三维数字化协同技术实现创新协作

文｜张科奇

数字化协同设计的过程被分为四个阶段：项目订制、系统设计、布置设计、详图设计。项目订制包含以下几个部分的内容：项目的WBS、相关人员权限的划分，相关数据服务的建立以及各项标准的订制。系统设计主要指P&ID图的设计。布置设计包含以下几个部分的内容：一是对全厂内的各种设备、建筑、结构等实体建立三维模型；二是在所建立的模型上附加各种设备、建筑、结构等实体的技术参数指标，完成附加后即得到了各类实体的数字化三维模型；三是对所建立的数字化模型之间的关系做出详细的定义。在布置设计过程中亦包含信息模型的协同、各个专业间提资的流程、并行设计等技术的实现。详图设计则是指在布置设计阶段所生成的数字化模型的基础上，通过剖切以及抽取得到平、立、剖图以及ISO图。纵观四段式设计，核心在于系统设计，重点在于布置设计。

湖北省电力设计院采用的三维设计模块

湖北省电力勘测设计院（以下简称“湖北院”）采取图1所示的软件模块作为三维设计的软件架构，此架构分为三个子模块，分别是：协同模块（ProjectWise），设计模块（MicroStation），计算模块为主的其他功能模块。

图1 模块架构图

图2 工作流程示意图

图3 P&ID工作流程示意

图4 P&ID项目数据库结构

图5 智能的P&ID图

图6 P&ID报表流程示意

图7 P&ID管线报表清单

图8 P&ID阀门报表清单

项目工作流程

根据三维协同的特点和要求，制定了项目工作流程，其示意图如图2。

系统设计

系统设计是电厂工艺设计的核心，也就是P&ID工艺流程图的设计。

通过P&ID完成以下需求：包括定制（需强行遵守）；制图标准（图层、颜色、线型、线宽、符号等)；使用工业标准符号库 （软件附带，也可使用公司自定义的标准）；可自定义查看和生成报表的功能；数据转换工具可把现有数据（如DWG文件）转为智能的P&ID格式。如上所述，项目开始之前，首先确定本项目使用的标准，完成数据的前期准备工作。现已有国内电力行业常规标准符号库可以套用，当有特殊需求时，可以根据规则进行修正。

设计过程参考图3。首先利用绘制工具绘制出强制遵守制图标准（图层，颜色，线宽等)的工艺系统及仪表图。利用软件提供的逻辑检查功能对项目范围内的所有P&ID图进行检查，排除各种逻辑错误，如管件是否缺少关键属性；管线、设备和阀门是否重复编号；止回阀方向是否与管线流向一致等等。最后从图中得到各种报表，如：管线清单、阀门清单、设备清单。报表的产生可以按单张图进行统计，也可以将整个工厂的所有P&ID汇总到一起，一次性产生，借助于DataManager，可以对这些数据进行统一管理。根据项目需要，可以把P&ID图中的必要信息通过Bentley DataManager产生由P&ID确定的可用管件选择列表，传递到PSDS或OpenPlant中供3D管道设计时使用。此时在PSDS或OpenPlant中布置三维模型时，只能选择到在P&ID系统中被定义过的管件及对应的参数，有效地避免了系统流程图与三维模型管件规格、参数不一致导致的错误。如图4～图8。

布置设计

创建轴网。作为电厂设计的主要专业，机务专业首先协同其他专业建立统一的坐标系统和确定坐标原点，即建立轴网。如图9。

轴网是由PSDS或OpenPlant提供的Column Line工具完成，轴网原点的位置一经确定，不会轻易更改。确定后的轴网，通过Append命令将其加载到数据库中。轴网信息将在支吊点平面轴线定位图例中使用。如图10、图11。

轴网文件确定后，将其保存为一个独立的文件，并将其权限设定为“只读”。当相关设计人员需要使用轴网或坐标系统时，通过文件参考引用的方式连接到当前文件中使用。

通过统一的轴网保证了所有专业在模型组装时相对位置完全正确，这是多专业三维协同作业的一个基础保障。

创建三维设备模型。设备模型的文件划分规则应在项目策划阶段确定，根据项目规模的大小，可以将本专业的所有设备放置在一个文件中（小规模项目），也可以按系统或区域将其分别放置在不同的文件中（中、大规模的项目），甚至可以采用MCS（模型控制系统）功能，将所有模型压缩进数据库中。

本实践主要解决的是设备空间布置的问题，而不是做机械设备设计。它所关注的问题是设备的外形尺寸、定位尺寸、接口尺寸、检修预留空间、设备操作运行空间、设备相关属性，例如：设备编码、规格型号、处理能力、设备重量等；而不是设备零部件的大小、装配关系。因此，在建立设备模型时，设备的外形尺寸、定位尺寸、接口尺寸一定要精确建模，而内部细节可以在保证一定美观相似的情况下尽量简化，这一点对于大型项目尤为重要。

