管道專業(yè)S3D模型設(shè)計(jì)檢驗(yàn)探討

徐 堰 趙 琳

中石化寧波工程有限公司 寧波 315300

隨著裝置大型化和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的不斷發(fā)展，煉油、化工工廠模型設(shè)計(jì)尤其是管道模型設(shè)計(jì)得到了快速發(fā)展。管道模型設(shè)計(jì)有傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)難以比擬的優(yōu)勢(shì)，其成熟的元件庫(kù)和管道等級(jí)管理、批量處理能力、多專業(yè)協(xié)同工作、碰撞檢查以及方便高效可更新的成品獲取都為管道專業(yè)繁重的設(shè)計(jì)工作注入了全新的活力。

然而，目前在實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中，很少有設(shè)計(jì)單位是全流程、全專業(yè)在同一模型軟件上進(jìn)行，各專業(yè)的日常設(shè)計(jì)、互提條件甚至成品文件生成，可能是二、三維設(shè)計(jì)兩個(gè)層次內(nèi)分別進(jìn)行。而設(shè)計(jì)成果是唯一正確的，因此，為了使條件和成品保持唯一正確、各專業(yè)保持協(xié)同，勢(shì)必要對(duì)照設(shè)計(jì)輸入和設(shè)計(jì)條件分階段地對(duì)模型進(jìn)行查驗(yàn)，不斷地維護(hù)模型，直至成品輸出，甚至工程竣工。設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)是錯(cuò)綜復(fù)雜的，通過(guò)日常觀察和測(cè)量等檢查手段是不現(xiàn)實(shí)的，而最終通過(guò)成品文件校審實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)也是時(shí)效較差、勞時(shí)費(fèi)力。因此，基于數(shù)據(jù)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，本文將按照管道設(shè)計(jì)全流程的脈絡(luò)，結(jié)合S3D設(shè)計(jì)平臺(tái)和SQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，分析大型裝置模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，介紹一種檢查設(shè)計(jì)模型有效性和正確性的方法，以求減輕各位設(shè)計(jì)人員的常規(guī)性負(fù)擔(dān)。

1 大型裝置模型數(shù)據(jù)分析

在大型裝置模型設(shè)計(jì)中，管道專業(yè)需要關(guān)注的數(shù)據(jù)海量而瑣碎。大到裝置在全廠的位置，小到某個(gè)非標(biāo)彎頭的轉(zhuǎn)彎半徑、某對(duì)變等級(jí)法蘭間的墊片選擇，都是必須納入查驗(yàn)范圍的數(shù)據(jù)。管道專業(yè)各個(gè)邏輯層級(jí)的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單匯總見表1。

1.1 裝置原點(diǎn)(Origin)

為了設(shè)計(jì)中的功能性和便利性，每個(gè)裝置應(yīng)設(shè)置一個(gè)原點(diǎn)，該原點(diǎn)應(yīng)對(duì)照總圖坐標(biāo)建立。由于工程上一般以mm計(jì)，使用裝置原點(diǎn)坐標(biāo)出圖可有效減小圖面坐標(biāo)相對(duì)數(shù)值，這是模型查驗(yàn)的重點(diǎn)和起點(diǎn)，裝置原點(diǎn)總圖坐標(biāo)可合并到柱網(wǎng)線報(bào)表中導(dǎo)出進(jìn)行查驗(yàn)。

1.2 柱網(wǎng)(Grids)

柱網(wǎng)是設(shè)計(jì)輔助定位的工具，框架、設(shè)備甚至管口的定位和標(biāo)高都可參考柱網(wǎng)，柱網(wǎng)的正確性直接影響裝置的施工，如果設(shè)備布置圖由AutoCAD繪制(圖1)，需要采集AutoCAD圖面數(shù)據(jù)；如采用模型進(jìn)行設(shè)備布置和配管研究，則可直接導(dǎo)出對(duì)應(yīng)報(bào)表，模型柱網(wǎng)報(bào)表效果見圖2。

圖1 AutoCAD繪制的布置圖與模型柱網(wǎng)

圖2 模型柱網(wǎng)線報(bào)表界面(局部)

對(duì)于關(guān)鍵的框架、設(shè)備、建構(gòu)筑物，需要核對(duì)其所在柱網(wǎng)的位置、結(jié)構(gòu)框架的層數(shù)、梁頂標(biāo)高等，使模型和AutoCAD圖紙一致，因此參考坐標(biāo)系名字(Name)、各EW線、NS線，輔助線(輔助線建議采用XY坐標(biāo)系,便于報(bào)表編制，見圖3)都應(yīng)確定統(tǒng)一的命名規(guī)則，提高可讀性，使得報(bào)表界面更友好。

