PDMS三維設計軟件在模塊化設計中的應用

王 輝

中國石油工程建設有限公司華東設計分公司 青島 266071

PDMS三維設計軟件在模塊化設計中的應用

王 輝

中國石油工程建設有限公司華東設計分公司 青島 266071

以某項目為例，首先介紹PDMS三維設計軟件的特點、項目和數據庫的建立以及在模塊化設計項目中數據的結構層次與命名特點；然后介紹模塊化設計項目中PDMS三維設計軟件在管道設計、結構設計、儀表設計、電氣設計中的一般應用和模塊化設計的特殊要求；最后簡要介紹PDMS三維設計軟件的校核方法及模塊化設計對存檔文件的特殊要求。這些方法將為廣大設計人員應用PDMS三維設計軟件進行模塊化設計提供有益參考。

PDMS應用 模塊化設計 管道設計 結構設計 儀表設計 電氣設計

隨著世界經濟的飛速發展和我國工業企業“走出去”戰略的穩步推進，催生了大量地處經濟不發達或政策、環境苛刻地區的工程建設項目。為了規避項目建設地種種不利因素，起源于海上石油鉆井平臺的模塊化工廠建設技術被應用到了更廣闊的領域。由我公司承擔設計的某300億方/年天然氣處理廠項目就是采用模塊化設計的世界第二大天然氣處理廠項目。

模塊化工廠建設的基本步驟是：確定模(橇)塊規格→模塊設計→異地制造→長途運輸→現場安裝→現代化工廠。為了滿足長途運輸和現場安裝的要求，對模塊設計的完整性、尺寸控制、重量控制和精確度要求極高，因此，先進的工廠設計軟件是必不可少的工具。PDMS軟件作為應用普遍且相對成熟的三維設計軟件之一，在模塊化設計中發揮著重要的作用。

本文主要以管道設計專業為主線，介紹該軟件在模塊化設計中的應用。

1 PDMS三維設計軟件簡介

PDMS(Plant Design Management System)是英國AVEVA公司(原CAD Centre公司)的旗艦產品，它是以數據而非圖形為中心的大型三維工廠設計管理系統[1]。自1977年第一個PDMS商業版本發布以來，已逐漸成為大型、復雜工廠設計項目的首選軟件系統。

PDMS三維工廠設計管理系統主要具備的特點：① 實現了由二維邏輯模型到三維實體模型的轉變；② 擁有獨立的、結構合理的、可恢復性好的、安全性高的數據庫，不依賴第三方數據庫；③ 實現了多專業實時協同設計，使每個人員在設計過程中可隨時查看其它人員的模型；④ 實現了實時數據一致性檢查和三維碰撞檢查，保證了設計結果的準確性；⑤ 實現了材料的自動統計，可根據業主的要求隨時統計出精確的材料；⑥ 具備開放的開發環境。這不僅可以使輸出的圖紙、材料表等符合設計單位各自的規定要求，而且可以根據需要進行二次功能擴充開發，這一點特別適用于模塊化設計；⑦ 涵蓋了工廠設計的全過程。這不僅保證了工程設計的連貫性和一致性，更能有效的滿足現代工程設計對質量和進度的要求。

運用PDMS三維工廠設計管理系統，從項目開始至最后存檔的基本步驟，見圖1。

圖1 運用PDMS軟件完成設計的基本步驟

2 PDMS三維設計軟件的應用

2.1 工程項目的建立

(1)根據項目名稱在PDMS軟件中生成一系列項目文件夾，并將這些文件夾存放到指定的服務器上，為本項目組成員設置相應的共享訪問權限和訪問路徑。

(2)進入PDMS的Admin模塊創建Team、User和Database。Team是PDMS軟件的權限管理分組，在Team組里面的User具有本Team下的Database的操作權限。User是項目組成員，通過User控制每個人在每個Team下的操作權限。Database是項目數據庫，分為設計模型數據庫，平面出圖數據庫，結構模型數據庫等。

(3)將數據庫文件加載到MDB中，設計人員通過選擇不同的MDB就可以看到不同的分區。

2.2 PDMS數據庫的建立

PDMS軟件是以數據為中心的設計系統，因此，數據庫是整個項目運行的基礎[2]。項目伊始，需要由專業人員建立數據庫，它分為元件庫和等級庫。

元件庫是等級庫的基礎。在建立元件庫之前，需先根據元件的類型、尺寸、磅級設置好編碼規則，之后材料組人員在做等級時，根據編碼把原件和等級的內容關聯起來，最后將等級導入PDMS數據庫中。這樣，在創建模型時可以找到相應等級下對應的管件。

