火力發電廠多專業支吊架三維設計

綦學良， 李一波

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

近年來隨著電力設計行業應用技術的快速發展、市場需求的高端化，基于三維平臺構建的發電廠數字化設計體系日益完善，全專業領域、更規范、更精細的設計方式已逐步實現，成為行業發展的必然趨勢[1]。以對用戶開放代碼的工廠三維設計管理系統(PDMS)軟件開發為實例， 通過可編程邏輯語言(PML)和C語言進行用戶自定制開發，具有針對性地匯編開發多專業支吊架三維設計工具，以提高發電廠管道支吊架設計的質量和效率。本文以迪拜HASSYAN 2×600 MW燃煤電站工程消防水管道支吊架三維設計為例，參考GJBT-630 03S402《室內管道支架及吊架》進行詳細論述。

1 多專業支吊架三維設計

1.1 多專業化的必要性

管道支吊架設計主要包括支吊架選型、布置、材料量匯總和詳圖繪制。部分高參數管道的設計需要考慮應力、荷載計算。近年來在國內應用較為廣泛的電廠高溫、高壓管道支吊架三維設計工具主要包括：路草支吊架設計軟件(EHS)、PDMS組件式汽水管道支吊架三維輔助設計工具等。

由于電廠三維設計需要多專業集成于同一平臺協同開展，所有參與其中的專業需要即時共享真實、準確的模型布置占位和碰撞信息。在進行熱機專業的高參數管道支吊架三維設計同時，需考慮給排水專業、化學水處理專業、暖通專業、電氣專業的消防管道、化學管道、通風風道、電纜橋架等支吊架設計，全專業精細化程度的提高是促使三維協同設計發揮優勢作用的關鍵。

1.2 自定制代碼框架

1.2.1 實體支吊架數據庫對象類型

由于發電廠設計中各專業的管道、風道及橋架所參考的支吊架標準不同、形式多樣，因此軟件代碼可對此進行統籌化處理。標準圖集和規范均以軟件后臺數據庫中的管道等級(SPEC)類型對象作為引用；不同形式的支吊架桿件以約束類模型(REST)對象作為模型存儲主體，后臺桿件數據庫作為外形及連接點的數據支持。區別于單純的數據庫引用方式，用戶可以將不同形式的支吊架模型預先建立在三維空間中，作為工具的模板引用。軟件數據傳遞構架見圖1 。其中，支吊架模板需要內置自動布置規則，同形式的同一個支吊架規格對應一個支吊架模板。存儲模板的三級軟件設計模塊(DESI)型軟件數據庫應置于特定的數據庫集合(MDB)中，通過用戶在登錄時選擇數據庫映射，防止模板模型與工程模型占位沖突。

圖1 數據傳遞構架

1.2.2 通用的邏輯支吊點

在PDMS三維設計軟件環境中，管道、風道及橋架皆屬于分支類型的三維模型，在數據庫中以分支元件按邏輯順序排布的集合方式存儲。這些隸屬于不同專業、不同類型的分支模型具備一個共性，即通過邏輯支吊點(ATTA)與支吊架模型產生關聯，以傳遞坐標、尺寸、支吊架編號等聯動數據，避免支吊架模型成為獨立存在的個體。兼顧支吊點模型在多專業支吊架三維設計中的通用性，應將其連接點尺寸定義為區別于常規元件的可變參數，并通過代碼控制參數取值。

2 規范化的支吊架三維設計

規范化的設計是保證電廠三維設計過程中專業間順利配合、上下游設計工作順利銜接、設計成品數據安全維護的必要管控。

2.1 模型數據源

2.1.1 數據源的標準化引用

出于對多專業領域支吊架設計涵蓋性的考慮，自定制工具的代碼應具備接口靈活的特性，通過后臺數據庫記錄的設計參數和模板模型記錄的自動布置規則，能夠快速收納國內乃至國際發電工程設計項目所引用的支吊架設計標準。同時，這些設計參數和自動布置規則完全取材于設計標準，軟件維護人員可以提取數據的方式對其進行校驗。

2.1.2 數據源的唯一性

為保證數據的準確和完整，數據源唯一性是不可忽視的重要原則，通過支吊架三維設計工具實現的數據源繼承體系也必須一脈相承。三維支吊架設計工具所引用的設計數據被記錄在后臺數據庫中，通過自定制工具將支吊架的設計數據從后臺數據庫提取、傳遞給三維模型，再通過代碼從上游模型設計成品中提取，傳遞給三維施工圖，進行成品及數據的合并存儲。通過共享三維模型及三維施工圖中記錄的設計數據完成多專業協同設計，包括：方案調整、變更等設計流程，最終完成三維設計成品。在這套體系中數據傳輸的起點由用戶觸發；而其傳輸過程完全由代碼驅動，不受外界干擾；傳輸終點為直觀的設計內容展示，如需對數據進行修改，必須從相應的數據源開始，排除由于誤操作造成的錯誤。

2.2 模型屬性設置

在電廠三維設計中，規范化的設計過程是保證數據正常維護、上下游工作銜接的關鍵，因此，自定制工具的開發應充分考慮設計成品的規范化程度。在管道、風道及橋架完全以發電廠標識系統編碼(KKS)命名的理想情況下，自定制工具代碼通過邏輯支吊點模型提取其所在分支的名稱，并添加后綴作為支吊架模型的名稱。而儲存于支吊架模型描述屬性(DESC)中的支吊架類型和number屬性中的編號會自動合并傳送給邏輯支吊點的元件庫詳細描述(STEXT)屬性。

