制藥機械及其管路三維模型的建立

宋 波 羅 香 陳 勇 劉雪松 侯建雄

（1.蘇州浙遠自動化工程技術有限公司，江蘇蘇州215163；2.蘇州澤達興邦醫藥科技有限公司，江蘇蘇州215163；3.浙江大學，浙江杭州310058）

0 引言

隨著工業化和自動化水平的不斷提高，人們對產品的多樣化和個性化要求也越來越高，產品更新換代的周期日益縮短。基于此，產品設計部門的工作量越來越大，在這種情況下，工程設計人員對提高產品設計效率的需求也變得越來越迫切。目前，制藥機械及其管路的設計人員最常使用CAD等畫圖工具，對于缺乏相關設計專業知識的安裝施工人員來說，閱讀二維CAD制藥機械及其管路圖紙時，往往容易對工藝流程的理解產生偏差，給制藥機械的加工和管路工程安裝造成一定的麻煩。

本文針對制藥機械的功能特點，研究了制藥機械及其管路的三維模型庫，并構建了標準化的制藥機械及其管路三維模型，制藥機械和工程設計人員在設計開發制藥機械新產品時，可根據功能需要，調用模型庫圖形數據進行選型設計和模型組合設計，提高工作效率。同時，為工程實施提供直觀的三維結構圖形，確保機械和管路安裝符合制藥工藝要求。

1 國內外工藝管路設計軟件比較

目前國內常用的設計軟件是AutoCADPlant 3D，它是一款專業的三維工廠設計軟件，該軟件可以對工廠進行設計、建模和文檔編制。基于熟悉的AutoCAD軟件平臺，工廠設計師和工程師運用AutoCADPlant3D能夠創建先進的三維模型。其等級庫和元件庫，可以有效簡化管道、設備和支撐結構的放置流程；集成了AutoCAD軟件功能，可以幫助創建和編輯管道與儀表流程圖，并根據三維模型協調基本數據，生成和共享等軸側視圖、正交視圖和其他文檔。AutoCADPlant3D內置在Autodesk PlantDesignSuites中。它的功能設置主要有：

（1）工作空間——專門面向三維工廠設計的用戶界面；

（2）等級庫和元件庫——基于等級技術和ANSI/ASME（B16）、DIN/ISO等標準元件庫，可以通過修改元件庫，滿足特定項目要求；

（3）管道、設備和結構——以半自動或手動方式創建基于等級庫的管線和元件模型，包含一個可定制的標準設備元件庫，從外部參考或以參數化的方式創建結構元素，確認沖突；

（4）施工文檔——生成精確的ISO圖、正交視圖和其他文檔；

（5）搜索和報表——查詢和處理數據，生成材質報表，導出至PCF文件；

（6）AutodeskNavisworks兼容性——對整個項目進行審閱；

（7）規范轉換器——從其他應用程序導入規范。

此外，還有PDMS、PDS等國外設計軟件，但它們在我國的推廣使用受到諸多制約，主要原因有：國內標準數據庫不全，建立項目庫的難度大，操作復雜；價格昂貴；英文界面；思維習慣和操作習慣與國內用戶有很多不同；不能按醫藥行業特點修改軟件功能；不能和CAD無縫連接；封閉等級庫。

雖然AutoCADPlant3D和CADWORX都是在CAD基礎上開發的軟件，但是它們的功能有所不同。AutoCADPlant3D主要功能模塊包括：（1）建立建筑結構三維模型；（2）建立設備三維模型；（3）建立管道三維模型；（4）模型設計檢查與管理；（5）模型碰撞檢查與管理；（6）效果圖生成；（7）單管圖全自動生成及編輯；（8）平、立、剖圖自動生成及編輯；（9）材料表模板定制；（10）材料表自動生成；（11）工程數據庫管理；（12）圖形庫管理；（13）支吊架建模及其材料統計；（14）應力計算軟件接口；（15）工廠漫游及動畫制作。

2 工程實施內容

結合AutoCADPlant3D軟件的主要功能，筆者總結和分析曾參與過的一些醫藥工程項目的設計，包含的實施內容具體如下：

2.1 土木專業

該軟件能夠設計出土建專業的建筑（包括鋼結構或混凝土結構、樓面、柱、梁、樓梯、圍欄、門、窗、屋頂、樓面開洞）及柱線，還可以聯合運用AutoCAD RevitArchitectureSuite軟件做建筑圖設計。

2.2 設備布置

該軟件能夠較容易地設計出項目上常見的工藝設備（如濃縮器、罐、泵、換熱器、塔等）及其基腳，精確定位泵的進出口尺寸、罐的開口位置，能自動添加開口后的法蘭、卡盤，能夠做到先加法蘭再接管，精確定位設備在廠房中的位置。在設計好的設備上修改設備外形或開口，復制后能夠容易地修改設備編號、管嘴編號、管嘴長度及管嘴的壓力等級。用戶可以隨時修改設備的位置、形狀、描述等參數。設備設計完成后能夠自動生成設備報表。通過用戶的報表來創建自己所需的報表格式，以便直接生成工藝必需的設備表，方便插入設備。在工程參數中輸入設備位號，并選擇使用設備位號分層。設備布置完后可以進行移動、拷貝等操作。設備基礎也需要進行布置，以方便進行碰撞檢查。此外，還可以使用AUTODESK公司的Inventor軟件設計復雜的設備和參數化設備。

