化工管道三維物理支吊架的開發與應用

王鈺銘　唐瑋琪　代國興

中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院　吉林　132002

化工管道三維物理支吊架的開發與應用

王鈺銘*唐瑋琪代國興

中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院吉林132002

摘要介紹SP3D軟件物理支吊架的優勢，分析了三種化工管道物理支吊架庫開發形式的特點，總結了開發前準備工作、開發方法與開發應用時的經驗教訓。

關鍵詞幾何形體關鍵點數據庫材料統計

隨著信息時代的深入發展，計算機輔助設計日益數據化、形象化、簡便化，傳統的三維設計軟件也進行著全方位的智能演化。Intergraph公司的SmartPlant3D(簡稱SP3D) 軟件與AVEVA公司的Everything3D(E3D)軟件是當今世界兩個較先進的三維工廠設計系統。以數據為中心，Microsoft類型的操作環境，均有配套的二維系統類設計軟件、材料建庫及控制管理軟件、施工軟件在數據信息管理平臺上進行數據集成，為設計團隊創建智能三維工廠模型并據此制作所有智能工廠的可交付項提供了可能性。吉林設計院為適應市場需求于2008年購置了SP3D軟件，并開展了包括化工管道物理支吊架在內的多項二次開發工作。

1SP3D軟件物理管道支吊架優勢

1.1功能強大

SP3D軟件支吊架功能較上一代產品PDS軟件更富功能性，不只是管道模塊的一個命令，單獨成為HangersandSupports模塊，與Common(公共環境)、Piping、EquipmentandFurnishings、Structure、DrawingsandReports(圖紙與報告)等模塊同等級別，并能夠相互自由切換，滿足管道、電纜橋架、采暖通風管道等各類元件的支撐要求，擁有以PlaceSupportbyStructure(根據建構筑放置支吊架)、PlaceSupportbyPoint(根據點放置支吊架)、PlaceSupportbyReference(根據參照物放置支吊架)等多種放置方法，共9種命令。

1.2兼容性好

SP3D軟件改變了以往利用外掛supportmodeler、SofiaSupport工具的形式，穩定性高，兼容性好，不會產生支吊架無故失效的情況。

1.3視圖形象

SP3D軟件管道物理支吊架形象直觀、視圖效果優異，可有效地提高三維工廠模型的品質，充分彰顯工程公司的信息化水平與設計水平。

1.4操作智能簡單

SP3D軟件管道物理支吊架非常智能化，用戶選擇管道和支撐點后，可以根據設定的規則自動推薦符合該情況的支架型號，也可以自行選擇，系統根據管徑、型鋼等環境自動匹配支架規格、高度等參數；支持“智能關聯”專利技術，當管道合理的移動后，修改信息會反饋到管道與支吊架的關聯模型中，支吊架會自動隨之改變；管廊或成排的管道可以連續添加，無需二次選擇管道，繼續選擇下一個支撐點即可，對于支吊架庫中沒有的特殊支架，可以根據型鋼庫中的材料自行組裝特殊支吊架。

1.5精確的材料統計功能

SP3D物理支吊架可以根據工程公司實際需求定制材料報表與支架詳圖，將設計過程實際使用的支架分解成型鋼、管卡、螺栓等部件，通過HangersandSupport模塊全自動生成材料報表，準確統計支吊架材料的數量，有效地解決了三維設計以來無法精確統計支架材料的難題，減少了工程浪費和支架材料缺少對工程進度的影響。

2管道物理支吊架庫開發形式

SP3D軟件管道物理支吊架一般分為自主開發、委托有經驗的軟件商開發及兩者相結合的開發三種形式。

自主開發要求工程公司IT技術深度高，開發周期長，但是開發靈活、維護方便，適合擁有專門的數字化研發中心的工程公司，如中石化石油工程設計公司、中國石油管道局設計院等。

委托有經驗的軟件商開發具有開發周期短、不需要有編程經驗，可用性高，但是價格高昂，一旦委托開發后支吊架后期維護比較困難，適用于沒有精力開發且急于應用的公司。

兩者兼顧是非常好的形式，先委托開發商做出一部分支吊架，然后通過培訓來自行開發剩余的部分，但是對開發能力的要求很高，需要專門的團隊攻關，對急于應用的用戶會有一定的風險。

三種方式各有利弊，工程公司需要根據自身的實際情況做出選擇，吉林院最終采用兩者兼顧的形式，大部分由DCC(鷹圖的數據轉換中心)開發，準備經過培訓、技術支持自行補充一部分。

