Tekla Structures软件在油气田地面工程加工设计中的应用

苗升

中石化胜利油建工程有限公司，山东东营257073

Tekla Structures软件在油气田地面工程加工设计中的应用

苗升

中石化胜利油建工程有限公司，山东东营257073

为提高油气田地面工程建设质量和效率，工程详细设计完成后进行加工设计十分必要。文章结合中石化胜利油建工程有限公司在伊朗和加纳的油气田地面工程项目，详细介绍了应用Tekla Structures软件进行钢结构加工设计的优越性和具体做法。该软件能快捷、准确地创建结构3D模型，且自动生成所需的图纸和各种精确报表，便于发现加工设计中的问题从而进一步优化设计，对节约工程成本和缩短工期具有重要意义。

质量和效率；Tekla Structures软件；3D建模；钢结构；油气田地面工程；模块化施工

0 引言

钢结构具有可靠性高、自身强度高、自重轻、塑性韧性好、变形能力强、施工工期短等优点，在油气田地面工程中得到大量应用。钢结构常采取模块化预制施工，即构件在工厂预制成型，运抵施工现场后使用高强度螺栓组装为最终的结构。钢结构模块的详细设计完成后进行工厂预制，加工设计是关键。在相当长的一段时间内，国内多数钢结构的加工设计都是利用AutoCAD等软件绘制图纸和Excel等工具统计料表、计算重心等。这种方式要求设计人员具有丰富的经验和专业知识以及很强的立体抽象思维能力，工作量较大、工作效率较低，且容易产生错误。Tekla Structures作为钢结构三维设计软件，可以有效地解决这些问题。

本文结合中石化胜利油建工程有限公司（以下简称公司）在伊朗和加纳的油气田地面工程项目，详细介绍Tekla Structures软件在油气田地面工程加工设计中的应用。

1 Tekla Structures软件简介

Tekla Structures软件是芬兰Tekla公司开发的建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）软件。BIM是以三维数字为基础，集成了建筑工程项目各种信息的工程数据模型。软件全新的三维设计理念，将设计人员从传统二维设计中解放出来，从整体、宏观的角度去理解工程、参与工程，发现工程中潜在的问题，并提前解决问题。

设计人员应首先理解详设图纸，然后应用软件创建结构3D模型。基于此模型，该软件能够自动生成所需样式的图纸，如整体布置图、构件图、零件图等，还能自动生成各种精确报表，如材料表、构件表、零件表、螺栓表、焊缝清单、零件开孔清单等。所有图纸和报表与3D模型紧密关联，提高加工设计质量和效率，为工程投标、材料采购、工厂预制等提供直接帮助，增强企业竞争力。

2 Tekla Structures软件在实际油气田地面工程中的应用

公司在伊朗和加纳油气田地面工程中，已经使用该软件完成了1 700 t的钢结构加工设计任务，总计出图5 000余张。本文结合其中的具体钢结构对Tekla Structures软件的应用进行阐述。

2.1 电缆架及其支座

建模之前按照相关标准，首先选择工作环境，然后将数据库补充完整，例如截面库、螺栓库、焊接库等，可以根据实际需要手动添加，也可以整体输入。例如，我国工作环境下需要欧标截面库，那么可以在欧洲工作环境下输出欧标截面库，然后在我国工作环境下输入欧标截面库。图1是建好的电缆架及其支座（cable rack-4）的3D模型，零部件可用不同的颜色加以区分。

框架搭建完毕后，重点是节点的建立。软件中包含了600多个常用节点，将参数补充完整即可直接调用节点。但是参数的调整过程很复杂，所以常采用自定义用户模式对变量进行参数化设置。以梁柱节点为例，变量进行参数化设置后，不管梁柱的截面如何变化，节点都可以直接应用而不用修改。变量类型有两种：距离变量和参数变量，距离变量将零件绑定在一起，是两个平面之间或点与平面之间的距离；参数变量控制用户单元中的所有其他属性，如名称、材料等级、螺栓尺寸等，同时也用于计算。图2展示了模型中的几类节点。为了直观，可以将零件渲染为透明模式。

图1 电缆架及其支座3D模型

图2 节点3D展示

所有构件在工厂内预制，现场施工质量取决于构件预制水平，因此构件制作的质量和精度至关重要。软件通过焊缝自动认定构件，也可以手动添加或删除构件中的零件。出于图纸画面的需要，有些焊缝没有必要标注，所以在构件中手动添加或删除零件很重要。图3所示为梁构件和电缆支架构件，连接构件的螺栓信息已包含在其中，那么其连接的另一个构件只有孔的信息，螺栓表不会重复统计。软件提供的3D模型将构件的信息直观展示出来，便于指导工厂预制和现场安装。