圖3 XY坐標(biāo)系軟件設(shè)置界面

1.3 設(shè)備(Equipment)

設(shè)備模型是管道專業(yè)與其他專業(yè)交互較多的一個(gè)窗口，設(shè)備模型需要關(guān)注的點(diǎn)表1已列出。首先，需要協(xié)調(diào)的是怎么在模型中規(guī)范化這些數(shù)據(jù)。設(shè)備位號(hào)來(lái)源于工藝專業(yè)的數(shù)據(jù)表和P&ID，在集成化項(xiàng)目中甚至可以直接從P&ID點(diǎn)擊獲取；設(shè)備類型相對(duì)復(fù)雜，在工藝專業(yè)梳理整個(gè)裝置需要的設(shè)備位號(hào)、類型、外形、管口設(shè)置的基礎(chǔ)上，模型建庫(kù)人員需要開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備Symbol去匹配它，并進(jìn)行良好的分類，以便靈活的報(bào)表導(dǎo)出。

表1 管道專業(yè)模型數(shù)據(jù)匯總

設(shè)備模型還需關(guān)注設(shè)備的外形和定位。不同的設(shè)備類型有不同的外形參數(shù)，由于有些設(shè)備外形復(fù)雜，且設(shè)備外形不直接影響管道定位，因此，在權(quán)衡利弊的基礎(chǔ)上，定制了一些設(shè)備類型(symbol，示例見圖4)及其外形參數(shù)的報(bào)表，比如塔的總高(不含基礎(chǔ)與封頭，vessel tangent to tangent，即TL-TL)、基礎(chǔ)形式(support type)、基礎(chǔ)高度(skirt height)，再比如換熱器的總長(zhǎng)(exchanger length)、抽芯區(qū)的長(zhǎng)度(buddle pulling length)、換熱器直徑(exchanger diameter)、換熱器鞍座間距(support span)等等，通過(guò)這些關(guān)鍵參數(shù)的導(dǎo)出，在項(xiàng)目的不同時(shí)期與工藝數(shù)據(jù)表、設(shè)備總裝圖、土建基礎(chǔ)條件、設(shè)備布置圖等核對(duì)，達(dá)到非模型設(shè)計(jì)文件與模型的一致與完整，見圖5。

圖4 設(shè)備外形參數(shù)示例

圖5 換熱器類設(shè)備外形與基礎(chǔ)核驗(yàn)界面(局部)

另外，關(guān)于設(shè)備定位，需要約定一個(gè)設(shè)備參考點(diǎn)的(reference point)原則，考慮到導(dǎo)出設(shè)備定位盡量反映設(shè)備標(biāo)高的因素，參考點(diǎn)設(shè)置如表2。

表2 設(shè)備參考點(diǎn)設(shè)置規(guī)則

采集非模型設(shè)計(jì)文件的數(shù)據(jù)如設(shè)備布置圖設(shè)備定位，與導(dǎo)出的報(bào)表進(jìn)行核驗(yàn)，示例請(qǐng)見圖6。

圖6 塔類設(shè)備定位核驗(yàn)界面(局部)

1.4 設(shè)備管口(Nozzle)

設(shè)備管口尤其是工藝管口是管道專業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，在設(shè)備外形和定位準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，管口的大小(DN)，管口密封面形式(End Preparation)、磅級(jí)(Pressure Rating)或壁厚(Schedule Thickness)、標(biāo)準(zhǔn)(End Standard)，管口的朝向(Orientation)、標(biāo)高(Elevation)、伸出長(zhǎng)度(Extension)等均應(yīng)納入校驗(yàn)報(bào)表。由于管口檢驗(yàn)的工作量大，一般采取無(wú)設(shè)備藍(lán)圖時(shí)抽樣檢查、有藍(lán)圖時(shí)整體檢查的策略，采集藍(lán)圖上的管口數(shù)據(jù)錄入excel表格，錄入結(jié)果見圖7。

圖7 管口屬性錄入界面(局部)

其中需要說(shuō)明的是,角度數(shù)據(jù)(Angle)來(lái)源于管道專業(yè)管口方位圖；管口密封面屬性(含DN)、相對(duì)設(shè)備標(biāo)高、絕對(duì)標(biāo)高來(lái)源于設(shè)備藍(lán)圖和前述成果；標(biāo)高屬于易錯(cuò)項(xiàng)且沒(méi)有第三方數(shù)據(jù)核對(duì)，由設(shè)計(jì)和校核共同獨(dú)立完成。管口檢驗(yàn)成果見圖8。

圖8 管口校驗(yàn)界面(局部)