3管道物理支吊架庫開發前準備

物理支吊架開發是個復雜而零散的功能定制項目，每個工程公司的支吊架少則幾十個，動輒數百個，開始只能提出一個大概、模糊的功能，只有經過長時間的反復認識才逐步明確，需要做好充分的準備工作，主要有支吊架圖冊選擇與修訂、支吊架幾何形體分解兩部分工作[1]。

3.1支吊架圖冊選擇與修訂

圖冊是支吊架開發的重要依據，吉林院是以石油化工為主營，70%的項目都與化工有關，適合的國家標準為《管架標準圖》HG-T21629 ，由于發布的時間久遠，很多架型已經無法完全適應項目需要，且該套標準的支架數目過多，成本太高，不適合開發。2008年，我院在吸收國內外經驗的基礎上自行編制了一套支架圖冊，一直與HG-T21629并用，此圖冊比較新，數量合理，適合開發，但是很多內容不全，需要補充。

3.2支吊架幾何形體分解

支吊架幾何形體分解是開發過程中的本質內容，直接關系著材料的統計方式以及工程管理方式，一般可分以架形、全部分解至型鋼，除管夾、緊固件外分解至型鋼三種類型，以架形分解將有非常大的局限性，材料只能按套統計，代碼量大，支架采購成本高，而全部分解成型鋼不符合現階段工程管理方式。管夾、緊固件等細小繁瑣的工序均由施工單位加工會耗費較長的工期，管夾、緊固件外分解至型鋼雖然需求分析較為復雜，但長遠考慮，可節約采購成本，又不增加施工難度，是非常合適的選擇。吉林院最終采取了這種分解方式，將所有架形分解為68個組件，三種類型的優缺點見表1。

表1　三種類型分解方式優缺點對比表

4物理支吊架的開發

4.1數據庫建立與數據庫調取

SP3D軟件是以數據為中心的，所有模型參數、屬性都是以Excel的形式存于后臺，并通過VB程序驅動調取，支吊架的開發也是如此，以ST-001,U型螺栓為例，圖例見圖1。

首先應建立一個數據庫Excel文件，每個sheet為一個組件，并將其命名為組件名稱，組件名稱單元格命名為JiLin_Part_ST.001，并將幾何尺寸按管徑做成數據庫，編制程序時調出這兩處的名稱，即可調用出支吊架的幾何尺寸信息，并根據管徑賦值，程序編譯如下：

OptionExplicit

PrivateConstMODULE= "ST-001"

PrivateConstm_progID= "JiLin_Part.ST-001"

Privatem_SymbolFactoryAsNewIMSSymbolEntities.DSymbolEntitiesFactory

Privatem_SymbolDefinitionAsIMSSymbolEntities.DSymbolDefinition

Privatem_outputCollAsIJDOutputCollection

Privatem_oCodeListDataAsIJDCodeListMetaData

PrivatesqlqueryAsString

PrivatevarOutputAsVariant

PrivateoIJPartSelHlprAsIJHgrPartSelectionDBHlpr

ImplementsIJDUserSymbolServices

ImplementsIJHgrSymbolBOMServices

PrivateSubIJDUserSymbolServices_InitializeSymbolDefinition(pSymbolDefinitionAsIMSSymbo-lEntities.IJDSymbolDefinition)

ConstMETHOD= "IJDUserSymbolServices_InitializeSymbolDefinition"

圖1　ST-001支架圖例

ST-001支架數據表見圖2。

圖2　ST-001支架數據

4.2幾何形體構建

物理支吊架在中國石油企業標準《三維設計導則》定義為模型中的實體支吊架，可以理解為具有物理屬性的幾何形體，與其他三維模型一樣都是在平面二維系統中加入了一個方向向量構成的空間系，三維即是坐標軸的三個軸，即X、Y、Z軸，X表示南北空間，Y表示上下空間，Z表示東西空間，這樣就形成了人的視覺立體感，需要注意的是所設計的物理支吊架的坐標系應與SP3D模型中的一致[2]。

幾何形體由面組成，面由線組織，線由點組成，關鍵點起著至關重要的作用，是貫穿支吊架空間聯系的紐帶，包含管道與支吊架的關聯點，支撐點、構成組件中圓、長方體等基礎幾何形狀的連接點、組件裝配連接點、特殊界限點五種，一般起始點以管道與支吊架的關聯點為對象計算得知的，程序編譯如下：

