三維數字化協同技術實現創新協作

文｜張科奇

數字化協同設計的過程被分為四個階段：項目訂制、系統設計、布置設計、詳圖設計。項目訂制包含以下幾個部分的內容：項目的WBS、相關人員權限的劃分，相關數據服務的建立以及各項標準的訂制。系統設計主要指P&ID圖的設計。布置設計包含以下幾個部分的內容：一是對全廠內的各種設備、建筑、結構等實體建立三維模型；二是在所建立的模型上附加各種設備、建筑、結構等實體的技術參數指標，完成附加后即得到了各類實體的數字化三維模型；三是對所建立的數字化模型之間的關系做出詳細的定義。在布置設計過程中亦包含信息模型的協同、各個專業間提資的流程、并行設計等技術的實現。詳圖設計則是指在布置設計階段所生成的數字化模型的基礎上，通過剖切以及抽取得到平、立、剖圖以及ISO圖。縱觀四段式設計，核心在于系統設計，重點在于布置設計。

湖北省電力設計院采用的三維設計模塊

湖北省電力勘測設計院（以下簡稱“湖北院”）采取圖1所示的軟件模塊作為三維設計的軟件架構，此架構分為三個子模塊，分別是：協同模塊（ProjectWise），設計模塊（MicroStation），計算模塊為主的其他功能模塊。

圖1 模塊架構圖

圖2 工作流程示意圖

圖3 P&ID工作流程示意

圖4 P&ID項目數據庫結構

圖5 智能的P&ID圖

圖6 P&ID報表流程示意

圖7 P&ID管線報表清單

圖8 P&ID閥門報表清單

項目工作流程

根據三維協同的特點和要求，制定了項目工作流程，其示意圖如圖2。

系統設計

系統設計是電廠工藝設計的核心，也就是P&ID工藝流程圖的設計。

通過P&ID完成以下需求：包括定制（需強行遵守）；制圖標準（圖層、顏色、線型、線寬、符號等)；使用工業標準符號庫 （軟件附帶，也可使用公司自定義的標準）；可自定義查看和生成報表的功能；數據轉換工具可把現有數據（如DWG文件）轉為智能的P&ID格式。如上所述，項目開始之前，首先確定本項目使用的標準，完成數據的前期準備工作。現已有國內電力行業常規標準符號庫可以套用，當有特殊需求時，可以根據規則進行修正。

設計過程參考圖3。首先利用繪制工具繪制出強制遵守制圖標準（圖層，顏色，線寬等)的工藝系統及儀表圖。利用軟件提供的邏輯檢查功能對項目范圍內的所有P&ID圖進行檢查，排除各種邏輯錯誤，如管件是否缺少關鍵屬性；管線、設備和閥門是否重復編號；止回閥方向是否與管線流向一致等等。最后從圖中得到各種報表，如：管線清單、閥門清單、設備清單。報表的產生可以按單張圖進行統計，也可以將整個工廠的所有P&ID匯總到一起，一次性產生，借助于DataManager，可以對這些數據進行統一管理。根據項目需要，可以把P&ID圖中的必要信息通過Bentley DataManager產生由P&ID確定的可用管件選擇列表，傳遞到PSDS或OpenPlant中供3D管道設計時使用。此時在PSDS或OpenPlant中布置三維模型時，只能選擇到在P&ID系統中被定義過的管件及對應的參數，有效地避免了系統流程圖與三維模型管件規格、參數不一致導致的錯誤。如圖4～圖8。

布置設計

創建軸網。作為電廠設計的主要專業，機務專業首先協同其他專業建立統一的坐標系統和確定坐標原點，即建立軸網。如圖9。

軸網是由PSDS或OpenPlant提供的Column Line工具完成，軸網原點的位置一經確定，不會輕易更改。確定后的軸網，通過Append命令將其加載到數據庫中。軸網信息將在支吊點平面軸線定位圖例中使用。如圖10、圖11。

