制药机械及其管路三维模型的建立

宋 波 罗 香 陈 勇 刘雪松 侯建雄

（1.苏州浙远自动化工程技术有限公司，江苏苏州215163；2.苏州泽达兴邦医药科技有限公司，江苏苏州215163；3.浙江大学，浙江杭州310058）

0 引言

随着工业化和自动化水平的不断提高，人们对产品的多样化和个性化要求也越来越高，产品更新换代的周期日益缩短。基于此，产品设计部门的工作量越来越大，在这种情况下，工程设计人员对提高产品设计效率的需求也变得越来越迫切。目前，制药机械及其管路的设计人员最常使用CAD等画图工具，对于缺乏相关设计专业知识的安装施工人员来说，阅读二维CAD制药机械及其管路图纸时，往往容易对工艺流程的理解产生偏差，给制药机械的加工和管路工程安装造成一定的麻烦。

本文针对制药机械的功能特点，研究了制药机械及其管路的三维模型库，并构建了标准化的制药机械及其管路三维模型，制药机械和工程设计人员在设计开发制药机械新产品时，可根据功能需要，调用模型库图形数据进行选型设计和模型组合设计，提高工作效率。同时，为工程实施提供直观的三维结构图形，确保机械和管路安装符合制药工艺要求。

1 国内外工艺管路设计软件比较

目前国内常用的设计软件是AutoCADPlant 3D，它是一款专业的三维工厂设计软件，该软件可以对工厂进行设计、建模和文档编制。基于熟悉的AutoCAD软件平台，工厂设计师和工程师运用AutoCADPlant3D能够创建先进的三维模型。其等级库和元件库，可以有效简化管道、设备和支撑结构的放置流程；集成了AutoCAD软件功能，可以帮助创建和编辑管道与仪表流程图，并根据三维模型协调基本数据，生成和共享等轴侧视图、正交视图和其他文档。AutoCADPlant3D内置在Autodesk PlantDesignSuites中。它的功能设置主要有：

（1）工作空间——专门面向三维工厂设计的用户界面；

（2）等级库和元件库——基于等级技术和ANSI/ASME（B16）、DIN/ISO等标准元件库，可以通过修改元件库，满足特定项目要求；

（3）管道、设备和结构——以半自动或手动方式创建基于等级库的管线和元件模型，包含一个可定制的标准设备元件库，从外部参考或以参数化的方式创建结构元素，确认冲突；

（4）施工文档——生成精确的ISO图、正交视图和其他文档；

（5）搜索和报表——查询和处理数据，生成材质报表，导出至PCF文件；

（6）AutodeskNavisworks兼容性——对整个项目进行审阅；

（7）规范转换器——从其他应用程序导入规范。

此外，还有PDMS、PDS等国外设计软件，但它们在我国的推广使用受到诸多制约，主要原因有：国内标准数据库不全，建立项目库的难度大，操作复杂；价格昂贵；英文界面；思维习惯和操作习惯与国内用户有很多不同；不能按医药行业特点修改软件功能；不能和CAD无缝连接；封闭等级库。

虽然AutoCADPlant3D和CADWORX都是在CAD基础上开发的软件，但是它们的功能有所不同。AutoCADPlant3D主要功能模块包括：（1）建立建筑结构三维模型；（2）建立设备三维模型；（3）建立管道三维模型；（4）模型设计检查与管理；（5）模型碰撞检查与管理；（6）效果图生成；（7）单管图全自动生成及编辑；（8）平、立、剖图自动生成及编辑；（9）材料表模板定制；（10）材料表自动生成；（11）工程数据库管理；（12）图形库管理；（13）支吊架建模及其材料统计；（14）应力计算软件接口；（15）工厂漫游及动画制作。

2 工程实施内容

结合AutoCADPlant3D软件的主要功能，笔者总结和分析曾参与过的一些医药工程项目的设计，包含的实施内容具体如下：

2.1 土木专业

该软件能够设计出土建专业的建筑（包括钢结构或混凝土结构、楼面、柱、梁、楼梯、围栏、门、窗、屋顶、楼面开洞）及柱线，还可以联合运用AutoCAD RevitArchitectureSuite软件做建筑图设计。

2.2 设备布置

该软件能够较容易地设计出项目上常见的工艺设备（如浓缩器、罐、泵、换热器、塔等）及其基脚，精确定位泵的进出口尺寸、罐的开口位置，能自动添加开口后的法兰、卡盘，能够做到先加法兰再接管，精确定位设备在厂房中的位置。在设计好的设备上修改设备外形或开口，复制后能够容易地修改设备编号、管嘴编号、管嘴长度及管嘴的压力等级。用户可以随时修改设备的位置、形状、描述等参数。设备设计完成后能够自动生成设备报表。通过用户的报表来创建自己所需的报表格式，以便直接生成工艺必需的设备表，方便插入设备。在工程参数中输入设备位号，并选择使用设备位号分层。设备布置完后可以进行移动、拷贝等操作。设备基础也需要进行布置，以方便进行碰撞检查。此外，还可以使用AUTODESK公司的Inventor软件设计复杂的设备和参数化设备。