模型與藍(lán)圖沒(méi)有匹配的項(xiàng)目已標(biāo)陰影顯示，設(shè)計(jì)人員可定位檢查修改。

需要說(shuō)明的是，這個(gè)報(bào)表并非完整校驗(yàn)，有些不規(guī)整的管口、不規(guī)整設(shè)備的管口都沒(méi)有納入，如果需要對(duì)管口進(jìn)行完整校驗(yàn)，那么程序設(shè)計(jì)還需要再補(bǔ)充完整。但是，對(duì)于那些高塔類設(shè)備、單塔管口數(shù)量較多的設(shè)備，此報(bào)表有很好的檢驗(yàn)效果。

1.5 管道(Piping)

1.5.1 管線(Pipeline)

此處需要模型導(dǎo)出相應(yīng)的管線號(hào)匯總，與工藝專業(yè)索引表進(jìn)行核對(duì)，確認(rèn)管線號(hào)總數(shù)(Pipeline List)、名稱(Pipeline Name)、介質(zhì)代號(hào)(Fluid Code)與材料等級(jí)(Spec)，效果見圖9。

圖9 Pipeline匯總界面(局部)

其中Spec校驗(yàn)可以在Piperun中進(jìn)行。

1.5.2 管段(Piperun)

(1)等級(jí)和管徑(Spec Check&DN)

在S3D軟件的邏輯里，Piperun是管徑、等級(jí)、流向的集合，其中一項(xiàng)改變，需要重新建立新的Piperun，檢查Piperun所選的材料等級(jí)(Spec)、公稱直徑(DN)是否和工藝專業(yè)的索引表一致(如果是集成項(xiàng)目則導(dǎo)出二三維校驗(yàn)報(bào)表即可)，效果見圖10(局部)。

圖10 Piperun等級(jí)與管徑報(bào)表界面(局部)

(2) 支管連接(Branch Check)

對(duì)于配管中支管連接的大量使用，為了方便管道設(shè)計(jì)人員快速建模，管道數(shù)據(jù)庫(kù)里定義了基于Spec、HeaderSize、BranchSize、Angle的支管連接件自動(dòng)選擇，在校驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)需要導(dǎo)出模型中實(shí)際使用的支管連接形式，并與管道數(shù)據(jù)庫(kù)校對(duì)，還需將數(shù)據(jù)庫(kù)與材料等級(jí)表支管表進(jìn)行校對(duì)，效果見圖11(局部)。

圖11 支管連接校驗(yàn)界面(局部)

通過(guò)該報(bào)表可以檢查出模型中錯(cuò)誤的支管連接，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員修改模型。

(3) 流向(Flow Direction)

在校審人員全面檢查管道單線圖之前，模型可以幫助篩查那些流向?qū)芗惭b有特殊要求的管線，比如說(shuō)止回閥、波紋膨脹節(jié)等，實(shí)施效果見圖12(局部)。

圖12 止回閥所在管線報(bào)表界面(局部)

(4) 彎頭檢查(Elbows)

在某些特殊的裝置里(例如煤氣化、尿素等裝置)，大曲率半徑彎頭和特殊角度彎頭的使用較多，由于材料等級(jí)表提供了多種彎頭的選擇，建庫(kù)人員可能統(tǒng)籌了多種靈活角度的彎頭供設(shè)計(jì)人員使用，因此，檢查最終模型中使用的彎頭正確性也是十分有必要的。

1.5.3 管件(Piping Part)

關(guān)于管件的質(zhì)量檢查，S3D軟件常規(guī)機(jī)制已經(jīng)做了很多，比如指定等級(jí)下的有限選擇即Piping Commodity Filter、對(duì)焊壁厚的匹配(Match實(shí)現(xiàn))、法蘭連接的匹配(MatingPorts)和緊固件墊片自動(dòng)選擇(G/B Selection Filter)，最小直管段檢查(MinimumPipeLengthRule)等，有效地減少了設(shè)計(jì)人員的工作，但是針對(duì)軟件的不確定性和設(shè)計(jì)人員可能誤操作的問(wèn)題(比如Piping Feature中的Spec與Piping Part中的不一致導(dǎo)致錯(cuò)料)，還可以做的是：檢查每一個(gè)Piping Part的(材料等級(jí))Spec歸屬，將導(dǎo)出的MTO(大宗材料)與管道等級(jí)庫(kù)Commodity Filter進(jìn)行比較，確認(rèn)MTO報(bào)出的CC碼在正確的Spec內(nèi)，實(shí)現(xiàn)效果見圖13。

