CADWorx在小型化工EPC項目中的應用

濮宇凌

(杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

CADWorx在小型化工EPC項目中的應用

濮宇凌

(杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

概述了應用三維工廠設計軟件的必要性和不同軟件的比較。著重介紹CADWorx在某硫化氫提濃EPC項目中的應用，包括設備建模、碰撞檢查、材料管理、模擬培訓等工作，體現了該軟件對EPC總承包項目的重要作用。同時，筆者提出一些深入應用的前景，供類似項目參考。

CADWorx 三維工廠設計 EPC項目

近年來，在建設主管部門的大力推廣下，EPC(設計采購施工)工程總承包發(fā)展十分迅速，已成為工程承包的主要實施模式。采用EPC承發(fā)包方式和傳統(tǒng)的設計、施工分開承發(fā)包相比具有許多優(yōu)勢：比如更有利于建設責任的追索；更有利于實現設計、采購、施工、試運行等各階段工作的深度融合，提高工程建設效率，優(yōu)化工程建設周期等等。在EPC工程總承包模式下，設計在整個工程建設過程中占主導地位，在設計時就考慮采購和施工，提高設計的可建造性。這也促使各專業(yè)設計人員在設計中逐漸引入先進的設計軟件。對化工項目而言，在詳細設計時采用三維工廠設計軟件是有效提高設計和工程質量、有效控制項目成本、適應EPC工程總承包模式的必由之路。

1 三維工廠設計軟件應用的必要性

隨著工程復雜程度提高，計算機和互聯(lián)網的普及，新一代信息技術與傳統(tǒng)行業(yè)深度融合，引發(fā)影響深遠的產業(yè)變革，形成新的生產方式、產業(yè)形態(tài)。對工程建設領域來說，三維技術的應用、數字化交付的推進，使得勘察設計進入一個新的時代，EPC工程總承包企業(yè)可以借力信息化建設，促進設計、采購、施工等各階段工作的深度融合，實現技術、人力、資金和管理資源的高效配置，提高工程建設效率和水平。這就要求設計文件不能停留在以往的用2D方式呈現設計文件，而是要具備可視化、協(xié)調性、模擬性、優(yōu)化性、信息完備性、信息關聯(lián)性、信息一致性等特點。而三維工廠設計軟件可以把擬建設工廠的所有元素以三維立體的形式呈現出來，形成一個完整直觀的虛擬工廠，提高設計過程的人機界面友好程度和設計成果的可視化效果，提升設計工作的數字化程度，大大提高EPC項目的運行效率和準確性。但是，當前國內比較普遍的情況是：三維軟件在大型化工項目中的應用已非常普遍，建設單位甚至會在合同中明確要求采用某個三維軟件；但當項目的規(guī)模較小時，設計人員通常仍按傳統(tǒng)設計方法與習慣，采用非智能CAD工具完成。事實上對于EPC項目而言，工程質量、成本、進度的控制并不會受限于項目規(guī)模的大小[1]。碰撞檢查、精確的材料清單、自動單線圖、雙向鏈接分析等應適用于所有項目。

2 不同三維工廠設計軟件的選擇和CADWorx的優(yōu)勢

因為國內工程建設行業(yè)的高速發(fā)展，目前在國內有應用的三維工廠設計軟件多達十余種，絕大部分為國外公司研發(fā)。其中應用比較廣泛的有：美國Intergraph公司的PDS、Smartplant3D、CADWorx；美國Autodesk公司的AutoCADPlant3D；英國AVEVA公司的PDMS[2]；美國Bentley公司的Bentley PlantWise、AutoPLANT等。此外還有國內公司開發(fā)的SPDA,PDSOFT等。每款軟件各有優(yōu)劣，需要根據公司情況和項目特點具體選擇。

AutoPLANT和PDS屬于老一代的三維設計軟件，紅極一時，但目前均已停止更新。PDMS和SmartPlant 3D則是目前的兩個領軍軟件。其中PDMS在國內市場占有率很高，適合大中型項目。CADWorx是美國 Intergraph公司開發(fā)的基于AutoCAD平臺的產品，采用參數化繪圖，模型由2部分組成：1部分是dwg格式的模型文件，1部分是項目數據庫，數據庫文件和模型文件關聯(lián)，可以做到自動更新。軟件帶有國標Catalog，容易上手，兼具靈活性和便捷性，性價比較高，目前在國內中小項目上的應用很廣。

