三維協同設計平臺在核電工程設計中的應用分析

摘 ? 要： 三維協同設計平臺是數字化、虛擬化、立體化、智能化等技術的融合，由于其直觀性強，受到越來越多的核電工程設計單位的青睞。介紹了三維協同設計在核電工程布置設計、模型存儲、圖形展示中的應用特點，明確其在核電工程設計中應用的優勢，分析了工程設計合理性、便于工程數據管理、提高施工圖設計質量等方面的作用，闡述了核電工程設計人員在數據庫定制、設計變更面臨的挑戰，并提出改進建議：1）提高設計人員對三維協同設計的適應性和熟練度;2）加大對數據庫定制的投入，實現多項目復用;3）形成三維協同設計標準化體系和機制。科學準確應用三維協同設計平臺可提升核電工程設計單位核心競爭力。

關鍵詞： 核電工程;三維協同設計平臺;布置設計;施工圖設計;設計變更;數據庫定制;標準化體系

中圖分類號：TL48 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：2095-8412 （2020） 04-131-04

工業技術創新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.025

引言

近年來，核電事業不斷發展，核電工程項目持續增多，傳統的基于AutoCAD的計算機輔助設計、以OFFICE為主的分散設計及配套管理模式已經無法滿足同時開展多項目設計的需求[1]。面臨技術挑戰，三維設計越來越受到重視[2]。利用三維技術手段進行設計，不僅可以實現數據模型的直觀展示，還可以借助一系列的自動化手段（如工藝系統三維布置、抽取布置圖抽取、材料報表抽取、碰撞檢查等），將復雜的工作交由計算機來完成，大大提高生產效率[3-4]。

越來越多的核電工程設計單位已將建立核電工程三維協同設計平臺作為迎接核電新機遇的重要任務[5-7]。本文首先介紹三維設計在核電工程設計中的應用特點;其次闡述在核電工程設計中應用三維協同設計平臺的優勢;最后分析三維協同設計在核電工程設計應用中仍面臨的挑戰，并提出改進建議。

1 ?三維協同設計在核電工程設計中的應用特點

三維設計是新一代數字化、虛擬化、智能化設計平臺的基礎，是一種可以使設計目標更立體化、形象化的新型設計方法[8]。

核電工程是一個子項數量多、工藝復雜的巨大系統工程，其布置設計是一項極其龐大的工作[9]。采用三維設計，可以通過計算機創建覆蓋核電工程設計全生命周期、全專業、全比例和可靠的科學、合理、快捷的核電站工廠三維模型，如圖1所示。在核電站工廠三維模型中，包含了建筑、結構、設備、工藝管道、通風管道、電纜托盤等布置設計。

通過三維協同設計平臺，可將核電工程項目的設計模型全面地存儲下來。在設計過程中，可以及時發現設計過程中的不合理情況，非常直觀地了解布置設計周圍的環境情況，并選擇合適的路徑進行修正。例如，在設計支吊架時，可以對周邊的可利用空間進行準確的判斷，保證設計的支吊架不會與周圍的物項產生沖突，避免引起不必要的返工[10]。

三維協同設計平臺以數據為中心產生圖形，其內涵是幾何信息與屬性的融合，最終表現成果為圖紙、報表以及對最終三維模型附加的各種直觀、立體的審核與檢查。

2 ?三維協同設計平臺在核電工程設計應用中的優勢分析

相較于基于二維平面的傳統工程設計，核電工程使用三維協同設計平臺有著非常明顯的優勢。

2.1 ?提高設計合理性

三維協同設計將傳統的二維設計轉移到虛擬的工廠空間中進行，不同的工藝系統設計工程師可開展協同設計，不同工種之間數據共享但互不干擾，設計人員能夠非常直觀地查看各工藝系統布置之間的空間占位關系，及時優化、調整工藝系統布置設計，解決不同工藝系統之間的關聯或干擾問題。