軸網文件確定后，將其保存為一個獨立的文件，并將其權限設定為“只讀”。當相關設計人員需要使用軸網或坐標系統時，通過文件參考引用的方式連接到當前文件中使用。

通過統一的軸網保證了所有專業在模型組裝時相對位置完全正確，這是多專業三維協同作業的一個基礎保障。

創建三維設備模型。設備模型的文件劃分規則應在項目策劃階段確定，根據項目規模的大小，可以將本專業的所有設備放置在一個文件中（小規模項目），也可以按系統或區域將其分別放置在不同的文件中（中、大規模的項目），甚至可以采用MCS（模型控制系統）功能，將所有模型壓縮進數據庫中。

本實踐主要解決的是設備空間布置的問題，而不是做機械設備設計。它所關注的問題是設備的外形尺寸、定位尺寸、接口尺寸、檢修預留空間、設備操作運行空間、設備相關屬性，例如：設備編碼、規格型號、處理能力、設備重量等；而不是設備零部件的大小、裝配關系。因此，在建立設備模型時，設備的外形尺寸、定位尺寸、接口尺寸一定要精確建模，而內部細節可以在保證一定美觀相似的情況下盡量簡化，這一點對于大型項目尤為重要。

模型由三種渠道獲得，一是通過系統提供的參數化模型（預定義了符合工業規范的參數化設備庫，同時允許用戶自定義）。二是利用MicroStation平臺的三維建模功能創建模型，然后將其定義為具有設備屬性的設備單元。三是通過轉換，接收第三方三維設計軟件創建的三維模型，然后將其定義為具有設備屬性的設備單元。如圖12。

圖9 坐標原點及軸網的確定

圖10 附加軸網至數據庫

圖11 支吊點平面軸線定位圖

圖12 參數化設備模型

圖13 PSDS Equipment 管嘴管理工具

圖14 調整后的管件屬性項

圖15 二維和三維關聯并存

圖16 面向對象的建筑專業工具集

在設備屬性表中用戶可以方便地增加和修改所需的各項設備屬性，Object Reporter提供了生成各類報表清單的工具，它有集成化的界 面，與數據庫有機地連接，用戶可以定義、編輯、修改報告和明細表的形式。各類設備都可以組裝到OpenPlant或PSDS三維環境下進行瀏覽，參與碰撞檢查。

通過使用 PSDS Equipment或OpenPlant Equipment的管嘴管理工具，來管理各類設備上的管嘴參數；可以通過表格輸入，定義和編輯設備的管嘴。如圖13。

創建三維管道模型。使用PSDS Piping 或OpenPlant Piping模塊完成三維管道建模。與設備模型一樣，管道模型的劃分規則應在項目策劃階段確定，根據項目規模的大小，可以采用按系統劃分模型或按區域劃分模型。也可以將全廠的管道模型通過MCS（模型控制系統）的功能，壓縮進數據庫（Microsoft SQL Server或Oracle）中。

管道的建模可以按智能中心線（Intelligent Line）法放置，也可以按單一管段、管件分別放置。在布置管件時，系統能自動檢測管件屬性（尺寸、spec、端面、等級等）的一致性，如有不一致的屬性出現，會自動發出提示信息，并禁止管件放置。

管件的屬性信息在放置完成后，被自動保存在對象模型中。用戶可以根據工程項目需求，方便地增加、修改所需的屬性項，所有這些屬性都可以被統計到材料報表中。

屬性項的定義一定要在項目前期策劃階段完成，在項目執行階段不要輕易更改，否則將會影響到修改之前布置的管件，在后期出圖及綜合應用階段產生錯誤。如圖14。

創建三維建筑、結構模型。建筑、結構建模使用AECOsim Building Designer軟件完成。三維建筑設計系統（Bentley AECOsim Building Designer）是一套采用面向對象技術，多專業集成的專業應用軟件系統。系統最重要的一個特點是建立全信息三維模型作為設計的唯一數據源，所有的二維圖紙、統計報告以及其它成果（如可視化表現）都是通過這個唯一的數據源生成，這種方式保障了結果的一致性。

