PDMS三维设计软件在模块化设计中的应用

王 辉

中国石油工程建设有限公司华东设计分公司 青岛 266071

PDMS三维设计软件在模块化设计中的应用

王 辉

中国石油工程建设有限公司华东设计分公司 青岛 266071

以某项目为例，首先介绍PDMS三维设计软件的特点、项目和数据库的建立以及在模块化设计项目中数据的结构层次与命名特点；然后介绍模块化设计项目中PDMS三维设计软件在管道设计、结构设计、仪表设计、电气设计中的一般应用和模块化设计的特殊要求；最后简要介绍PDMS三维设计软件的校核方法及模块化设计对存档文件的特殊要求。这些方法将为广大设计人员应用PDMS三维设计软件进行模块化设计提供有益参考。

PDMS应用 模块化设计 管道设计 结构设计 仪表设计 电气设计

随着世界经济的飞速发展和我国工业企业“走出去”战略的稳步推进，催生了大量地处经济不发达或政策、环境苛刻地区的工程建设项目。为了规避项目建设地种种不利因素，起源于海上石油钻井平台的模块化工厂建设技术被应用到了更广阔的领域。由我公司承担设计的某300亿方/年天然气处理厂项目就是采用模块化设计的世界第二大天然气处理厂项目。

模块化工厂建设的基本步骤是：确定模(橇)块规格→模块设计→异地制造→长途运输→现场安装→现代化工厂。为了满足长途运输和现场安装的要求，对模块设计的完整性、尺寸控制、重量控制和精确度要求极高，因此，先进的工厂设计软件是必不可少的工具。PDMS软件作为应用普遍且相对成熟的三维设计软件之一，在模块化设计中发挥着重要的作用。

本文主要以管道设计专业为主线，介绍该软件在模块化设计中的应用。

1 PDMS三维设计软件简介

PDMS(Plant Design Management System)是英国AVEVA公司(原CAD Centre公司)的旗舰产品，它是以数据而非图形为中心的大型三维工厂设计管理系统[1]。自1977年第一个PDMS商业版本发布以来，已逐渐成为大型、复杂工厂设计项目的首选软件系统。

PDMS三维工厂设计管理系统主要具备的特点：① 实现了由二维逻辑模型到三维实体模型的转变；② 拥有独立的、结构合理的、可恢复性好的、安全性高的数据库，不依赖第三方数据库；③ 实现了多专业实时协同设计，使每个人员在设计过程中可随时查看其它人员的模型；④ 实现了实时数据一致性检查和三维碰撞检查，保证了设计结果的准确性；⑤ 实现了材料的自动统计，可根据业主的要求随时统计出精确的材料；⑥ 具备开放的开发环境。这不仅可以使输出的图纸、材料表等符合设计单位各自的规定要求，而且可以根据需要进行二次功能扩充开发，这一点特别适用于模块化设计；⑦ 涵盖了工厂设计的全过程。这不仅保证了工程设计的连贯性和一致性，更能有效的满足现代工程设计对质量和进度的要求。

运用PDMS三维工厂设计管理系统，从项目开始至最后存档的基本步骤，见图1。

图1 运用PDMS软件完成设计的基本步骤

2 PDMS三维设计软件的应用

2.1 工程项目的建立

(1)根据项目名称在PDMS软件中生成一系列项目文件夹，并将这些文件夹存放到指定的服务器上，为本项目组成员设置相应的共享访问权限和访问路径。

(2)进入PDMS的Admin模块创建Team、User和Database。Team是PDMS软件的权限管理分组，在Team组里面的User具有本Team下的Database的操作权限。User是项目组成员，通过User控制每个人在每个Team下的操作权限。Database是项目数据库，分为设计模型数据库，平面出图数据库，结构模型数据库等。

(3)将数据库文件加载到MDB中，设计人员通过选择不同的MDB就可以看到不同的分区。

2.2 PDMS数据库的建立

PDMS软件是以数据为中心的设计系统，因此，数据库是整个项目运行的基础[2]。项目伊始，需要由专业人员建立数据库，它分为元件库和等级库。

元件库是等级库的基础。在建立元件库之前，需先根据元件的类型、尺寸、磅级设置好编码规则，之后材料组人员在做等级时，根据编码把原件和等级的内容关联起来，最后将等级导入PDMS数据库中。这样，在创建模型时可以找到相应等级下对应的管件。

