土建三维设计在核电项目中的应用

丁晓强 于子武

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

核电具有资源消耗少、环境影响小和供应能力强等优点，与火电、水电并称世界三大电力供应支柱。随着国际能源供应形势日趋紧张，为了满足电力快速增长的需求和更好地保护环境，核能的应用将是未来大势所趋。随着核电技术的不断创新，核电厂需要更精细化的设计手段来实现高安全性、高复杂性的要求。

1 三维设计概念的提出

设计的最终目的和最初想法都是三维的，但由于技术条件的限制，人们巧妙地利用在象限中平行正投影的二维视图表达规则，用有限个相关联的二维投影图表达三维构想。这种表达虽然巧妙，但绘图和读图都要经过专门的训练，而且属于不完整的表达或不实际表达。随着科技的不断发展，构筑物复杂性不断提高，仅依靠传统的二维设计已经不能满足目前新一代大型工程的设计要求。

三维设计是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化、更形象化的一种新兴设计方法，它能使设计成品更全面，更细致，更直观。

首先完成概念设计，在三维软件的支持下，建立起能表达出设计构思的模型，通过启动一个三维协同设计的流程，使不同专业的工程师能够进入系统，展开协同工作，减少重复工作。在同一平台上工作有助于快速发现各专业组件的空间关系，同时数据优势为基础设施项目的运营维护提供了良好的支撑。利用三维设计技术可以实现信息的采集、加工、处理、存储、检索等环节的自动化，实现最短路径的信息传递，减少设计管理流程中不必要的中间环节。

2 三维设计软件介绍

电厂采用三维模型设计技术，是电力设计上的一次革命。与传统的二维设计相比，用三维设计方法建立的各种设备、管道、结构的三维模型，能直观、真实地反映其在未来电厂中的空间关系，有利于在设计过程中避免出现设计中的“错、漏、碰、缺”等问题，提高设计效率和质量，使无差错设计和无碰撞施工成为现实，而且由于当前工作条件限制，建安现场无法安装计算机系统，需要二维图来表达设计意图，因此需要三维设计软件还必须支持从三维图中抽出二维工作图，并具备关联更改的能力。

与传统的二代或二代加技术以及常规火电设计技术相比，AP1000核电技术具有安全系数高、系统复杂、专业庞杂、接口多、精度要求高等特点。而土建结构作为整个电厂非常重要的组成部分，与很多专业有着密切的联系，是整个电厂的骨架、血肉。虽然管道专业已经形成了设计、出图再配合碰撞检查的三维一体化设计，但三维技术要想充分发挥多专业协同设计的优势，必须结合土建专业特别是结构专业构件计算与设计的应用。

AP1000设计方应用的三维工厂设计软件是国际上通用的商业化工厂设计软件——PDS（Plant Design System），PDS三维模型设计软件不仅具有多专业设计模块、强大的数据库，还有应力计算、结构分析等许多功能软件接口，而且具有模型漫游功能［用专用软件SmartPlant Review（SPR）完成］，可发现模型错误，解决设计中的错、漏、碰、缺问题，保证设计质量。

FrameWorks Plus（FWP）是PDS系统中的结构工程模块，土建专业的结构模型就是在FWP中输入，进而完成在PDS中的建模。FWP可用于创建和修改土建模型，建成的3D模型可在SPR软件中实时浏览，也可用于创建平面和剖面图纸并完成碰撞检查。

3 土建结构三维设计流程

土建结构传统的设计流程（图1）：创建结构框架，加入结构和工艺专业的荷载，再计算分析，并通过检验及优化，最后绘制施工图。此设计流程一直沿用至今，其中包括了工程设计必须掌握的结构概念、结构体系及结构理论。随着计算机的普及和辅助设计软件的迅猛发展，将手工计算分析、检验并优化演变成计算机分析计算，虽然在流程中某些工作操作形式有变化，但并没对该流程有所改进，更没有将此流程与三维设计平台相结合。

图1 传统土建设计流程

第三代核电技术土建结构的设计流程与传统的设计流程有所不同：在三维软件的支持下，建立起能表达出设计构思的模型，通过启动一个三维协同设计的流程，使不同专业的工程师能够进入系统，展开协同工作，如图2所示。

图2 三维设计流程

4 土建专业三维设计对比传统二维设计的优点

4.1 同一公用数据平台有利于各专业协同作业

建成结构模型后，可同时核对实时更新的工艺布置模型，得到结构合理、满足开孔、预埋件设置等工艺要求的结构模型，发布给工艺及相关专业，经过沟通、检验后PDS模型随之确定。相比传统模式，其优势在于以公用数据平台的三维实体建模，工艺专业布置模型和发布资料表现得更加直观；土建专业协同其他专业更加高效、可靠，避免了面对面式的种种不便，建立模型会更快捷、准确。

