三維模型技術對儀表設計與施工的優化

馬曉柯

(中石化第四建設有限公司， 天津 300270)

中國石化行業經過幾十年的發展，已經進入了一個比較成熟的階段，國內市場趨于飽和，產業結構調整穩步推進，市場開拓方向轉為海外的新興市場，國家欲以優質的煉化工程為名片，在世界化工建設領域立一席之地。因此，對工程企業提出了更高的要求，促使企業在技術創新、增強管理、深化改革等方面尋求突破，提高自身競爭力。

國內的石化產業已經由過去的粗放向精細轉變，在產品質量、能源消耗、環境保護、自動化、智能化等方面有了更高的要求。石化裝置以工藝技術的升級優化為引導，設備、管道、電氣、儀表等各個專業的技術都隨之在提高，增加了大量的測量、監視和控制需求，裝置的設計與施工內容變得更加復雜。

隨著“數字化工廠”概念的提出和發展，數字化交付的方式逐漸得到認可，越來越多的石化項目開始應用三維模型技術。三維模型技術可以模擬生產裝置原貌，真實表現設備、管道的外形尺寸、空間位置，并且將相關數據信息集成融合，使實體裝置數字化，對裝置的建設和生產管理極為有利。

1 三維模型技術的應用情況

目前國內的石化工程設計過程中，僅對設備和管道建模，而電氣、儀表等專業并不參與建模，裝置的三維模型比較簡單，對于儀表專業設計和施工的指導作用并不明顯，也無法完全實現“數字化工廠”的理念。儀表專業室外部分的設計和施工是整個儀表工程的重點，其質量至關重要。現場工況的復雜多變，多專業之間互相影響制約，往往有許多問題在設計和施工的前期無法預見，如果在儀表工程設計施工中應用三維模型技術將會帶來較大的好處。

與傳統方式相比，三維模型的出現彌補了平面圖紙的不足，借助其可視化的優勢，儀表專業設計和施工過程能得到較大的優化，對于整個工程的質量提升也是不可或缺的。同時，在實踐中還發現，隨著相應工程軟件的配套發展，三維模型技術的應用還能提高技術人員的工作效率，減少人工成本。

工程領域的三維模型設計軟件有很多種，各有特點，在實踐中都得到了很好的應用。其中，Smart 3D是Intergraph公司出品的工程系列軟件之一，是目前國內外主推的一款工程模型軟件，其內容豐富、功能強大，基于服務器可實現各專業數據模型的實時在線修改、存儲和共享。通過定制三維模型，可以精確建立模型的外形尺寸，完全展現裝置的真實樣貌。同時，該軟件支持與Excel和AUTO CAD等文件的數據交互，可以基于模型生成需要的圖紙、表單。

2 儀表工程中三維模型技術的應用

2.1 建模設計

利用Smart 3D軟件對儀表設備建立三維模型，進行儀表專業的可視化設計，是對傳統設計工作的一種補充和優化。

1) 由于模型的存在，設計人員可以對裝置建成后的樣貌有一個直觀的感受，也能對自身的工作成果有所認識和了解，該軟件對于現場經驗較少的年輕工程師來說，是非常有幫助的。而業主也可以通過三維模型來提前審查設計工作，對于工程感官質量的控制變得更加靈活、更加容易。

2) 儀表專業設計受配管、設備等專業的限制比較大，往往牽一發而動全身，一旦出現問題，儀表專業設計的修改量和進度壓力會非常大。當各專業都進行可視化設計后，所有三維模型集中在1個數據庫中，設計人員可以非常直觀地看到裝置現場的布置情況，從而能夠有的放矢地修改儀表、槽板等的位置，有效避免遮擋、碰撞等問題。三維模型對于儀表專業設計工作的深度和準確度都有很大的提升。

另外，三維模型的建立有利于材料統計工作的實施。傳統項目中的儀表材料用量通常都是估計量加裕量，主要依靠設計人員的經驗來確定，材料用量很難準確控制，容易導致施工中出現糾紛，最終的結果就是材料用量超預算采購量。在三維模型中，設計人員可以根據變送器、接線箱、閥門等儀表設備的位置，準確計算電纜、氣源管、支架等各類安裝材料數量，大幅提高了材料統計的準確性，既有利于成本控制，也能做到有據可查。