在模塊化設計項目中尚應注意，由于運輸條件對模(橇)塊的重量限制，需要添加管道及其組成件的重量信息。

2.3 PDMS軟件數據結構層次與命名

在PDMS軟件中，管道、設備、結構、儀表、電氣等數據是嚴格按照樹狀結構層次進行命名、存儲和管理的。在層次結構中，第一層是WORL，代表裝置的定位點，一個項目只有一個WORL層；第二層和第三層分別是SITE層和ZONE層，一個項目中有多個SITE層和ZONE層。

由于模(橇)塊在制造、稱重、吊裝、運輸、安裝等過程中具有一定的獨立性，所以，裝置中模(橇)塊的設計、校對、審核、出圖、出料等是以模(橇)塊為單位，這就使得在模塊化工廠設計工程中PDMS的層次劃分與命名不同于常規項目，見圖2。

圖2 PDMS層次劃分與命名

2.4 主要專業設計模塊

PDMS是以管道設計專業為主體的多專業協同工廠設計系統。在設計過程中，管道設計專業、土建專業、結構專業、儀表專業、電氣專業等均在PDMS設計平臺中建立本專業三維實體模型，從而實現設備、管道、結構、混凝土基礎、儀表、橋架、電纜等之間的協同，并100%反映現場實際情況，解決了碰撞、操作、通行、檢修、模(橇)塊間及其與外界的管道連接等問題，從而提高了設計質量，最大限度的降低了現場出現設計問題的可能[3]。

但是，受各專業PDMS軟件應用水平、設計習慣等因素的影響，傳統項目一般只有管道設計和結構專業應用PDMS軟件進行設計，其他專業基本采用傳統方法，不參與協同設計。而在本項目中，為滿足模塊空間、重量限制以及減少現場施工量，對模型提出了近乎100%建模要求，因此，除管道設計和結構專業外，土建、儀表、電氣等專業均在PDMS平臺上進行實體模型設計。

2.4.1 管道設計專業

管道設計是整個裝置設計的難點。在采用CAD等二維設計軟件時，管道設計費時費力且容易出錯；在采用PDMS三維設計軟件時，管道設計可以準確、直觀、高效的完成。

管道設計專業的工作內容主要包括設備建模、初步的結構建模和管道建模三大部分。

(1)設備建模需點擊Design→Equipment進入設備設計模塊。

設備建模常用“標準設備模板”和“拼接”兩種方法生成設備模型，若已有近似的設備模型則可使用“外部宏文件導入”的方法創建設備模型。選擇某一方法，依據上游專業或設備制造廠提供的圖紙，建立設備及其基礎的等比例模型，并依據裝置平面布置圖將其準確定位。

設備模型建立完成后需根據其上管道的設計和設備自身特點等限制因素，不斷調整裙座高、基礎高度、開口方位等，確定之后即可通知設備專業、結構專業和土建專業開展相關工作。

圖3 某模塊內的設備模型

在模塊化設計過程中尚應注意：① 模塊內設備的基礎均為型鋼結構，而非混凝土結構；② 設備基礎生根在模塊底板梁上，而非鋼格柵(或花紋鋼板)上；③ 注意模塊鋼結構對設備檢修的影響。本項目中某模塊內的設備模型見圖4。

圖4 某模塊的設備模型

(2)結構建模需點擊Design→Structures進入結構設計模塊。

管道設計專業創建的結構模型一般包括梁、柱、平臺、開洞、梯子、基礎、管墩、棚子、房子、需要結構專業設計的支架等。雖然這些模型只是初步的，并不在最終文件中出現，但必須保證包括長、寬、高、定位、外廓大小等在內的設計意圖的準確表達，以便結構專業對其進行精確的計算和細節上的處理。

在模塊化設計過程中尚應注意：① 多數傳統項目鋼結構的定位是以柱子中心為基準點，但在模塊中是以底板梁的外廓為基準點；② 由多個組塊構成的模塊需在立柱上表示出拆分點的準確位置；③ 橇塊或組塊的大小不能超出運輸限制條件。本項目中由管道設計專業創建的某模塊的三維結構設計模型見圖5。

圖5 某模塊的三維結構設計模型

(3)管道建模需點擊Design→Pipework進入管道設計模塊。

在PDMS軟件中，管道設計是根據管件來確定管道走向，即當彎頭、閥門等管件的位置確定后，管道會相應地自動連接。同時，該軟件會依據設計原則自動進行諸如端面類型是否匹配、管徑是否一致等屬性檢查并直觀，可隨時判斷模型創建是否正確。此外，PDMS軟件還提供了非常強大的管道編輯功能，除了能對已經創建的管道進行移動、旋轉、復制和鏡像等外，還可以方便、快捷地在水平管或坡管上進行斜管連接，使原本需要大量計算的設計變得簡單易行而又準確。