2.3 管道安裝

該軟件包含多種布管方式，如管件對管件布管、空間自由擺放管件、參考已存在的管件對齊、多段線輔助方式、中心線布管方式等。該軟件還包含多種管道定位類型，如管頂、管中心、管底等。該軟件能夠方便地進行坡度管線的布置，坡度值可以輸入小數和比例。布管結束后，能在已有的管道上進行修改，包括方位、定位尺寸、管徑、等級等，并能夠拉伸、延長或剪切管道。管道按管線號自動生成圖層，便于對單根管道進行檢查或修改。根據管內介質的不同，可以定義不同的管道顏色。管道上的各種標準閥門自動加法蘭或卡盤。

2.4 管架

該軟件能夠設計出一次及二次管架。一次管架是指管架上支撐有多個管道的管架，如門字型、T型管架等。二次管架是指僅為單根管道使用的管架。設計人員可以從軟件自帶的管架庫中選擇管架類型和型號（可以自定義管架類型），生成管架報表。報表可以自定義類型。

2.5 數據管理

該軟件自帶元件庫和等級庫，其中的元件庫包括ANSI（美國標準）、DIN（歐洲標準）、JIS/JPI（日本標準）等，同時用戶也可以自定義元件庫和等級庫。元件庫和等級庫是分開的，方便編輯管道材料等級。參照已有的數據庫建立或定義用于特定項目的特殊數據庫。同時，數據庫管理軟件可以用SQLite編輯。

2.6 CAD兼容性

該軟件是在CAD基礎上開發出來的軟件，可以和CAD無縫連接。

2.7 平、立、剖圖

該軟件一般首先生成工藝配管正俯視圖，因為俯視圖可以反映出裝置管線的總體布置和各管線之間的相對位置。該軟件可以方便地抽取任意區域、任何標高的平面和剖面圖，通過智能拾取的方式標注要求的尺寸、管線號、標高和流向等工藝設計參數。由于通過軟件設置了統一的標注參數，不同設計人員很容易形成一致的標注風格，使項目圖紙規范、美觀。根據需要設計出任意正俯視圖，自動標注管道相關信息，自動標注管道定位尺寸、管架定位尺寸，自動打斷重疊管道，可自定義“打橫不打豎”或“打次不打主”。

目前，國內外通用的兩種平面圖消隱方式，一種是國內通用的工程消隱規則，即軟件自動在需要反映下層管子上的閥門、管件等信息時，在上層管子上加剖斷符；另一種是實體消隱，這種消隱方式只考慮上下關系，不會自動加剖斷符。該軟件支持多種消隱方式。

2.8 自動生成ISO單管圖

ISO單管圖由該軟件自動生成，軟件根據不同的管線號進行出圖，一個管線號生成一個軸側圖文件，對特別復雜的管線一般通過設置斷點分成多張軸側圖，方便圖形編輯。只要軸側圖的圖框定義恰當，設計人員所需的圖面編輯量就很少，可直接得到成品圖。對跨片區管線的單線圖，由不同的設計人員分別生成，通過標注相鄰管線號和轉接圖號來處理，可以自定義單線圖。

2.9 材料表生成

該軟件可以生成綜合材料表、管段材料表、設備表及其他三維模型中有信息的材料表，表格的形式可以定義成自己設計院的格式。目前，材料表使用較多的是Excel、PDF格式。生成的材料表可以統計靜量和動量兩種。用三維管道設計軟件做材料統計的好處是統計準確，特別適用于工程總承包項目，能有效控制材料費用，從而節省工程總費用。專門有軟件可以出材料表，自定義用戶需要的材料表。

2.10 碰撞檢查

配管模型初步建立完成后，首先采用該軟件提供的碰撞檢查功能對管線進行檢查，可以用Navisworks軟件插件在P3D中時時檢測管線的碰撞情況。對管線與設備之間、管線與構件之間的距離進行檢查，對檢查報告中提示的碰撞一般分為三類：第一類是直接碰撞，又稱硬碰撞，這種碰撞是由于配管錯誤導致的，必須進行修改；第二類是預留空間碰撞，又稱軟碰撞，相鄰元件的間距小于項目的一般規定，但實際并未真正發生硬碰撞，軟碰撞是否需要修改視具體情況而定；第三類是偽碰撞，這是由于描述碰撞體的圖形比真實的實體要大而引起的，偽碰撞一般不需要修改。對發生碰撞的管線可通過模型編輯功能進行修改調整，以滿足設計要求，減少可能發生的現場修改工作量。

2.11 渲染和動畫

設計模型可以導出到Navisworks中，利用Navisworks強大的渲染工具進行渲染，可以把建成的模型做成效果圖，可供來訪的客戶和兄弟單位參觀，可以作為以后項目的招投標素材，展示給業主證明設計實力，還可以把模型做成AVI格式的漫游工廠媒體播放文件。

2.12 圖紙表格式樣的定義

涉及項目圖紙表格式樣的圖框和表格有平面圖框、ISO圖框、綜合材料表和工藝管線規格表。該軟件對表格的定義是完全向用戶開放的，用戶能夠根據需要，利用軟件中的表格模板模塊定制自己的圖表格式，并產生特定范圍的材料統計表。準確的圖紙表格式樣大大減少了設計人員對圖表的編輯修改量，提高了工作效率。

3 結語

本文較深入地描述和分析了AutoCADPlant 3D設計軟件在制藥機械及其管路設計中的應用。綜上所述，利用AutoCADPlant3D進行制藥機械及其管路設計，不但保證了設計的合理性、精確性，最大程度地避免了人為錯誤，大幅提高了工作效率，而且降低了設計建造費用，提高了項目工程的設計安全性。