圖13 Piping Part 材料等級(jí)檢查界面

2 S3D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

以上介紹了在實(shí)現(xiàn)模型有效設(shè)計(jì)過(guò)程中需要關(guān)注的問(wèn)題，本節(jié)將簡(jiǎn)單介紹S3D數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便后續(xù)編寫自定義報(bào)表及功能實(shí)現(xiàn)。

S3D是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維設(shè)計(jì)軟件，采用第三方關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)軟件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，目前各大設(shè)計(jì)院比較常用的數(shù)據(jù)庫(kù)是SQL，比如Microsoft的MS-SQL-Server，軟件的服務(wù)器配置見圖14。

圖14 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器配置

需要從Model Database或Reports Database中取出數(shù)據(jù)，將取出的數(shù)據(jù)與非模型輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，或與Catalog Database或Reports Database中的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

2.1 設(shè)備模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖15。

圖15 設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖中，字符J前綴者為Interface(J…)，字符X前綴者為Relationship(X…)，字符帶下劃線者為Properties，由圖可見，管口JDPipePort通過(guò)XDistribPorts關(guān)系與設(shè)備JEquipment產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。報(bào)表制作的出發(fā)點(diǎn)是取得某些屬性的集合(Properties)，而不同的屬性分屬不同的接口(Interface)，一個(gè)接口(Interface)從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的角度來(lái)講就是一個(gè)表，它們互相之間通過(guò)表格外碼相連接，有的則通過(guò)關(guān)系(Relationship)相關(guān)，這是編寫SQL報(bào)表的基礎(chǔ)和思路。

2.2 管道模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

管道模型數(shù)據(jù)復(fù)雜程度相對(duì)于設(shè)備有質(zhì)和量的區(qū)別，管道SQL查詢的出發(fā)點(diǎn)可以是Pipeline，可以是Piperun，甚至可以是Piping Part?；诓煌男枨缶帉懖煌膱?bào)表，建議不要求大、求全，也不要產(chǎn)生復(fù)雜的邏輯。由于Piperun層級(jí)管道關(guān)鍵數(shù)據(jù)較多，一般選擇從Piperun出發(fā)取數(shù)。

以Piperun為核心的關(guān)于Piperun、Pipeline、各類PipeFeature的關(guān)系圖譜見圖16。

圖16 管道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

這里列出了主要的Partclass的主要Interface，它是編制各類管件報(bào)表、管線報(bào)表的總領(lǐng)。

3 功能實(shí)現(xiàn)與程序示例

以上介紹了模型設(shè)計(jì)時(shí)基于一致性考慮的一些校驗(yàn)需求以及模型中設(shè)備、管線等特定對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一些分析，本章將舉例介紹如何進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)和程序設(shè)計(jì)。

首先，基于設(shè)計(jì)模型的報(bào)表一般被認(rèn)為是模型屬性的合集，如前述關(guān)于設(shè)備和管道的關(guān)系合集中各項(xiàng)屬性(即Properties)，而Properties隸屬于Interface，Interface隸屬于Class。需要注意的是這兩個(gè)“隸屬于”并不一定是獨(dú)屬或獨(dú)有，同一個(gè)Properties可以隸屬于不同的Interface，后者亦同。在編制專項(xiàng)報(bào)表時(shí)，根據(jù)屬性集合首先選擇一個(gè)合適的Interface，該Interface下應(yīng)包含大部分的或特有的Properties，然后通過(guò)Relationships連接Interface，以獲取該Interface獨(dú)有的Properties。此處需要注意的是，因關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)各表通過(guò)外碼連接，而設(shè)計(jì)模型無(wú)論是Model Database還是Reports Database都是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)集合，其各個(gè)Interface也是通過(guò)外碼連接[1]的，目前對(duì)于Interface表中的主碼、外碼，軟件底層并沒(méi)有開放查詢，而在日常的報(bào)表編寫中，設(shè)計(jì)者也能體會(huì)到并非所有具有相同Properties的Interface都可以互聯(lián)，因此，報(bào)表的完整性測(cè)試也尤其重要。