本實踐使用了完備的中國標準庫，使用中能夠方便迅速地從預先定義的庫中快速地挑選參數化的墻體、門窗、衛生潔具等建筑對象。

通過使用系統的自動關聯功能，非常好地保持了建筑部件間的關聯拓撲關系，可自動判斷建筑對象之間的標準鏈接關系。當設計人員修改建筑的某一處的時候，與之關聯的部分能夠自動發生變化，節省了大量的模型修改工作量，實現了“一處修改，關聯變化”，保障了設計人員能夠有更多的時間去關注設計本身，而不是如何繪圖。如圖15。

建筑、結構專業的三維模型，在完成方案設計之后就能夠被所有的其它相關專業作為背景模型參考使用，在三維協同設計中作為其它相關專業的重要設計依據。其他專業可以隨時利用三維建筑、結構模型進行布置設計時的輔助定位、碰撞檢查，在整個設計階段盡可能的減少碰撞，提高設計效率、設計質量。如圖16。

建筑專業在準備階段僅得到機務專業一次提資圖，因此建筑僅完成建筑外墻及各層部分內墻模型，待項目進展深入，將進一步細化模型。

建筑模型按外墻和內墻劃分成兩個模型，最后通過文件參考組裝完成。操作步驟如下：首先，在AECOsim Buiilding Designer操作環境下創建一個新文件（選擇項目統一的種子文件），例如：建筑.dgn。其次，參考項目唯一的軸網文件以確保坐標系唯一。第三，根據機務專業提供的一次資料圖完成外墻模型的創建，包括墻體、門窗、散水、屋面等。最后，在一個新的文件中或新的“模型空間”（Model）中，完成建筑內墻模型的創建。

與建筑模型類似，結構模型也是根據機務專業一次提資資料創建，也將隨項目進展進一步細化。結構模型除了可以通過交互的方式，利用系統提供的面向對象的工具快速創建以外，還可以通過接口模塊，直接讀取計算軟件（PKPM、STAAD.Pro等）的信息自動創建。

結構模型按樓層進行劃分，每個樓層的模型存放在一個dgn文件的Model（模型空間）中，最后通過文件的參考組裝成結構模型。首先，在AECOsim Building Designer操作環境下創建一個新文件（選擇項目統一的種子文件），例如：Structural.dgn。第二步，參考項目唯一的軸網文件以確保坐標系唯一。第三步，根據機務專業資料，通過交互方式創建結構模型。如圖17。

樓板及墻體開孔

通過閉合元素（如多邊形、圓等）確定孔洞位置之后，使用開洞工具對樓板和墻體開設洞口，開孔過程中的開孔深度是可以由用戶自行定義的。值得指出的是，系統中所有的孔洞都是參數化的，孔洞可以非常方便的刪除、移動位置、復制添加、修改尺寸等，這給孔洞的修改編輯工作帶來了極大的便利。如圖18。

建筑、結構模型中的孔洞分兩類，一類是專業內部模型的孔洞，如樓板在樓梯位置的開孔；另一類是配合專業提出的配合孔洞。專業內部的開孔，只需通過智能線或多邊形確定開孔的大小和位置，然后選擇開孔工具（Cut Solid）在樓板或墻體上開孔即可。在建筑或結構的對象模型上開孔時，注意要將“Feature”選項選中。

協同工作及專業資料互提

由于各專業、各子系統都在一個統一平臺下進行操作，經過合理的模型劃分，可以使各專業同時開展設計建模工作，真正實現多專業的協同作業。各個專業的信息在統一操作界面下，可以非常方便且安全地被其他專業人員獲取和解讀，保證設計人員在第一時間發現設計上的沖突，加強了專業之間的數據互用性和設計溝通性，最大限度的提高整體設計效率。

各專業在進行資料互提時，可以充分利用MicroStation文件參考及參考嵌套功能，最大限度的利用配合專業現有的數據信息，盡可能的保證數據來源的唯一性，減少由于數據冗余造成的配合錯誤。