4.2 工艺荷载输入准确、快捷

传统模式工艺荷载由工艺专业通过纸质提资实现输入，土建专业依据提资输入到计算简图中，复杂的布置、种类繁多的荷载使计算简图中荷载确定繁杂，对于设计人来说工作量巨大，人为因素影响造成疏漏的几率较高，而且当工艺专业发生变动时，修改繁琐且易出错。在PDS模型中，首先建立好工艺专业与土建专业荷载工况输入原则，工艺荷载由各工艺专业工程师输入并直接在模型中发布。而且结构布置可以根据工艺布置要求进行调整。相比传统模式，工艺荷载输入准确、快捷、调整方便。

4.3 化被动为主动

土建专业在三维模型中的输入，充分利用了PDS共享、协同及同步的数据库功能，建立土建结构三维模型，使这部分工作从被动的配合工艺布置转换为主动在工艺布置上开展设计，创新了结构设计思路，极大地提高了土建结构设计效率。

4.4 输出模式先进

4.4.1 图纸

AP1000土建设计在数据输出方面（如布置图、配筋图、埋件图、洞口布置图及材料清单等）都可以从三维模型中抽出。以埋件施工图为例，在一套完整的编码系统支持下，埋件图包括埋件定位图及埋件定位表，二者都可以从三维模型中直接抽出，埋件定位图是埋件的位置指示图，其上不具有埋件的具体信息，埋件的具体信息由埋件定位表中提供。与传统二维设计埋件图相比在图面整洁度、埋件详细信息表述方面都占有一定优势，而且可以由模型直接导出，节省设计时间，提高工作效率。

传统二维设计埋件图中各类标注复杂，一般根据与轴线或构筑物的边缘相对位置定位，容易出现累积误差，而且对于埋件功能并不能表述清楚，给施工带来不便。通过三维设计抽出的埋件图，坐标是绝对坐标，不会出现累积误差，而且根据埋件的编号可以清楚地识别埋件的功能。传统设计图纸以卷册形式发布，现场只有当卷册内所有图纸出版后才能得到图纸，影响现场施工进度。而三维设计以张的形式发布，不存在上述情况。

4.4.2 模型

利用SPR软件打开PDS（模型和数据）、MicroStation、AutoCAD和.SAT等格式的图形文件，可以交互式地浏览大型复杂的3D模型，深入地浏览和分析工程设计、建筑结构并能够进行工厂的日常维护。利用SPR不仅能够提供清晰而简明的可视化通信，查找模型中符合某些条件的对象，实现漫游检查和校审功能；而且还可以实现进度浏览和冲突碰撞检查，极大地提高了工作效率、缩短工程时间，三维模型已经是AP1000现场设计管理工作中的一个不可或缺的工具。

利用三维设计技术还可以指导土建施工，通过提取三维模型的数据，模拟重要的施工及安装工序，如混凝土浇筑、钢结构、模块安装等，这样更直观地表现了各工序的顺序，并通过数据分析计算出工程量，便于合理地安排施工力量，避免施工方案及实施过程出现失误，极大地提高了施工效率。

5 土建三维设计的现状

现阶段土建三维设计的应用主要表现在：（1）通过对平面图纸的三维转化建立起模型，解决电厂各构件之间的碰撞问题。（2）模型也作为设计资料数字化发布的一种形式，业主通过查看三维模型了解设计、施工进展情况，在工程结束后作为竣工资料进行移交，提高了服务质量。（3）在空间狭小的位置通过三维模型模拟安装、施工过程。虽然三维设计的优势并没有得到充分的发挥，但说明各行业已走在设计变革的道路上。

6 结语

笔者认为要充分发挥三维设计在核电项目中的优势，不仅需要设计软件的变革，还需要设计支持的进一步延伸，以AP1000现场为例，设计方在现场成立现场设计部，建立起完备的组织机构来处理现场发生的设计问题，现场的设计代表也都能熟练操作SPR浏览图纸，且配有专门工程师负责三维模型的管理、更新工作；强大的线上文档管理平台，图纸资料、技术文件等都以电子文件的形式走网上流程，极大地提高了工作效率；完善的编码系统及完备的工作程序，也是现场设计工作运转的重要基础。由此看来，虽然设计投入增加了，但利大于弊，同时三维设计也是工程与国际化接轨的必然选择。

三维设计在AP1000等项目上的成功应用，更加证明了三维设计将是未来工业设计的大势所趋，土建三维设计的变革势在必行。

［1］袁泉，李炳益.三维工厂设计中的结构设计流程探讨［J］.武汉大学学报：工学版，2007（S1）

［2］关琰.计算机辅助产品设计［M］.北京：清华大学出版社，2004

［3］周乃军.工厂全生命周期土建三维设计流程探索［J］.工业建筑，2011（S1）