PDMS軟件還能進行支吊架的設置，從而使整個管道設計更趨完整。

在模塊化設計過程中尚應注意：① 管道的布置必須滿足運輸的要求；② 由于模塊內空間狹小，對管道的緊湊布置提出了更高的要求；③ 模塊化設計需要對橇塊或組塊進行重量和重心計算，并且檢查狹小空間內管道支吊架設置是否正確、合適。因此，PDMS軟件的邏輯支吊架不能滿足模塊化設計的需求，需要對PDMS軟件進行二次開發，使其具備設置實體支吊架的功能；④ 由多個組塊組成的模塊需要拆分后運輸，因此需要根據要求巧妙的設置管道拆分點。本項目中管道設計專業創建的某模塊完整的三維設計模型見圖6。

2.4.2 結構設計專業

結構設計專業進行結構建模時進入的設計模塊與管道設計專業進行結構建模時進入的設計建模是相同的，所不同的只是進入的SITE層不同。

圖6 某模塊完整的三維設計模型

結構設計專業進行結構建模有兩種方法，一種是與管道設計專業進行結構建模的方法基本一致，另一種是通過結構設計專業的計算軟件與PDMS之間進行相互轉換。結構設計專業的主要工作流程：首先依據管道設計專業、設備專業等的委托進行結構強度、結構穩定性、節點強度計算，然后進行模型的創建工作。

在模塊化設計過程中尚應注意：① 在傳統項目中，需要注意斜撐、結構梁等對設備檢修、閥門操作與檢修、通行的影響，在模塊化設計項目中對此要求更為苛刻，這就要求結構模型更加準確、精細；② 為了組塊的拆分運輸與現場組裝，組塊拆分點、外掛梯子平臺、組塊與基礎的連接等處應采用螺栓連接；③ 為了滿足運輸對橇塊、組塊的重量限制，結構設計專業需要在模塊設計完成后進行重量計算，該功能需要對PDMS軟件進行二次開發；④ 為了設置吊耳，結構設計專業需要在模塊設計完成后進行運輸條件下的橇塊或組塊的重心計算，PDMS軟件具有重心計算的功能，但功能過于簡單，數據庫不完整，因此仍然需要進行二次開發。

2.4.3 儀表專業

儀表設備、橋架、電纜敷設建模分別進入Equipment、Cable Tray和Cabling System模塊。

建模時，先建立儀表專業SITE層，在SITE層下建立EQUIP、CABLE TRAY、CALBE等ZONE層，再在對應的ZONE層下進行儀表設備、電纜橋架、電纜建模。儀表設備、電纜橋架、電纜都需要根據實際情況進行定制開發，把定制好的模型導入到數據庫中，使用時進行調用。

在模塊化設計過程中尚應注意：① 在傳統項目中儀表模型及其定位只是示意，而在模塊化設計項目中要求準確創建；② 空間占用盡量小；③ 儀表管線應在模型中精確表示。某設備上儀表的橋架和電纜三維設計模型見圖7。

圖7 儀表橋架和電纜三維設計模型

2.4.4電氣專業

電氣專業需要依據管道專業和結構專業創建的三維模型，通過Cable Tray或Cabling System完成橋架建模，通過Cabling System完成電纜的自動敷設，通過General完成燈具、配電箱和操作柱等的建模。

在模塊化設計過程中尚應注意：① 傳統項目中電纜路徑僅為示意，而在模塊內通過Cabling System規劃的電纜路徑要求較高的準確度和可實施性；② 模塊上的照明燈具應準確建模，這樣才能有效避免碰撞的發生。本項目中某模塊上燈具的三維設計模型見圖8。

圖8 某模塊上燈具的三維設計模型

2.5 PDMS軟件的設計校核

PDMS軟件的設計校核可分為系統自動校核和人工校核。目前，應用最廣泛、最成熟的系統自動校核功能是管道的數據一致性檢查和碰撞檢查；人工校核是在三維模型設計過程中，校審人員依據設計輸入對模型的校審，既可是某個專業內部校審，也可是階段性的、多專業共同審核或業主審查[4]。