此外，通過三維模擬仿真，可以實現對大型設備、模塊及主要工藝流程的可拆性、可達性和可維護性方面進行分析評估，從而提高設計合理性和便捷性。

圖2所示是一種典型的三維布置模型。在布置設計過程中，產生碰撞干涉的位置會出現提示（圖2灰色圓球為碰撞干涉點），能夠使設計人員清晰地了解碰撞干涉是在哪個位置產生的、是與哪個工藝系統之間相互產生的、產生碰撞干涉的原因是什么、碰撞干涉如何解決等問題，有效解決傳統二維設計的固有難題。

2.2 ?便于工程數據管理

三維協同設計平臺擁有后臺數據庫，核電工程工藝系統設計工程師完成三維布置設計后，設計信息將自動存儲到后臺數據庫，實現設計信息數據化，更加便于數據流轉和數據管理。

通過利用信息化手段，還可實現三維協同設計平臺工具以及設計接口資料管理系統、采購管理系統、倉儲管理系統之間的集成，實現電子化數據管理，以保證核電工程數據在整個設計過程中的一致性，實現對數據的全程跟蹤與監控。

2.3 ?提高施工圖設計質量

由于二維出圖標準已經比較完善，因此作為工程設計、施工的主要介質的施工圖在行業內的壟斷地位短期內無法改變，形式相對固化，設計質量不易提高。主因是傳統的核電工程二維設計中，工程設計人員只能通過對工藝系統布置走向的空間位置關系進行想象來繪制二維平面圖、立面圖、軸測圖等，如果修改局部工藝布置，相關聯的圖紙都要做相應修改，造成的誤差和工程量可想而知。

而采用三維協同設計，可以依據出版圖紙的深度規定要求，對三維協同設計平臺軟件進行標準化定制，更為靈活方便。例如：對圖框、圖紙、圖例的要求，對報表格式的要求等，都可以標準化定制，在完成三維布置設計的前提下，從三維模型抽取所需材料。由于出圖的數據唯一來源為三維模型，這既保證了出版圖紙的標準化要求，又能極大地減少工程師的重復工作。抽取圖紙的工作交由計算機處理，避免手工繪制圖紙出現誤差，有效提高施工圖設計質量。

2.4 ?提高核電工程設計單位核心競爭力

核電工程工藝系統復雜，使用三維協同設計可以合理使用人力資源。多人協同設計的模式，可極大縮短設計周期，尤其在施工圖設計階段，可節省大量手工繪制施工圖時間，更好地滿足現場施工需求，進而縮短整個核電站的建造周期，節省建造總投資。

目前在國內核電行業中，三維協同設計還是一項比較先進的技術，只要能夠對其熟練掌握并實際應用，就可以更快地在行業內占據領先地位。

綜上所述，三維協同設計在核電工程設計中優勢明顯，能夠提高核電工程設計合理性，便于工程數據管理，提高施工圖設計質量，從而極大提高核電站設計建造的經濟性，有效實現工期、質量、費用的三贏，值得大力推廣。

3 ?三維協同設計在核電工程設計應用中面臨的挑戰及建議

3.1 ?對設計人員提出更高要求

由于三維協同設計與傳統的二維設計有很大差別，采用的設計理念、設計標準、設計方法和設計技巧也完全不同，因此工程師往往習慣于將傳統的二維平面設計、制圖理念沿用到三維協同設計中，未能實現三維協同設計的真正應用。

為了更好地采用全新的三維協同設計方式，工程師需要盡快適應新的設計流程，掌握新的設計工具，以提高設計質量和效率，這對工程設計人員的能力提出了更高的要求。隨著大量工程設計人員逐步掌握與三維協同設計平臺的使用技巧，工程設計效率將得到明顯的提高。