為保證模型的正常使用和維護，用戶僅需在支吊架建模時進行選型和給定編號，便可以完成REST支吊架模型的規范化命名，同時將ATTA支吊點模型的STEXT屬性賦值，用于下游軸側圖iso繪制工作的開展。

3 精細化的支吊架三維設計

電廠管道及橋架支吊架設計是精細化三維設計的重要組成部分，而支吊架模型的精細化程度決定了其作為優化空間布置的參考意義。

3.1 雙層數據庫引用體系

雙層數據庫引用可以簡述為：模板模型讀取桿件數據庫信息，實體支吊架模型讀取模板模型信息的遞進式引用體系。之所以采用這個體系，是因為自定制工具開發需要同時兼顧多專業支吊架設計標準和單體支吊架桿件信息的提取與傳遞，即，模板數據庫需要收納豐富的多專業支吊架形式作為用戶設計的素材，而桿件數據庫則應記錄單體桿件的尺寸信息，用以支持模型的空間占位。兩個引用方式相結合才能實現用戶從支吊架選型到布置設計完成準確、完整的三維設計成品。

3.2 參數化的支吊架桿件數據庫

以給排水專業參考的GJBT-630 035402標準圖集第42頁雙桿聯合吊架的吊桿為例。吊架的吊桿桿件類型在軟件中為支吊架吊桿模型(HELE)連接桿件類型。如果采用雙頭螺紋吊桿其吊桿模型的螺母及墊圈位置應隨支吊架生根位置發生變化。由于吊桿總長度為定值，且吊桿兩側螺紋的長度有限，因此螺母及墊圈位置不能無限制沿吊桿軸向移動。

以雙頭螺紋吊桿的單螺母側墊圈為例，其與雙螺母側墊圈的距離函數格式為：

PARA[2]-MIN 〔PARA[4]，ABS ( DESP[1])〕-MIN 〔PARA[3]，ABS ( DESP[2])〕

其中，MIN為最小值取值函數，ABS為絕對值取值函數；尺寸參數與吊桿尺寸變量在數據庫中的對應管系見表1。

表1 數據庫變量對照

由于單螺母側的墊圈極限位置為墊圈脫扣時的位置，因此取螺紋長度和墊圈擰深中的較小值：MIN 〔PARA[4]，ABS ( DESP[1])〕，同理可以得出雙螺母側墊圈的位置：MIN 〔 PARA[3]，ABS ( DESP[2])〕 。ABS絕對值取值函數用于防止用戶在輸入墊圈擰深的位置參數時誤操作錄入負實數。

3.3 記錄自動布置規則的支吊架模板庫

桿件數據庫保證了支吊架桿件模型的準確尺寸，而支吊架模板庫則是將不同的桿件組合成一個標準的三維模型，并通過記錄桿件自動布置規則確保用戶引用支吊架模型時，各桿件能根據自己的尺寸和前后桿件的位置關系自動調整布置。

模板模型是存放在三維設計空間的真實模型，在設計過程中軟件代碼會拷貝這個模型到用戶指定的位置，并根據模板中儲存自動布置規則、用戶輸入的桿件尺寸和支吊架生根位置自動計算其實際尺寸、朝向。其模板模型至少存在2個自動布置規則，管箍定位和管箍朝向布置規則。其定位布置規則指定了當前管箍的位置應該與支吊架HANGER層的起始點位置相重合，該處也是管道邏輯支吊點ATTA的實際位置；而朝向布置規則指定了管箍模型的軸向X應與支吊架HANGER層的起點方向一致，該方向為管道模型內介質的流向，管箍模型的軸向Z方向為豎直向上，保證了管箍模型的螺母和墊圈與橫擔模型能順利貼合。聯合吊架模型見圖2。

4 多專業支吊架三維設計高效性分析

多專業支吊架三維設計自定制開發的最優化效率源于支吊架模板和模型中的布置規則，這些規則將獨立存在的支吊架桿件模型按用戶的設計意向和桿件連接關系自動布置連接，大幅度提高了三維設計效率。例如，支吊架模板中的自動布置規則可以在用戶選型階段直接按給定的尺寸參數調整桿件之間的位置關系，無需用戶手動定位桿件，至少提高布置建模效率的50%；支吊架模型從模板繼承來的布置規則在用戶調整支吊架布置時，可直接按用戶重置的尺寸參數調整桿件及整體支吊架位置，至少將布置修改效率提高60%，因此，正確的設置自動布置規則，是支吊架三維設計的基礎，也是提高設計效率的關鍵。

5 結束語

電廠三維設計的優勢在于能客觀、真實地反映布置設計過程中電廠空間的利用情況，而局部三維化的設計并不能完整地向用戶反饋這一信息，因此，支吊架三維設計的過程必須考慮多專業涵蓋性。用戶自定制設計工具的接口靈活，通過標準引用體系、桿件數據庫體系、模板引用制建模體系可以完成不同專業的支吊架三維設計。數據源的唯一性、規范化、高邏輯性的模型布置函數，則確保了支吊架三維模型能夠精確地呈現空間占位，為發電廠三維設計空間優化提供了高效率、高質量的技術支持。

參考文獻：

[1] 王堅. 火力發電廠布置設計精細化發展趨勢[J]. 電力建設，2011，32(1):68-71.