图3 单个构件

图4 梁构件图纸示例

图4是对应图3梁构件的图纸，软件直接将模型转化成相对应的构件和零件图，从立体到平面，打破了传统的从平面到立体的模式，相比传统的CAD出图，其速度快、准确度高。构件图中每个零件都有定位尺寸和编号标注，右侧有此构件的材料表，工人依据此表领取零件，然后对照构件图直接“堆积木”即可，准确、快速，大大增加工作效率。图纸布置还可以根据需要随时调整，增加所需信息。根据图纸的下部增加定位图“key plan”，很容易确定该构件在整个结构中的位置。

Tekla Structures中图纸信息通过“表格”表达，表格包含图纸对象的信息，如图4中的key plan和材料表都属于表格。在模板编辑器中对表格进行编辑，以获得需要的信息。综合考虑识图习惯和美学因素，表格可以插在图纸任何合适的地方。

模型检查无误后，该软件基于3D模型信息可自动生成各种报表，对项目投标、材料采购、工厂预制等整个项目流程进行集成和控制。

（1）项目投标。许多业主要求竞标单位拿出整个工程的真实、形象的立体展示，Tekla Structures可以将整个工程的外形和构造进行完美、准确的立体展示，显示实际完工的模样，帮助双方更好地理解整个项目；通过模型，可以随时满足客户的更改要求，提高客户满意度，更好地服务于客户，使投标更有吸引力，赢得更多机会；模型建成后，通过生成报表，可以较为精确地评估成本、计算工程量、评估多个备选方案，减少人工错误。

（2）材料采购。材料采购周期直接影响钢结构预制加工和现场的安装进度，模型主体结构建成后，即可以利用软件中的清单功能生成材料清单，为材料采购争取了时间，而且准确度高于人工统计的结果。

（3）工厂预制。表格、清单的使用贯彻于整个工厂预制过程中，预制之前出构件详单，让生产车间了解生产任务，安排生产计划；下料车间和加工车间根据零件清单领取材料进行加工；构件表（见表1）对每个构件的表面积和总面积都有统计，可以指导涂装车间进行涂装；构件表中还包含构件的体积和重量，可以提前策划构件的包装和运输，选取最优方案。

表1 构件表

2.2 其他类型钢结构

2.2.1 联合站平台

以伊朗雅达汇管一号平台为例（如图5所示），平台有三层，构件种类和数量繁多，有梁、柱、垂直支撑、水平支撑、栏杆、格栅板、桥架、楼梯、爬梯等9种共697个构件，型材23种，节点140余种，总质量116 t。

图5 汇管一号平台3D模型

图6为该平台几种构件的模型展示。楼梯和爬梯较为复杂，而且楼梯还有栏杆、格栅踏板等附属结构。详设图纸中标注了两个踏板之间的水平和垂直距离，每段楼梯的角度不同，所以无法按照图示距离进行工厂预制。3D建模及时发现详设图纸中的此类错误，与详设单位沟通后根据实际情况进行了调整，使其更加完美。

2.2.2 厂房

图7为加纳项目天然气早期处理设施的一个冷凝处理厂房，其为门式钢架结构。该厂房有梁、柱、垂直支撑、水平支撑、墙檩、顶檩、系杆、拉杆、波纹板等11种246个构件，624个零件，型材9种。

该模型的厂房顶部不是水平面，如图8（a）所示。Tekla Structures软件能够选取任何视图平面，并将其作为工作平面进行建模，如图8（b）所示，此处节点异常复杂，有梁、柱、墙檩、顶檩、系杆以及斜撑等零件。模型建成以后，通过肉眼观察和软件自带的碰撞校核功能，找出了大量碰撞并修改。

图6 汇管一号平台构件3D展示

图7 冷凝处理厂房3D模型

3 存在问题及解决方案

（1）Tekla Structures软件对计算机的硬件配置要求较高，建造较大模型时容易出现卡机、死机现象。对此，可以分段单人单机进行工作，检查完毕后再合并和编号出图；多用户模式下，团队成员不要擅自动用其他成员的模型，以免操作冲突丢失信息。