在某渣油加氫項目中，某公司首次正式采用Smart 3D軟件設計儀表專業三維模型，建模對象主要包括變送器、接線箱、氣源分配器、電纜槽板等儀表設備，而在線儀表、閥門、取源點等依據設計慣例由配管專業建模。

可視化是三維模型設計的最大特點，也是相比傳統設計的優勢所在。以變送器為例，設計人員可以非常直觀地看到變送器與取源點的位置關系，以及安裝場地的周邊情況，進而根據氣上液下的原則調整變送器與取源點的相對位置關系，旋轉、移動變送器到便于安裝檢修的朝向及位置，同時避開其他的設備、管道和結構。變送器建模示例如圖1所示。

圖1 變送器建模示例

2.2 圖紙編制

Smart 3D軟件不僅可以實現三維建模，還可以將立體轉化為平面，根據需求輸出儀表室外圖、供氣圖、電纜槽圖等各種施工圖紙。利用Drawings and Reports功能，設計人員可以根據需求創建圖紙模板，完成映射邏輯定義、圖框圖章編輯、圖面屬性設置等工作。

在出圖時，只需定義出圖區域，通過調用編輯完成的圖紙模板，就可以生成相應區域的平面圖紙。與傳統設計方式相比，設計人員不再需要在CAD軟件中手動編輯圖紙、標注文字和符號，大幅提高了工作效率。同時，Smart 3D軟件支持多種編輯功能，可以根據需要定制圖紙，包括儀表符號的替換、標注的形式、報表類型等內容，使用非常靈活。

當圖紙需要升版時，自動出圖的優勢則更加明顯。當相關設計條件變化后，設計人員只需要修改三維模型，平面圖紙則利用update功能進行更新，大幅減輕了圖紙修改的工作量，提高了工作效率，有利于項目進度管理。同時，自動出圖還能避免一些人工繪圖帶來的錯誤或疏漏，有利于對設計質量的控制。

2.3 模型審查

采用三維建模技術進行設計工作時， 模型審查是非常重要的一個管理環節，通常以30%，60%，90%完成度為控制節點，檢查模型設計進度的完成情況，旨在審定當前工作是否存在偏差，偏差多少以及如何修正偏差等問題。

模型的可視化使得進度控制變得更加容易，對項目管理非常有利。在模型審查中，一些多專業交叉的問題會暴露出來，設計人員可以及時修改設計。儀表專業施工中發生概率較高的電纜槽板與管道碰撞等問題，通過三維建模和模型審查，完全可以在設計階段發現和解決，從根本上杜絕了該類問題的發生。

2.4 輔助施工

在施工準備階段，施工技術人員可以通過三維模型了解裝置概況，分析施工可行性及施工難點，更加有針對性地編制施工組織設計。模型與圖紙相結合，技術人員也會更容易理解設計意圖，并且可以借助三維模型進行可視化交底工作，向作業人員交代一些施工難點問題，幫助作業人員牢記施工方法和注意事項。

此外，在施工階段，技術人員可以方便快捷地在模型上完成測量、定位等工作，以配合現場施工，提高了工作效率，減輕了勞動強度。

如某項目現場存在的施工問題： 分析儀表安裝過程中發現，分析儀供水回水管線的預留管嘴完全一樣，無法區分，在單管圖中也沒有找到明顯差別，僅憑圖紙無法確定供水回水，安裝工作無法繼續。最終，技術人員在三維模型中搜索并定位分析儀位置，找到了相應的管嘴，通過查看2條管線的屬性，以管線號判別供水管與回水管，從而解決了該問題。

3 結束語

石化項目中三維模型技術對儀表專業設計和施工的幫助和優化，主要體現在以下幾方面：

1) 設計深度增加，有助于把握設計的合理性與可操作性，提高了設計質量。

2) 減輕了重復的圖紙升版、修改工作，利于進度控制和降本增效。

3) 優化施工進程，對施工組織、技術交底、作業質量等方面有極大的幫助和提升。

4) 輔助技術人員解決施工問題，能有效提高工作效率，減輕了勞動強度。