在模块化设计项目中尚应注意，由于运输条件对模(橇)块的重量限制，需要添加管道及其组成件的重量信息。

2.3 PDMS软件数据结构层次与命名

在PDMS软件中，管道、设备、结构、仪表、电气等数据是严格按照树状结构层次进行命名、存储和管理的。在层次结构中，第一层是WORL，代表装置的定位点，一个项目只有一个WORL层；第二层和第三层分别是SITE层和ZONE层，一个项目中有多个SITE层和ZONE层。

由于模(橇)块在制造、称重、吊装、运输、安装等过程中具有一定的独立性，所以，装置中模(橇)块的设计、校对、审核、出图、出料等是以模(橇)块为单位，这就使得在模块化工厂设计工程中PDMS的层次划分与命名不同于常规项目，见图2。

图2 PDMS层次划分与命名

2.4 主要专业设计模块

PDMS是以管道设计专业为主体的多专业协同工厂设计系统。在设计过程中，管道设计专业、土建专业、结构专业、仪表专业、电气专业等均在PDMS设计平台中建立本专业三维实体模型，从而实现设备、管道、结构、混凝土基础、仪表、桥架、电缆等之间的协同，并100%反映现场实际情况，解决了碰撞、操作、通行、检修、模(橇)块间及其与外界的管道连接等问题，从而提高了设计质量，最大限度的降低了现场出现设计问题的可能[3]。

但是，受各专业PDMS软件应用水平、设计习惯等因素的影响，传统项目一般只有管道设计和结构专业应用PDMS软件进行设计，其他专业基本采用传统方法，不参与协同设计。而在本项目中，为满足模块空间、重量限制以及减少现场施工量，对模型提出了近乎100%建模要求，因此，除管道设计和结构专业外，土建、仪表、电气等专业均在PDMS平台上进行实体模型设计。

2.4.1 管道设计专业

管道设计是整个装置设计的难点。在采用CAD等二维设计软件时，管道设计费时费力且容易出错；在采用PDMS三维设计软件时，管道设计可以准确、直观、高效的完成。

管道设计专业的工作内容主要包括设备建模、初步的结构建模和管道建模三大部分。

(1)设备建模需点击Design→Equipment进入设备设计模块。

设备建模常用“标准设备模板”和“拼接”两种方法生成设备模型，若已有近似的设备模型则可使用“外部宏文件导入”的方法创建设备模型。选择某一方法，依据上游专业或设备制造厂提供的图纸，建立设备及其基础的等比例模型，并依据装置平面布置图将其准确定位。

设备模型建立完成后需根据其上管道的设计和设备自身特点等限制因素，不断调整裙座高、基础高度、开口方位等，确定之后即可通知设备专业、结构专业和土建专业开展相关工作。

图3 某模块内的设备模型

在模块化设计过程中尚应注意：① 模块内设备的基础均为型钢结构，而非混凝土结构；② 设备基础生根在模块底板梁上，而非钢格栅(或花纹钢板)上；③ 注意模块钢结构对设备检修的影响。本项目中某模块内的设备模型见图4。

图4 某模块的设备模型

(2)结构建模需点击Design→Structures进入结构设计模块。

管道设计专业创建的结构模型一般包括梁、柱、平台、开洞、梯子、基础、管墩、棚子、房子、需要结构专业设计的支架等。虽然这些模型只是初步的，并不在最终文件中出现，但必须保证包括长、宽、高、定位、外廓大小等在内的设计意图的准确表达，以便结构专业对其进行精确的计算和细节上的处理。

在模块化设计过程中尚应注意：① 多数传统项目钢结构的定位是以柱子中心为基准点，但在模块中是以底板梁的外廓为基准点；② 由多个组块构成的模块需在立柱上表示出拆分点的准确位置；③ 橇块或组块的大小不能超出运输限制条件。本项目中由管道设计专业创建的某模块的三维结构设计模型见图5。

图5 某模块的三维结构设计模型

(3)管道建模需点击Design→Pipework进入管道设计模块。

在PDMS软件中，管道设计是根据管件来确定管道走向，即当弯头、阀门等管件的位置确定后，管道会相应地自动连接。同时，该软件会依据设计原则自动进行诸如端面类型是否匹配、管径是否一致等属性检查并直观，可随时判断模型创建是否正确。此外，PDMS软件还提供了非常强大的管道编辑功能，除了能对已经创建的管道进行移动、旋转、复制和镜像等外，还可以方便、快捷地在水平管或坡管上进行斜管连接，使原本需要大量计算的设计变得简单易行而又准确。