AddPoint"Route", 0, 0, 0,_1, 0, 0,_0, 0, 1,m_outputColl, "Route",arrayOfInputs(1), "Route"

ST-001支架可以進一步拆解為兩個1/4圓形實心圓鋼、兩根直線實線圓鋼、兩個六角螺栓構成，為簡便六角螺栓用空心圓柱代替，根據所加載的關鍵點，開始繪制幾何形體，見圖3。

ST-001中的部分幾何形狀程序編譯如下：

'Elbow

AddElbowdST001_D1 / 2,c/ 2, 180, "ROTZ(90)",m_outputColl, "Elbow"'Bolt

AddCylinderWP0,c/ 2, 0, 0,c/ 2, -(dS001_H1 -dS001_R-dS001_L1),dS001_D1 / 2,m_outputColl, "Pin1", "Pin1"

AddCylinderWP0,c/ 2, -(dS001_H1 -dS001_R-dS001_L2), 0,c/ 2, -(dS001_H-dS001_R-dS001_L+dS001_L1),dS001_D3 / 2,m_outputColl, "Pin2", "Pin2"

AddCylinderWP0,c/ 2, -(dS001_H-dS001_R-dS001_L1 +dS001_L2), 0,c/ 2, -(dS001_H1 -dS001_R),dS001_D2 / 2,m_outputColl, "Pin3", "Pin3"

上述代碼對應的幾何形狀見圖4。

所有幾何形狀構建完畢后生成dll(動態鏈接庫)文件，加載到SP3D軟件，通過HangersandSupports模塊，即可畫出ST-001物理支架，見圖5。

圖3ST-001基本幾何圖形分解圖4上述代碼對應的幾何形狀

圖5　ST-001支架三維模型圖

5支吊架應用

吉林院歷時一年時間，開發出第一批120多套架形的物理支吊架庫，并應用于某石化MTBE項目中，首次擺脫了虛擬的邏輯支架，參與到碰撞檢查中，精確抽取了材料表，取得了良好效果，同時也吸取了支吊架添加與材料統計兩方面的教訓。

支吊架添方面的問題主要體現在支撐物的選擇上，支吊架識別結構模型中的建構筑物是沒有問題的，但是“門”型支吊架本身也是可以作為支撐點，見圖6。最初設計時沒有考慮支架本身的組合問題。

圖6　支吊架作為被支撐物

支吊架材料統計的問題主要體現在：

(1)支架圖冊不同架形的材質和型鋼型號書寫不規范，如角鋼∠100×100×8與L100×8是同種角鋼，材料賦值時也是不同的格式，致使料表中的材質與型鋼型號五花八門。

(2)螺栓與螺母統計方法應按套，而實際缺分開統計的。

(3)支吊架幾何形體分解，只考慮到U型螺栓、管卡等細小的成套部件，保冷管托據業主反饋施工單位加工非常困難，分解成型鋼很不科學，但直接實現保冷管托成套統計支架庫后臺將有顛覆性的改動。

針對支吊架統計的問題采取了相應補救措施，將型鋼表示方法與材質表示方法進行了統一，修改了后臺程序的屬性賦值；將螺栓與螺母兩個基本部件合為一個部件；而對于管托類的部件修改進行了評估，得出修改源程序的代價過高，最終采取了處理數據方式，將管架表中的管托解析出形式、規格、數量信息，計算出散材的數量，在管架材料表中去除，并添加上管托成套統計內容，由于處理數據過程采用了SP3D軟件DrawingsandReports模塊拓展編程實現，支吊架材料抽取方法與之前一致，相當于增加了一套支吊架材料模板，沒有給設計人員附加額外工作量。

6結語

物理支吊架庫的開發有利于提升三維模型的整體品質與三維成品的質量，是三維設計發展的新里程，同時物理支吊架庫的開發亦是長期復雜的過程，需要做好細致的需求分析，確保開發工作的順利進行。

參考文獻

1黃文豪.基于工業流水線控制系統的軟件模塊化研究與設計. [D]. 廣州:華南理工大學,2012.

2師濤. 三維動畫理念對現代電影審美價值提升性的研究. [D]. 西安: 西安美術學院,2008.

(收稿日期2016-03-25)

*王鈺銘：工程師。2011年畢業于長春工業大學高分子化學與物理專業獲理學碩士學位。主要從事石油化工配管設計與計算機輔助設計研究工作。聯系電話：18643222932，E-mail:jly_wym5195@petrochina.com.cn。