3.2 三維協同設計平臺數據庫定制工作量大

原生三維協同設計平臺數據庫不可能滿足核電工程所有的設計需求，需要核電工程設計單位對后臺數據庫進行定制。三維協同設計平臺的后臺數據庫定制是一個專業性很強的工作，需要數據庫定制人員對三維協同設計平臺的使用、數據存儲和轉換方式相當熟悉。定制工作在整個三維協同設計中用時很長、工作量大，在三維協同設計過程中，數據庫還需要更新和維護，對數據庫定制人員提出了更高的要求。

為此，在核電工程項目中，設計單位可根據項目的設計需求，制定標準化體系，規范材料、規格選型，例如管道等級、通風等級、電纜橋架等級、支吊架庫等，都可以標準化，力求實現多項目復用。有條件的設計單位甚至可以一次性投入較大精力完成數據庫定制，更好實現數據庫的多項目復用。

3.3 ?修改后臺數據對三維協同設計影響大

在核電工程項目三維協同設計過程中，如果中途修改后臺數據庫，可能會對各工種的三維布置設計造成很大影響。以在核電工藝管道設計過程中修改管道材料等級表為例，如果在修改管道材料等級表之前，已經有工藝系統采用原管道等級開展了三維布置設計，那么在修改管道材料等級表后，該部分已完成的三維模型會出錯，甚至需要重新進行三維布置，增加了三維協同設計的工作量，耗費了大量時間。

因此，建議設計單位形成標準化技術團隊，保證標準化工作連續性，建立信息反饋、討論修改的機制，進而提高標準化質量和水平。只有標準化設計足夠完善了，三維協同設計平臺后臺數據才不至于受到較大幅度的修改，而三維協同設計工作應在標準化工作基本完成，無需再進行較大修改后才開始。

4 ?結束語

三維協同設計在核電工程設計工程中能做到直觀化、精細化、自動化的優勢融合。合理地選擇、運用三維模擬仿真軟件，能夠在復雜的核電工程項目設計中，以逼真三維實體模型解決項目中出現的各類問題。通過自動化碰撞檢查及自動化圖紙文件和各類數據報表生成，可以有效減少施工圖設計階段的設計變更和現場工作量的大幅修改，使三維協同設計更好地為核電工程設計服務。

相信隨著核電工程三維協同設計實際應用經驗和設計水平的不斷提高，核電工程設計單位能夠形成對三維協同設計平臺進行標準化定制及二次開發的不斷優化機制。三維協同設計平臺功能的升級和完善，必會使三維協同設計在核電工程設計中發揮更大的作用。

參考文獻

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[10] 焦力興， 楊澤恒. 三維技術在核電工程建設中的應用探索[J]. 產業與科技論壇， 2017， 16（6）： 77-78.

作者簡介：

宋元鑫（1986—），通信作者，男，北京西城人，中級工程師。研究方向：高溫氣冷堆三維設計。

E-mail： yxsong@chinergy.com.cn

（收稿日期：2020-06-03）

Application Analysis on 3D Collaborative Design Platform for Nuclear Power Engineering Design

SONG Yuan-xin

（CHINERGY Co.， Ltd.， Beijing 100193， China）

Abstract： 3D collaborative design platform is an integration of digital， virtual， stereoscopic and intelligent design， which is favored by more and more nuclear power engineering design units due to its intuitiveness. The application characteristics of 3D collaborative design in layout design， model storage and graphic display for nuclear power projects are introduced. The advantages of 3D design for the nuclear power engineering design are ensured， and its impact in improving the rationality of engineering design， facilitating the management of engineering data and improving the quality of construction drawing design are analyzed. The challenges brought by 3D design for nuclear power engineering designers， database customization and design changes are stated， and suggestions for improvement are put forward： 1） improve the adaptability and proficiency of designers in 3D collaborative design; 2） increase the investment in database customization to realize multi-project reuse; 3） form a 3D collaborative design standardization system and mechanism. Scientific and accurate application of 3D collaborative design platform can enhance the core competitiveness of nuclear power engineering design units.

Key words： Nuclear Power Engineering; 3D Collaborative Design Platform; Layout Design; Construction Drawing Design; Design Change; Database Customization; Standardization System