模型由三种渠道获得，一是通过系统提供的参数化模型（预定义了符合工业规范的参数化设备库，同时允许用户自定义）。二是利用MicroStation平台的三维建模功能创建模型，然后将其定义为具有设备属性的设备单元。三是通过转换，接收第三方三维设计软件创建的三维模型，然后将其定义为具有设备属性的设备单元。如图12。

图9 坐标原点及轴网的确定

图10 附加轴网至数据库

图11 支吊点平面轴线定位图

图12 参数化设备模型

图13 PSDS Equipment 管嘴管理工具

图14 调整后的管件属性项

图15 二维和三维关联并存

图16 面向对象的建筑专业工具集

在设备属性表中用户可以方便地增加和修改所需的各项设备属性，Object Reporter提供了生成各类报表清单的工具，它有集成化的界 面，与数据库有机地连接，用户可以定义、编辑、修改报告和明细表的形式。各类设备都可以组装到OpenPlant或PSDS三维环境下进行浏览，参与碰撞检查。

通过使用 PSDS Equipment或OpenPlant Equipment的管嘴管理工具，来管理各类设备上的管嘴参数；可以通过表格输入，定义和编辑设备的管嘴。如图13。

创建三维管道模型。使用PSDS Piping 或OpenPlant Piping模块完成三维管道建模。与设备模型一样，管道模型的划分规则应在项目策划阶段确定，根据项目规模的大小，可以采用按系统划分模型或按区域划分模型。也可以将全厂的管道模型通过MCS（模型控制系统）的功能，压缩进数据库（Microsoft SQL Server或Oracle）中。

管道的建模可以按智能中心线（Intelligent Line）法放置，也可以按单一管段、管件分别放置。在布置管件时，系统能自动检测管件属性（尺寸、spec、端面、等级等）的一致性，如有不一致的属性出现，会自动发出提示信息，并禁止管件放置。

管件的属性信息在放置完成后，被自动保存在对象模型中。用户可以根据工程项目需求，方便地增加、修改所需的属性项，所有这些属性都可以被统计到材料报表中。

属性项的定义一定要在项目前期策划阶段完成，在项目执行阶段不要轻易更改，否则将会影响到修改之前布置的管件，在后期出图及综合应用阶段产生错误。如图14。

创建三维建筑、结构模型。建筑、结构建模使用AECOsim Building Designer软件完成。三维建筑设计系统（Bentley AECOsim Building Designer）是一套采用面向对象技术，多专业集成的专业应用软件系统。系统最重要的一个特点是建立全信息三维模型作为设计的唯一数据源，所有的二维图纸、统计报告以及其它成果（如可视化表现）都是通过这个唯一的数据源生成，这种方式保障了结果的一致性。

本实践使用了完备的中国标准库，使用中能够方便迅速地从预先定义的库中快速地挑选参数化的墙体、门窗、卫生洁具等建筑对象。

通过使用系统的自动关联功能，非常好地保持了建筑部件间的关联拓扑关系，可自动判断建筑对象之间的标准链接关系。当设计人员修改建筑的某一处的时候，与之关联的部分能够自动发生变化，节省了大量的模型修改工作量，实现了“一处修改，关联变化”，保障了设计人员能够有更多的时间去关注设计本身，而不是如何绘图。如图15。

建筑、结构专业的三维模型，在完成方案设计之后就能够被所有的其它相关专业作为背景模型参考使用，在三维协同设计中作为其它相关专业的重要设计依据。其他专业可以随时利用三维建筑、结构模型进行布置设计时的辅助定位、碰撞检查，在整个设计阶段尽可能的减少碰撞，提高设计效率、设计质量。如图16。

建筑专业在准备阶段仅得到机务专业一次提资图，因此建筑仅完成建筑外墙及各层部分内墙模型，待项目进展深入，将进一步细化模型。

建筑模型按外墙和内墙划分成两个模型，最后通过文件参考组装完成。操作步骤如下：首先，在AECOsim Buiilding Designer操作环境下创建一个新文件（选择项目统一的种子文件），例如：建筑.dgn。其次，参考项目唯一的轴网文件以确保坐标系唯一。第三，根据机务专业提供的一次资料图完成外墙模型的创建，包括墙体、门窗、散水、屋面等。最后，在一个新的文件中或新的“模型空间”（Model）中，完成建筑内墙模型的创建。

与建筑模型类似，结构模型也是根据机务专业一次提资资料创建，也将随项目进展进一步细化。结构模型除了可以通过交互的方式，利用系统提供的面向对象的工具快速创建以外，还可以通过接口模块，直接读取计算软件（PKPM、STAAD.Pro等）的信息自动创建。

结构模型按楼层进行划分，每个楼层的模型存放在一个dgn文件的Model（模型空间）中，最后通过文件的参考组装成结构模型。首先，在AECOsim Building Designer操作环境下创建一个新文件（选择项目统一的种子文件），例如：Structural.dgn。第二步，参考项目唯一的轴网文件以确保坐标系唯一。第三步，根据机务专业资料，通过交互方式创建结构模型。如图17。