有了以上的一些粗淺理解后，下面就以特殊彎頭校驗(yàn)為例來(lái)編制報(bào)表。首先根據(jù)需求羅列特殊對(duì)焊彎頭要素如下：名稱(CC碼)、轉(zhuǎn)過(guò)角度、公稱直徑、壁厚，材料等級(jí)，及其所在目錄樹如Pipeline或Unit。查詢語(yǔ)句如下：

select x1.oid,x4.ContractorCommodityCode,n2.Angle/pi()*180 as ’angle’,n3.NPD,m2.FirstSizeSchedule_ShortValue,n6.SpecName,x5.ItemName as ’Pipeline’,x8.Item-Name as ‘Uint’ from JCURTE72DegElbowPDB647O x1(--模型中特殊彎頭本身)

join XPartOccToMaterialControlData x3 on x3.OidOrigin=x1.oid

join JGenericMaterialControlData x4 on x4.oid=x3.OidDes-tination(--獲取CC碼)

join JBendBranchAngle n2 on n2.oid=x1.oid(--獲取特殊彎頭轉(zhuǎn)過(guò)角度)

join XmadeFrom m1 on m1.OidOrigin=x1.oid

join JDPipeComponent_CL m2 on m2.oid=m1.OidDestination

join XOwnsParts n22 on n22.OidDestination=X1.Oid

join JRtePipeRun n3 on n3.Oid=n22.OidOrigin(--特殊彎頭所在Piperun)

join JNamedItem n4 on n4.Oid=n3.Oid

join XPathRunUsesSpec n5 on n5.OidOrigin=n3.Oid

join JDPipeSpec n6 on n6.Oid=n5.OidDestination(-- Piperun的材料等級(jí))

join XSystemHierarchy x33 on x33.OidDestination=n3.Oid

join JPipelineSystem x44 on x44.Oid=x33.OidOrigin(--所在Pipeline)

join JNamedItem x5 on x5.Oid=x44.Oid

join XSystemHierarchy x6 on x6.OidDestination=x44.Oid

join XSystemHierarchy x9 on x9.OidDestination=x6.OidOrigin(--獲取目錄樹)

join XSystemHierarchy x99 on x99.OidDestination=x9.OidO-rigin(--四級(jí)目錄)

join XSystemHierarchy x11 on x11.OidDestination=x99.OidOrigin(--四級(jí)目錄)

join XSystemHierarchy x11 on x11.OidDestination=x9.OidOrigin(--三級(jí)目錄)

join JSystem x10 on x10.Oid=x11.OidOrigin

join JNamedItem x8 on x8.Oid=x10.oid where x8.ItemName=‘14122’(--所在單元篩選)

order by n2.Angle(--按角度排序)

運(yùn)行查詢語(yǔ)句，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)焊特殊彎頭口徑、等級(jí)、壁厚、曲率半徑、轉(zhuǎn)過(guò)角度及形狀參數(shù)的確認(rèn)。特殊彎頭校驗(yàn)見圖17。

圖17 特殊彎頭校驗(yàn)界面

4 其他需要考慮的問(wèn)題

以上內(nèi)容從模型數(shù)據(jù)特性到報(bào)表編制流程進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，但在模型數(shù)據(jù)正確、二三維數(shù)據(jù)同步唯一的任務(wù)鏈條上，還需要做到以下幾點(diǎn)：

4.1 權(quán)限管理

一般在項(xiàng)目建立時(shí)，服務(wù)器管理員會(huì)進(jìn)行各位軟件使用人員的權(quán)限設(shè)置。良好的權(quán)限設(shè)置、模型目錄樹管理、設(shè)計(jì)人員規(guī)范的建模習(xí)慣可以減輕模型檢查的工作量和難度，也是確保報(bào)表完整的前提。

4.2 規(guī)范建庫(kù)

規(guī)范的建庫(kù)，正確的Partclass、Interface、Properties的組織和使用是正確高效的模型數(shù)據(jù)報(bào)表導(dǎo)出的前提，也是高效建模、實(shí)現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)同步

在校驗(yàn)報(bào)表導(dǎo)出前，有必要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)正確性完整檢查和Model Database、Reports Database服務(wù)器同步，以確保報(bào)表導(dǎo)出的時(shí)效性。

4.4 碰撞檢查

三維模型既已實(shí)現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)的模型碰撞檢查以其便利性和高效性，更應(yīng)納入模型校驗(yàn)的日程，通過(guò)碰撞檢查功能，導(dǎo)出碰撞檢查的圖文報(bào)表，可減少現(xiàn)場(chǎng)碰撞等問(wèn)題的發(fā)生，避免返工。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著裝置模型設(shè)計(jì)不斷地普及和深入，模型質(zhì)量、模型與非模型設(shè)計(jì)輸入之間的矛盾將會(huì)不斷地進(jìn)入設(shè)計(jì)人員的視野，本文通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)流程和模型數(shù)據(jù)的分析，提供了一種提高模型質(zhì)量和二、三維校驗(yàn)的方法，以求減輕設(shè)計(jì)人員負(fù)擔(dān)，提高設(shè)計(jì)效率。由于這項(xiàng)工作需建立在復(fù)雜的工程模型和數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，因此建議由兼通一定的編程知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)的人員完成。