考慮到CADWorx三維工廠設計軟件發(fā)展較早，技術成熟，在國內占有較大的市場份額，成功應用的案例很多。它在國內的代理公司——北京市艾思弗計算機技術有限責任公司，是一家專門從事軟件代理及技術服務的專業(yè)公司，成立多年，它的培訓和支持服務在業(yè)內有良好的口碑。再結合產品的采購、運行、培訓等費用，從項目的投資回報率來看，CADWorx無疑是中小型項目開展三維工廠設計的首選。該軟件三維模型設計在計算機上可動態(tài)、直觀地展示出工廠或單元裝置建成后的實際情景；還可自檢并發(fā)現模型設計中的錯、漏、碰、缺，以保證設計質量，有利于業(yè)主更客觀、準確地作出決策，有利于施工控制及生產維護；此外還實現了3D管道模型與管道應力分析之間的雙向可接。比如在某硫化氫提濃項目中的應用，就很好的體現了CADWorx的信息化、數字化優(yōu)勢。

3 CADWorx在某小型EPC項目中的應用

某硫化氫提濃建設項目，以上游裝置產生的含硫化氫酸氣作為原料氣，以低溫精餾分離法作為主要工藝，設計處理能力為～3000Nm3/h，并配套建設氨蒸發(fā)制冷系統(tǒng)。該工藝的主要缺點是設備較多，為了節(jié)約用地，使整體布局緊湊，占地面積小，采用低溫冷箱形式將相關的換熱器、氣液分離器、精餾塔等設備組合到一起。該項目采用EPC總承包模式，考慮到項目建設周期、設計深度等因素，決定選用CADWorx三維工廠設計軟件進行設計。

3.1 利用Equipment和Box模塊搭建冷箱模型

本項目所用冷箱上不同規(guī)格工藝管口多達50余個，儀表管口多達20余個，且主要集中在某些區(qū)域。比如在EL+3700平臺上，就集中布置了12個各種規(guī)格管口，部分管口中心距不足400 mm。這就導致現場施工時施工單位自主調節(jié)的裕量很小，要求設計文件盡可能準確。利用CADWorx的Equipment模塊，可以準確定義管口的各項參數，精確定位管口位置，真實反映管口形式和尺寸。

但Equipment模塊不足之處在于采用的是參數化模型拼接與調整尺寸模式，對難以簡單參數化的設備支持不好，用該模塊對冷箱建模較為繁瑣。事實上對于冷箱而言，在工程設計時，真正用到的往往是設備的極限尺寸和管口信息，對于設備局部結構的詳細尺寸關注不多，在建模時可以做適當簡化。因此，考慮到該冷箱整體上近似為長方體，故模型以細長型長方體+多層操作平臺呈現。利用CADWorx的Equipment模塊結合AutoCAD的Box模塊，可以快速準確的建立冷箱三維模型，為后續(xù)高質量配管工作打下堅實的基礎。

3.2 利用ClashView模塊檢查碰撞

本項目采用的冷箱較小，水平方向長和寬均不足4m，高39m，冷箱上不同規(guī)格工藝管口眾多，并且主要集中在冷箱正面，而冷箱操作平臺僅有1.2m寬。這就導致操作平臺上的管線數量眾多，互相穿插，布置錯綜復雜，設計中極易出現碰撞。如果采用傳統(tǒng)的二維設計方式，依靠設計、校核人員目視和空間想象檢查碰撞，無疑是低效的，而且會有遺漏。三維設計的一大優(yōu)勢在于可以讓工程師在計算機里完成模擬施工，提早發(fā)現錯誤，使項目施工過程中出現的碰撞問題能在設計階段發(fā)現并得到解決。CADWorx提供了強大的碰撞檢測模塊——Clash View，能夠快速準確檢測出內部實體模型的干涉碰撞及不連續(xù)等，保證模型的準確性。通過設置碰撞檢測規(guī)則，可以實現管道與管道、管道與設備、管道與建筑結構等專業(yè)之間的碰撞檢測。

圖1 冷箱三維模型Fig 1 Cold Box 3D Model

除了三維模型中各實體的碰撞外，實際現場施工時，很多碰撞往往出現在管道和設備絕熱施工時，即管道本身沒有與其它實體發(fā)生碰撞，但管道的絕熱層與其它實體發(fā)生碰撞?，F場施工碰到此類問題時，會非常頭疼，因為在進行絕熱施工時，管道的安裝、試壓、吹掃均已完成，施工已經接近尾聲，調整管線的成本高昂。而二維設計又很難發(fā)現此類問題。CADWorx自帶Insulation View模塊，可以配置管線的各項絕熱信息，Clash View模塊中可以設置相應規(guī)則，決定絕熱信息是否參與管道碰撞檢查。通過碰撞檢查，能夠及時發(fā)現和糾正設計中產生的碰撞問題，避免這些問題在施工過程中出現，提高了設計質量，降低了項目成本，提高項目管理效率。