楼板及墙体开孔

通过闭合元素（如多边形、圆等）确定孔洞位置之后，使用开洞工具对楼板和墙体开设洞口，开孔过程中的开孔深度是可以由用户自行定义的。值得指出的是，系统中所有的孔洞都是参数化的，孔洞可以非常方便的删除、移动位置、复制添加、修改尺寸等，这给孔洞的修改编辑工作带来了极大的便利。如图18。

建筑、结构模型中的孔洞分两类，一类是专业内部模型的孔洞，如楼板在楼梯位置的开孔；另一类是配合专业提出的配合孔洞。专业内部的开孔，只需通过智能线或多边形确定开孔的大小和位置，然后选择开孔工具（Cut Solid）在楼板或墙体上开孔即可。在建筑或结构的对象模型上开孔时，注意要将“Feature”选项选中。

协同工作及专业资料互提

由于各专业、各子系统都在一个统一平台下进行操作，经过合理的模型划分，可以使各专业同时开展设计建模工作，真正实现多专业的协同作业。各个专业的信息在统一操作界面下，可以非常方便且安全地被其他专业人员获取和解读，保证设计人员在第一时间发现设计上的冲突，加强了专业之间的数据互用性和设计沟通性，最大限度的提高整体设计效率。

各专业在进行资料互提时，可以充分利用MicroStation文件参考及参考嵌套功能，最大限度的利用配合专业现有的数据信息，尽可能的保证数据来源的唯一性，减少由于数据冗余造成的配合错误。

P&ID与3D模型间的信息传递。P&ID图中的管件属性和3D模型中的管件属性来自同一个数据源——项目数据库，这样能保证P&ID图中的管件属性和3D模型中的管件属性完全一致，比如管线号、管径、压力等级，KKS码等属性。它与传统的二三维校验技术相比优势明显，前者是在作业流程上预防了属性不一致的可能性，是主动预防错误产生，而后者是靠事后校验对比来检查属性的一致性，属于被动检查。

孔洞配合提资。对于配合专业提出的开孔，其工作流程如下：第一步，提出留孔专业创建一个新的模型文件，如：机务孔洞.dgn，参考项目唯一的轴网文件，确保定位准确，可以同时参考要开孔楼板或墙体的模型文件，用于辅助定位。第二步，用MicroStation基本绘图命令，确定孔洞的位置，绘制孔洞的大小、形状，作为资料模型提供给结构专业（可以设置成结构专业有只读权限）。第三步，结构专业获得开孔提资模型后，可将其参考进需要开孔的结构或建筑模型，检查并确认开孔位置不与本专业模型冲突，然后批量选择需要在本层开孔的多边形元素，使用开孔工具（Cut Solid）在本层楼板上开设孔洞。最后，在孔洞周边需要加强的位置增设相应的结构对象。

提出留孔专业的留孔提资图，也可以直接通过模型的剖切后增加适当的标注产生。

出图及报表

平、立、剖面图。三维模型建立完成之后，通过三维模型生成二维图纸就是一个相对比较快捷的过程，利用系统提供的抽图管理器，可以抽取二维平、立、剖面及任意视角的投影图。

图17 结构模型组合

图18 楼板开孔

图19 自动生成的平面图

图20 自动生成的轴侧消隐图

图21 单管轴侧图及材料报表

剖面的位置和方向可以在系统中任意设定，而且还可以设定前景和后景的景深，并且可以根据所采用的不同构件类型使用不同的线宽、线形以及填充方式在剖面中进行表达。结构杆件可以按一定的规则进行“再符号化”，例如，钢结构杆件可以抽成单线形式等。杆件的截面名称、杆件类型、编号材料、标高等信息可以自动标注。

在传统的二维设计中，由于没有统一的三维模型，常常出现平、立、剖不一致的现象。而使用剖切平面工具，能够非常有效保证平面图和立面图以及剖面图完全一致，而且在模型修改后，平、立、剖面图只需更新计算即可全部自动更新。原有的标注信息依旧会保留在图纸中，不会丢失。如图19、图20。

ISO单管轴侧图。通过使用IsoExtrator，ISO图能智能化地从三维模型中提取，标注、标签和材料表（材料表包括切管长度、隐含材料如螺栓、螺母等和焊接形式）等信息也可以自动生成。设计人员能根据不同的管线号、不同的系统和不同的回路等属性，将其任意组合，生成独立的ISO图文件。单管轴测图的属性完全与三维模型中的相应管件的属性相同，因此，能够通过点取ISO图中的任意管道和阀门、管件等符号查看其属性。

能够进行自动和手工标注。标注内容和形式能够很方便地进行定义，标注的内容也可以任意修改，材料清单能够自动更新。标注的内容和深度可以通过定制满足国际和中国电力设计标准的要求。如图21：

通过实际工程中的实践，得到了传统二维设计与四段式三维数字化协同设计的效果的对比：二维设计的可视化较差，对于碰撞检测没有完善的解决方案；二维的信息集成度较低，很难规划出参数化快速建模的方案；二维设计的标准化以及数据的管理较差，而三维设计时，相关标准以及数据可以在设计的时候自动监测，并纠正不正确的设计；三维设计的协作工作能力较二维强。