撞檢查

各專業完成模型建立后，項目策劃者將文件統一到參考文件中，并根據組合后的模型，進行設備與廠房，設備與設備，設備與管道，管道與管道之間的碰撞以及安全距離的檢查。在這里，各模型之間的安全距離可根據實際需要進行人工設定，計算機根據設定的數值，自動檢測相關模型之間的安全距離，對不滿足要求的地方，提出錯誤信息。

配合使用項目管理軟件和多專業協同管理平臺Projectwise，可直接在組合后的模型中修改各專業的設計。在修改過程中，運用PW的圖紙參考關系以及圖紙的變更管理，進行多專業文件級協同工作模式。同時通過bentley的Microstation核心技術之一的參考關系，各專業模型互相參考搭建整體的項目模型、來保證多專業的模型匯總成果。修改后的模型會直接反饋和傳遞到相關專業的設計圖紙中，大大縮短了查找專業圖紙以及反復修改的時間。

5.5圖形轉換

最終核實無誤的圖紙，需要將三維模型轉換成平面布置圖和立面圖、管道圖等現在常規使用的二維圖紙。在文件轉換時，由于三維設計時已賦予設備、管道等屬性和參數，輸出的二維圖紙上能自動生成材料統計表。至此，整個項目完成了從三維建模到二維輸出。某工程三維模型從整體到局部的布置形式，見圖6～圖9。

圖6 某工程三維模型整體布局Fig.6 The overall layout of 3D model of a project

圖7 局部放大圖1Fig.7 Partial enlarged drawing 1

圖8 局部放大圖　2Fig.8 Partial enlarged drawing 2

圖9 局部放大圖　3Fig.9 Partial enlarged drawing 3

6　結 語

由于冶金行業的使用習慣以及要求等原因，國內三維設計普及率不高，僅個別大型設計院有部分從事三維設計的專業人才，但是三維設計在國外的運用表明，這是工程設計的發展方向。它具有的高效、實時、可視等特點能夠大幅提高工作效率，完善成品質量，這必將成為未來工程設計的主流。

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中圖分類號：TB237

文獻標識碼：B

文章編號：1004－2660（2015）03－0009－08

收稿日期：2015－08－16.

作者簡介：陶建利（1982－），男，湖南人，工程師.主要研究方向：選礦設計及選礦試驗研究.

Process Layout Based on 3D Design

TAO Jian－li1，2，YU Jing3
（1.Changsha Institute of Mining Research，Changsha 410083，China；2.School of Minerals Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，China；3.Guangzhou Junhe Information Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510030，China）

Abstract：This paper introduced several 3D design softwares in metallurgical industry and the application of OpenPlant developed by Bentley in engineering design was mainly explained.The application includes project organization，workshop modeling，equipment modeling，non－standard components modeling，collision detection，etc..And product output after modeling was briefly described.

Key words：3D design；design software；process layout；OpenPlant；metallurgical mine