2.5.1 自動校核

PDMS軟件可以通過對模型中的管道進行數據一致性檢查和碰撞檢查并生成報表，從而真實、準確、快速地反映出存在的問題。

在做數據一致性檢查前需對諸如虛線狀態等明顯錯誤加以處理，然后在管道設計模塊下點擊Utilities→Data Consistency進入檢查功能。數據一致性檢查主要檢查：① 角向對齊，即檢查需要連接的元件間是否處在同一個方向；② 軸向對齊，即檢查需要連接的元件是否沿同一軸線對齊；③管徑一致，即檢查需要連接的元件管徑是否一致；④連接形式，即檢查需要連接的元件連接形式是否匹配；⑤ 最小直管段，即檢查直管段長度是否小于預設值。

三維碰撞檢查可實時進行，也可在設計完成后統一進行。檢查結束后，窗口中輸出碰撞報告，同時高亮顯示碰撞位置。

在模塊化設計過程中對于數據一致性檢查并無特殊要求，但對于碰撞檢查較傳統項目要求更高，這是由于模塊內設備、管道、儀表、鋼結構等布置極為緊湊，容易導致碰撞，如果碰撞是在制造過程中被發現，則修改極為困難，就會影響項目進度和質量，所以，采用模塊化設計，碰撞問題必須全部在設計階段解決。

2.5.2 人工校核

三維設計與二維設計校核相比更直觀，更全面，更快速靈活，并且可以貫穿設計的全過程、全方位。

經過多年的實踐，對PDMS軟件的校核功能進行了二次開發。安裝該工具后，校審人員可以方便的將校審意見與存在問題的模型關聯、拍照、保存并郵件通知設計人員；設計人員可以在PDMS中調出該工具，點擊校審意見記錄后可以顯示詳細的校審意見并自動顯示存在問題的模型，甚至可以在“修改意見”欄表達自己對校審意見的不同看法。當所有的校審意見處理完成后可以生成包含問題模型截圖、校審意見、處理結果的報表，從而作為項目資料存檔。

2.6 設計文件的生成

PDMS軟件是基于數據庫的智能設計系統，一旦完成管道建模并通過校審后，可以自動生成最終的設計文件，主要包括“切平面圖”(即生成管道平面布置圖)，可利用Draft模塊從不同標高切取管道平面布置圖；“抽單管圖”(即生成ISO圖)，可利用ISO Draft模塊自動抽取單管圖；“開料”(即生成料表)，可利用Report功能自動生成料表，完成材料統計。

雖然PDMS軟件具有強大的出圖、出料功能，但也存在平面圖標注混亂甚至重疊，復雜管線ISO圖切分不合理，后期需要處理以便使圖、表格式符合標準規范或規定的要求，解決上述問題需要進行客戶化的定制或二次開發，這樣才能全自動化的生成令人滿意的、符合標準規范或規定要求的圖紙、材料表。

在模塊化設計過程中尚應注意：① 多個模(橇)塊可以在同一制造廠也可以在多個制造廠同時開工制造，因此，發往模塊制造廠的施工文件需以橇塊或模塊為單位編制，而發往現場的施工文件卻應以裝置為單位編制；② 有些采購周期長的儀表調節閥、控制閥、材質特殊或制造工藝特殊的閥門等會直接發往現場，為了清關的需要，發往模制造廠的施工文件中需用直管段代替，而發往現場的施工文件中應將其準確體現。

3 結 語

模塊化設計具有一些不同于傳統項目的特點，它不僅對設計軟件，同時也對人員的軟件使用水平甚至工作模式提出了更高的要求。

前者要求設計軟件從二維轉向三維，并具備或可開發出適合模塊化設計的新功能。PDMS軟件可提高設計質量，降低設計人員的工作強度，加快設計和施工進程，增加經濟效益，使三維設計代替二維設計由趨勢變為了現實。

后者要求各相關專業在同一平臺上協同設計，做到“所見即所得”。實現多專業協同設計，而且絕大多數委托條件已由上游專業出圖改為上游專業通知，下游專業在模型中抽取的方式，大幅提高了準確性和時效性。

1 成 英，閆書磊，呂保國.VANTAGE PDMS在大連PX芳烴聯合裝置中的應用與體會[J].廣州化工，2009，37(6)：200～201.

2 張志鳳.PDMS軟件在蘭州高壓聚乙烯配管中的應用[J].化工設計通訊，2007,33(1):43～45.

3 王 毅.國外項目PDMS三維設計及模型進展檢測[J].當代石油化工，2011,195(3):35～38.

4 梁亞棟，劉三軍，羅智平·PDMS 3D的工程化應用[J].山東化工，2014,43(7):157～158.

2016-04-19)

*王 輝：工程師。2006年畢業于中北大學(原華北工學院)化工與環境學院化學工程與工藝專業。從事石油化工管道設計工作。 聯系電話：(0532)80950854，E-mail：wanghuipg@cnpccei.cn。