圖2 碰撞檢查結果Fig 2 Results of Clash Check

3.3 利用BOM模塊優(yōu)化EPC項目材料管理

EPC總承包項目往往工期要求短，設計與采購必須交叉進行。比如本項目在實施過程中，為加快進度，當詳細設計進行到70～80%時，要求設計人員提供主要材料匯總表供施工和采購招標。大多三維工廠設計軟件均可以高效的統(tǒng)計材料并輸出為dwg、xlsx等格式。之后詳細設計完成，出版施工圖材料表，相比招標材料表必然存在一些變動，此時如能提供這兩個版次材料的增減變化一覽表，將會有效提高采購效率，減少采購差錯。如果采用手工對比，費時費力且容易出錯。此時可以利用CADWorx的Custom Data給元件添加需要的字段(相比ISOGEN Data，Custom Data可以添加到模型和數據庫中，也可以體現到單線圖和材料表里)，然后在BOM模塊中設置所需的BOM Columns，把字段添加到材料表中，再利用excel的index、lookup等函數，就能快速得到對比結果。

此外，根據需要還可以在該表的基礎上增加合同采購量、一批到貨量、二批到貨量、實際施工缺料量等欄目，或者結合采購管理系統(tǒng)，利用前述的Custom Data為每個材料設置采購編碼[3]，做到隨時掌握各種材料的到貨情況，提高施工和采購效率，避免材料浪費。

表1 材料增減變化一覽表Table 1 Materials Change Table

3.4 利用三維動態(tài)漫游進行模擬培訓

本項目為新建項目，建設單位此前沒有此類裝置的操作經驗，加之本項目采用EPC工程總承包模式，建設單位在建設過程中的參與度較低，由此導致了建設單位的操作、管理人員對整個裝置的熟悉程度偏低，為今后的培訓、開車、生產運營工作帶來諸多困難。而隨著項目的三維化，在裝置實際建成前，就可以利用三維動態(tài)瀏覽等功能，對操作、管理人員進行互動式模擬培訓，使他們快速掌握裝置內設備、管道、儀器、儀表等的布局、構成、功能及操作、維護的通道及步驟。不必再等到裝置基本建成后才開展，大大縮短了人員培訓周期；直觀的模型也能快速提高認知度，減少培訓時間。

4 結論與展望

三維工廠設計軟件不但極大的提高了設計文件的準確性和深度，還能為設計師完成一部分標準設計的定制工作，讓設計人員從繁瑣的重復工作(比如傳統(tǒng)的二維平面立面管道布置設計、人工統(tǒng)計管道材料、人工匯總綜合材料等)中解脫出來，把注意力的重點轉移到項目本身的技術性問題和需要與其他專業(yè)協(xié)調的方面上去，減少設計錯誤。最終的帶來是整個EPC項目的質量提升、進度縮短和成本降低。

三維工廠設計的發(fā)展前景十分廣闊。首先，目前三維工廠設計軟件在較多項目上還停留在工藝專業(yè)一家獨領風騷的位置。事實上，在工程設計的其他專業(yè)，比如建筑結構、給排水、電氣、自控、暖通等專業(yè)，完全可以實現三維化，并朝著多專業(yè)的設計協(xié)同發(fā)展。其次，因為設計文件是整個項目的基礎，三維工廠設計軟件也可以應用到工程建設的其他方面。比如三維設計完成后，項目涉及的各個分部工程也相應確定，利用軟件內置的統(tǒng)計匯總功能和二次開發(fā)可直接生成各類建構筑物、設備、材料的統(tǒng)計報表，為確定工程量清單提供了明確的依據，進而可對項目的工程造價進行有效控制。此外，在施工管理等方面也能發(fā)揮相當大的作用[3]。

[1] 把握機遇，掌控未來，大中華區(qū)迅速發(fā)展的CADWorx及分析軟件解決方案[J]. 石油化工建設，2013.3：24～26.

[2] 張樹森. Autoplant三維軟件在選煤廠設計中的應用[J]. 煤炭工程，2013，(7)：20～22.

[3] 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.

ApplicationofCADWorxinSmallChemicalEPCProject

Pu Yuling

(Hangzhou Hangyang Chemical & Medical Engineering CO.,LTD.，Zhejiang Hangzhou 310014)

The necessity of applying 3D Plant design software and the comparison of different software were summarized. CADWorx application in a hydrogen sulfide concentration EPC project, including equipment modeling, clash detection, material management, simulation training, etc. was introduced. Meanwhile, Some prospects for further applications were put forward, as reference for similar projects.

CADWorx 3D Plant design EPC project

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.03.011

2017-02-21

濮宇凌(1985～)，男，本科，工程師，目前從事化工工藝及管道設計工作。E-mail：yulingpu@163.com