PDMS软件还能进行支吊架的设置，从而使整个管道设计更趋完整。

在模块化设计过程中尚应注意：① 管道的布置必须满足运输的要求；② 由于模块内空间狭小，对管道的紧凑布置提出了更高的要求；③ 模块化设计需要对橇块或组块进行重量和重心计算，并且检查狭小空间内管道支吊架设置是否正确、合适。因此，PDMS软件的逻辑支吊架不能满足模块化设计的需求，需要对PDMS软件进行二次开发，使其具备设置实体支吊架的功能；④ 由多个组块组成的模块需要拆分后运输，因此需要根据要求巧妙的设置管道拆分点。本项目中管道设计专业创建的某模块完整的三维设计模型见图6。

2.4.2 结构设计专业

结构设计专业进行结构建模时进入的设计模块与管道设计专业进行结构建模时进入的设计建模是相同的，所不同的只是进入的SITE层不同。

图6 某模块完整的三维设计模型

结构设计专业进行结构建模有两种方法，一种是与管道设计专业进行结构建模的方法基本一致，另一种是通过结构设计专业的计算软件与PDMS之间进行相互转换。结构设计专业的主要工作流程：首先依据管道设计专业、设备专业等的委托进行结构强度、结构稳定性、节点强度计算，然后进行模型的创建工作。

在模块化设计过程中尚应注意：① 在传统项目中，需要注意斜撑、结构梁等对设备检修、阀门操作与检修、通行的影响，在模块化设计项目中对此要求更为苛刻，这就要求结构模型更加准确、精细；② 为了组块的拆分运输与现场组装，组块拆分点、外挂梯子平台、组块与基础的连接等处应采用螺栓连接；③ 为了满足运输对橇块、组块的重量限制，结构设计专业需要在模块设计完成后进行重量计算，该功能需要对PDMS软件进行二次开发；④ 为了设置吊耳，结构设计专业需要在模块设计完成后进行运输条件下的橇块或组块的重心计算，PDMS软件具有重心计算的功能，但功能过于简单，数据库不完整，因此仍然需要进行二次开发。

2.4.3 仪表专业

仪表设备、桥架、电缆敷设建模分别进入Equipment、Cable Tray和Cabling System模块。

建模时，先建立仪表专业SITE层，在SITE层下建立EQUIP、CABLE TRAY、CALBE等ZONE层，再在对应的ZONE层下进行仪表设备、电缆桥架、电缆建模。仪表设备、电缆桥架、电缆都需要根据实际情况进行定制开发，把定制好的模型导入到数据库中，使用时进行调用。

在模块化设计过程中尚应注意：① 在传统项目中仪表模型及其定位只是示意，而在模块化设计项目中要求准确创建；② 空间占用尽量小；③ 仪表管线应在模型中精确表示。某设备上仪表的桥架和电缆三维设计模型见图7。

图7 仪表桥架和电缆三维设计模型

2.4.4电气专业

电气专业需要依据管道专业和结构专业创建的三维模型，通过Cable Tray或Cabling System完成桥架建模，通过Cabling System完成电缆的自动敷设，通过General完成灯具、配电箱和操作柱等的建模。

在模块化设计过程中尚应注意：① 传统项目中电缆路径仅为示意，而在模块内通过Cabling System规划的电缆路径要求较高的准确度和可实施性；② 模块上的照明灯具应准确建模，这样才能有效避免碰撞的发生。本项目中某模块上灯具的三维设计模型见图8。

图8 某模块上灯具的三维设计模型

2.5 PDMS软件的设计校核

PDMS软件的设计校核可分为系统自动校核和人工校核。目前，应用最广泛、最成熟的系统自动校核功能是管道的数据一致性检查和碰撞检查；人工校核是在三维模型设计过程中，校审人员依据设计输入对模型的校审，既可是某个专业内部校审，也可是阶段性的、多专业共同审核或业主审查[4]。