（2）图纸生成后自动进行标注，尺寸标注往往显得较为混乱，影响美观和图纸效果，因此后期需要人工进行部分调整。

（3）三维设计软件直观而且容易掌握，缺乏足够理论知识和具体实践经验的人员似乎也可以用它进行设计。然而软件操作中看似小的失误，到实际工程中往往被放大，给项目造成巨大损失，所以必须培养设计人员的基本能力和工程素养。

图8 冷凝处理厂房局部3D展示

4 结论

（1）油气田地面建设中钢结构的使用量非常大，作为施工企业，承建此类工程具有很大的市场潜力。但是钢结构种类繁多，节点复杂，单凭详设图纸进行建造比较困难；部分海外订单中，设计单位提供的详设图纸只有结构样式和材料尺寸等，节点也需要参考各地区的标准，图纸需要进行进一步加工设计。应用Tekla Structures软件可以快捷、准确地处理好这些问题。

（2）详设图纸的审图工作量很大，需化费巨大的人力；而且碰撞等图纸错误不易从二维图纸中检查出来，等到施工过程中暴露出问题，已造成费料费工的局面。Tekla Structures软件3D建模的过程即是审图的过程，能提早发现问题，纠正原设计图纸中出现的失误，优化设计，节约工程成本，缩短工期。

（3）模块化施工是一种适应新形势的先进施工理念，大量引入模块式作业，能够极大地缩短工期，产生良好的经济效益。钢结构工程更加适合模块化施工，Tekla Structures软件在钢结构和混凝土的模块化建设中有巨大的应用空间。

[1]曹平周，朱召泉.钢结构[M].北京：科学技术文献出版社，2007.

[2]邓海涛，王勇，窦星慧，等.Tekla Structures在海洋平台、FPSO上部组块建造中的应用[C]//第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集.北京：海洋出版社，2009：387-1 392.

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[4]马山玉.钢结构深化设计软件Tekla Structure应用综述[J].山西建筑，2010，36（6）：56-57.

[5]蒋文雅，麻秀娟.采用Tekla Structures软件进行异形结构建模[J].石油工程建设，2010，36（2）：16-17.

中国石油形成海底管道抗屈曲和抗压溃模型实验技术

设立于中国石油集团海洋工程有限公司工程技术研究院的集团公司海洋工程重点实验室，依托国家863项目“深海油气输运高强厚壁管材关键技术研究”，形成深水高压环境下的海底管道的抗屈曲和抗压溃模型实验技术。

这项技术用于解决深水海底管道在铺设过程中受到静水压力和弯矩联合作用下的抗屈曲和抗压溃实验检测。海洋工程重点实验室技术人员通过管道有限元模型分析，建立缺陷和弯矩等效关系，确定缺陷尺寸，设计翻臂梁圆管装卸车，优化加压循环流程，解决大尺寸小径厚壁管道试件压力舱弯矩难以施加、粗管径尺和大重量管道试件安装及固定难、压力精确控制等技术问题，完成模拟1 500 m水深海洋环境下海底管道抗屈曲和抗压溃等力学性能实验研究，最终形成深水高压环境下的海底管道抗屈曲和抗压溃模型实验技术。

中国石油集团海洋工程重点实验室经过4年多的良好运行，先后完成水下潜器、水下取样仪器设备、海底管道和海底电缆等实验研究，形成海工结构物承压、疲劳以及水密性检测评价等技术，未来可为海洋油气集输用管制造企业提供检测技术支持，同时也可推动我国深海油气管道检测及评价技术体系建设。

（本刊摘录）

Application of Tekla Structures Software in Shop Design of Oil and Gas Oilfield Surface Engineering

Miao Sheng
Sinopec Petroleum Engineering&Construction ShengliCorporation，Dongying 257073，China

In order to improve the quality and efficiency of surface engineering construction of oil and gas fields，shop design is necessary after detailed design of engineering project.In this paper，the advantages and concrete methods of applying Tekla Structures software for shop design of steel structure are introduced in combination with the surface engineering projects undertaken by Sinopec Petroleum Engineering&Construction Shengli Corporation in Iran and Ghana.The software is capable to build 3D structural model quickly and accurately and create all needed drawings and report forms automatically.Problems in shop design can be found easily and then the further optimization design can be made.The application of the software has significance for saving project cost and shortening project construction period.

quality and efficiency；Tekla Structures software；3D modeling；steel structure；oil and gas field surface engineering；modular construction

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.013

苗升（1985-），男，山东淄博人，助理工程师，2012年毕业于辽宁石油化工大学化学工艺专业，硕士，现主要从事设计及设计管理工作。

2014-06-20；

2015-02-04