P&ID與3D模型間的信息傳遞。P&ID圖中的管件屬性和3D模型中的管件屬性來自同一個數據源——項目數據庫，這樣能保證P&ID圖中的管件屬性和3D模型中的管件屬性完全一致，比如管線號、管徑、壓力等級，KKS碼等屬性。它與傳統的二三維校驗技術相比優勢明顯，前者是在作業流程上預防了屬性不一致的可能性，是主動預防錯誤產生，而后者是靠事后校驗對比來檢查屬性的一致性，屬于被動檢查。

孔洞配合提資。對于配合專業提出的開孔，其工作流程如下：第一步，提出留孔專業創建一個新的模型文件，如：機務孔洞.dgn，參考項目唯一的軸網文件，確保定位準確，可以同時參考要開孔樓板或墻體的模型文件，用于輔助定位。第二步，用MicroStation基本繪圖命令，確定孔洞的位置，繪制孔洞的大小、形狀，作為資料模型提供給結構專業（可以設置成結構專業有只讀權限）。第三步，結構專業獲得開孔提資模型后，可將其參考進需要開孔的結構或建筑模型，檢查并確認開孔位置不與本專業模型沖突，然后批量選擇需要在本層開孔的多邊形元素，使用開孔工具（Cut Solid）在本層樓板上開設孔洞。最后，在孔洞周邊需要加強的位置增設相應的結構對象。

提出留孔專業的留孔提資圖，也可以直接通過模型的剖切后增加適當的標注產生。

出圖及報表

平、立、剖面圖。三維模型建立完成之后，通過三維模型生成二維圖紙就是一個相對比較快捷的過程，利用系統提供的抽圖管理器，可以抽取二維平、立、剖面及任意視角的投影圖。

圖17 結構模型組合

圖18 樓板開孔

圖19 自動生成的平面圖

圖20 自動生成的軸側消隱圖

圖21 單管軸側圖及材料報表

剖面的位置和方向可以在系統中任意設定，而且還可以設定前景和后景的景深，并且可以根據所采用的不同構件類型使用不同的線寬、線形以及填充方式在剖面中進行表達。結構桿件可以按一定的規則進行“再符號化”，例如，鋼結構桿件可以抽成單線形式等。桿件的截面名稱、桿件類型、編號材料、標高等信息可以自動標注。

在傳統的二維設計中，由于沒有統一的三維模型，常常出現平、立、剖不一致的現象。而使用剖切平面工具，能夠非常有效保證平面圖和立面圖以及剖面圖完全一致，而且在模型修改后，平、立、剖面圖只需更新計算即可全部自動更新。原有的標注信息依舊會保留在圖紙中，不會丟失。如圖19、圖20。

ISO單管軸側圖。通過使用IsoExtrator，ISO圖能智能化地從三維模型中提取，標注、標簽和材料表（材料表包括切管長度、隱含材料如螺栓、螺母等和焊接形式）等信息也可以自動生成。設計人員能根據不同的管線號、不同的系統和不同的回路等屬性，將其任意組合，生成獨立的ISO圖文件。單管軸測圖的屬性完全與三維模型中的相應管件的屬性相同，因此，能夠通過點取ISO圖中的任意管道和閥門、管件等符號查看其屬性。

能夠進行自動和手工標注。標注內容和形式能夠很方便地進行定義，標注的內容也可以任意修改，材料清單能夠自動更新。標注的內容和深度可以通過定制滿足國際和中國電力設計標準的要求。如圖21：

通過實際工程中的實踐，得到了傳統二維設計與四段式三維數字化協同設計的效果的對比：二維設計的可視化較差，對于碰撞檢測沒有完善的解決方案；二維的信息集成度較低，很難規劃出參數化快速建模的方案；二維設計的標準化以及數據的管理較差，而三維設計時，相關標準以及數據可以在設計的時候自動監測，并糾正不正確的設計；三維設計的協作工作能力較二維強。