2.3 管道安装

该软件包含多种布管方式，如管件对管件布管、空间自由摆放管件、参考已存在的管件对齐、多段线辅助方式、中心线布管方式等。该软件还包含多种管道定位类型，如管顶、管中心、管底等。该软件能够方便地进行坡度管线的布置，坡度值可以输入小数和比例。布管结束后，能在已有的管道上进行修改，包括方位、定位尺寸、管径、等级等，并能够拉伸、延长或剪切管道。管道按管线号自动生成图层，便于对单根管道进行检查或修改。根据管内介质的不同，可以定义不同的管道颜色。管道上的各种标准阀门自动加法兰或卡盘。

2.4 管架

该软件能够设计出一次及二次管架。一次管架是指管架上支撑有多个管道的管架，如门字型、T型管架等。二次管架是指仅为单根管道使用的管架。设计人员可以从软件自带的管架库中选择管架类型和型号（可以自定义管架类型），生成管架报表。报表可以自定义类型。

2.5 数据管理

该软件自带元件库和等级库，其中的元件库包括ANSI（美国标准）、DIN（欧洲标准）、JIS/JPI（日本标准）等，同时用户也可以自定义元件库和等级库。元件库和等级库是分开的，方便编辑管道材料等级。参照已有的数据库建立或定义用于特定项目的特殊数据库。同时，数据库管理软件可以用SQLite编辑。

2.6 CAD兼容性

该软件是在CAD基础上开发出来的软件，可以和CAD无缝连接。

2.7 平、立、剖图

该软件一般首先生成工艺配管正俯视图，因为俯视图可以反映出装置管线的总体布置和各管线之间的相对位置。该软件可以方便地抽取任意区域、任何标高的平面和剖面图，通过智能拾取的方式标注要求的尺寸、管线号、标高和流向等工艺设计参数。由于通过软件设置了统一的标注参数，不同设计人员很容易形成一致的标注风格，使项目图纸规范、美观。根据需要设计出任意正俯视图，自动标注管道相关信息，自动标注管道定位尺寸、管架定位尺寸，自动打断重叠管道，可自定义“打横不打竖”或“打次不打主”。

目前，国内外通用的两种平面图消隐方式，一种是国内通用的工程消隐规则，即软件自动在需要反映下层管子上的阀门、管件等信息时，在上层管子上加剖断符；另一种是实体消隐，这种消隐方式只考虑上下关系，不会自动加剖断符。该软件支持多种消隐方式。

2.8 自动生成ISO单管图

ISO单管图由该软件自动生成，软件根据不同的管线号进行出图，一个管线号生成一个轴侧图文件，对特别复杂的管线一般通过设置断点分成多张轴侧图，方便图形编辑。只要轴侧图的图框定义恰当，设计人员所需的图面编辑量就很少，可直接得到成品图。对跨片区管线的单线图，由不同的设计人员分别生成，通过标注相邻管线号和转接图号来处理，可以自定义单线图。

2.9 材料表生成

该软件可以生成综合材料表、管段材料表、设备表及其他三维模型中有信息的材料表，表格的形式可以定义成自己设计院的格式。目前，材料表使用较多的是Excel、PDF格式。生成的材料表可以统计静量和动量两种。用三维管道设计软件做材料统计的好处是统计准确，特别适用于工程总承包项目，能有效控制材料费用，从而节省工程总费用。专门有软件可以出材料表，自定义用户需要的材料表。

2.10 碰撞检查

配管模型初步建立完成后，首先采用该软件提供的碰撞检查功能对管线进行检查，可以用Navisworks软件插件在P3D中时时检测管线的碰撞情况。对管线与设备之间、管线与构件之间的距离进行检查，对检查报告中提示的碰撞一般分为三类：第一类是直接碰撞，又称硬碰撞，这种碰撞是由于配管错误导致的，必须进行修改；第二类是预留空间碰撞，又称软碰撞，相邻元件的间距小于项目的一般规定，但实际并未真正发生硬碰撞，软碰撞是否需要修改视具体情况而定；第三类是伪碰撞，这是由于描述碰撞体的图形比真实的实体要大而引起的，伪碰撞一般不需要修改。对发生碰撞的管线可通过模型编辑功能进行修改调整，以满足设计要求，减少可能发生的现场修改工作量。

2.11 渲染和动画

设计模型可以导出到Navisworks中，利用Navisworks强大的渲染工具进行渲染，可以把建成的模型做成效果图，可供来访的客户和兄弟单位参观，可以作为以后项目的招投标素材，展示给业主证明设计实力，还可以把模型做成AVI格式的漫游工厂媒体播放文件。

2.12 图纸表格式样的定义

涉及项目图纸表格式样的图框和表格有平面图框、ISO图框、综合材料表和工艺管线规格表。该软件对表格的定义是完全向用户开放的，用户能够根据需要，利用软件中的表格模板模块定制自己的图表格式，并产生特定范围的材料统计表。准确的图纸表格式样大大减少了设计人员对图表的编辑修改量，提高了工作效率。

3 结语

本文较深入地描述和分析了AutoCADPlant 3D设计软件在制药机械及其管路设计中的应用。综上所述，利用AutoCADPlant3D进行制药机械及其管路设计，不但保证了设计的合理性、精确性，最大程度地避免了人为错误，大幅提高了工作效率，而且降低了设计建造费用，提高了项目工程的设计安全性。