2.5.1 自动校核

PDMS软件可以通过对模型中的管道进行数据一致性检查和碰撞检查并生成报表，从而真实、准确、快速地反映出存在的问题。

在做数据一致性检查前需对诸如虚线状态等明显错误加以处理，然后在管道设计模块下点击Utilities→Data Consistency进入检查功能。数据一致性检查主要检查：① 角向对齐，即检查需要连接的元件间是否处在同一个方向；② 轴向对齐，即检查需要连接的元件是否沿同一轴线对齐；③管径一致，即检查需要连接的元件管径是否一致；④连接形式，即检查需要连接的元件连接形式是否匹配；⑤ 最小直管段，即检查直管段长度是否小于预设值。

三维碰撞检查可实时进行，也可在设计完成后统一进行。检查结束后，窗口中输出碰撞报告，同时高亮显示碰撞位置。

在模块化设计过程中对于数据一致性检查并无特殊要求，但对于碰撞检查较传统项目要求更高，这是由于模块内设备、管道、仪表、钢结构等布置极为紧凑，容易导致碰撞，如果碰撞是在制造过程中被发现，则修改极为困难，就会影响项目进度和质量，所以，采用模块化设计，碰撞问题必须全部在设计阶段解决。

2.5.2 人工校核

三维设计与二维设计校核相比更直观，更全面，更快速灵活，并且可以贯穿设计的全过程、全方位。

经过多年的实践，对PDMS软件的校核功能进行了二次开发。安装该工具后，校审人员可以方便的将校审意见与存在问题的模型关联、拍照、保存并邮件通知设计人员；设计人员可以在PDMS中调出该工具，点击校审意见记录后可以显示详细的校审意见并自动显示存在问题的模型，甚至可以在“修改意见”栏表达自己对校审意见的不同看法。当所有的校审意见处理完成后可以生成包含问题模型截图、校审意见、处理结果的报表，从而作为项目资料存档。

2.6 设计文件的生成

PDMS软件是基于数据库的智能设计系统，一旦完成管道建模并通过校审后，可以自动生成最终的设计文件，主要包括“切平面图”(即生成管道平面布置图)，可利用Draft模块从不同标高切取管道平面布置图；“抽单管图”(即生成ISO图)，可利用ISO Draft模块自动抽取单管图；“开料”(即生成料表)，可利用Report功能自动生成料表，完成材料统计。

虽然PDMS软件具有强大的出图、出料功能，但也存在平面图标注混乱甚至重叠，复杂管线ISO图切分不合理，后期需要处理以便使图、表格式符合标准规范或规定的要求，解决上述问题需要进行客户化的定制或二次开发，这样才能全自动化的生成令人满意的、符合标准规范或规定要求的图纸、材料表。

在模块化设计过程中尚应注意：① 多个模(橇)块可以在同一制造厂也可以在多个制造厂同时开工制造，因此，发往模块制造厂的施工文件需以橇块或模块为单位编制，而发往现场的施工文件却应以装置为单位编制；② 有些采购周期长的仪表调节阀、控制阀、材质特殊或制造工艺特殊的阀门等会直接发往现场，为了清关的需要，发往模制造厂的施工文件中需用直管段代替，而发往现场的施工文件中应将其准确体现。

3 结 语

模块化设计具有一些不同于传统项目的特点，它不仅对设计软件，同时也对人员的软件使用水平甚至工作模式提出了更高的要求。

前者要求设计软件从二维转向三维，并具备或可开发出适合模块化设计的新功能。PDMS软件可提高设计质量，降低设计人员的工作强度，加快设计和施工进程，增加经济效益，使三维设计代替二维设计由趋势变为了现实。

后者要求各相关专业在同一平台上协同设计，做到“所见即所得”。实现多专业协同设计，而且绝大多数委托条件已由上游专业出图改为上游专业通知，下游专业在模型中抽取的方式，大幅提高了准确性和时效性。

1 成 英，闫书磊，吕保国.VANTAGE PDMS在大连PX芳烃联合装置中的应用与体会[J].广州化工，2009，37(6)：200～201.

2 张志凤.PDMS软件在兰州高压聚乙烯配管中的应用[J].化工设计通讯，2007,33(1):43～45.

3 王 毅.国外项目PDMS三维设计及模型进展检测[J].当代石油化工，2011,195(3):35～38.

4 梁亚栋，刘三军，罗智平·PDMS 3D的工程化应用[J].山东化工，2014,43(7):157～158.

2016-04-19)

*王 辉：工程师。2006年毕业于中北大学(原华北工学院)化工与环境学院化学工程与工艺专业。从事石油化工管道设计工作。 联系电话：(0532)80950854，E-mail：wanghuipg@cnpccei.cn。