三维设计在某海外工程中的优势分析

何坤鹂

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

在工业项目中,管道和线缆的布置较为复杂，要在有限的空间内， 使各专业管线布局既能满足工艺要求、设计规范，又便于施工维修，还能合理规划空间以保证安全通行，并充分考虑后期预留等，是一项费时费力的工作[1]。三维设计作为一种新的设计理念和先进的设计手段，经过近些年的实践与推广，其优势越来越明显，已逐步在各种大型项目，尤其是海外项目中得到广泛应用。

1 二维设计、三维设计模式对比

1.1 二维设计模式与缺点

二维CAD 设计作为传统的工业项目设计手段。相较于最初的手工制图，确实有利于提高设计效率，但其缺点也很明显。二维设计的工作模式是：设计方利用积累的设计经验结合项目现状设计出二维图纸；施工方依据图纸制定施工方案。在施工过程中遇到诸如碰撞等情况时，施工单位通常会暂停施工，与设计方沟通、确认解决方案后，再继续施工，直到项目完工。 这种工作模式，往往难以控制项目的工期。

此外，以管道设计为例，二维设计确定管道定位、标高和走向，只能抽象规划管线，准确度不高，材料量统计靠人工测量、计算，为保证材料充足，一般习惯上会乘以一个系数，从而造成不必要的材料浪费。

1.2 三维设计思路与优势

三维设计思路是：先按照工艺需要、进度计划的要求，结合设计资料及工程经验建立设备、结构和管道的三维模型，制定出初步设计方案；将建立好的三维模型托管到三维工作空间， 对各专业模型进行组装，模拟施工现场的情景。通过组装好的模型可直观地从三维视角检查各类模型间的相对关系、 碰撞情况，便于发现不合理的设计，在施工前及时修订、优化设计方案，减少设计误差，直至得到最佳的设计方案。 这种设计模式，极大地提高了施工效率，也提高了设计的精细化程度。 同时， 由于三维设计建立的3D 模型及所有组件都是根据实物1∶1 的电子模拟，尺寸和实际一致,可以用测量工具准确量出尺寸和距离，精确地调整管道的定位，解决碰撞问题，有效避免了施工安装过程中因发生碰撞造成的返工。

另外， 三维设计中的材料量可以根据实际模型的数量和长度自动统计，节省了人工计算的工作量，数量统计的准确度高，能有效节约10%的材料成本。

以某海外工程为例， 图1 为该项目电积车间设计过程中发现的泵出口管道碰撞问题， 图2 是该项目电积车间不同方向液体管道产生了碰撞。 这些碰撞问题，在设计阶段被及时发现，避免了后期可能造成的返工。

图1 电积车间泵出口管道碰撞

图2 电积车间不同方向液体管道碰撞

2 三维设计优势在某海外项目中的体现

2.1 某海外项目简介

刚果金某湿法冶炼项目为一个典型的改造扩建项目，1997 年至今已经多次更换业主。2006 年，该项目由某海外公司进行设计，3 年后该项目与当地政府谈判发生争议，暂停建设。当时设备部分采购，并未完全安装。 2012 年项目业主又一次变更，次年由另一家海外工程公司开始工艺设计修改，同年下半年因资金短缺，项目再次暂停。 2015 年，中国瑞林工程技术股份有限公司（以下简称“中国瑞林”）承接了该项目的设计工作。

2.2 设计模式选择

中国瑞林经过重新评估，认为需要在原有设计的基础上作出设计修改。 针对该项目多次更换业主、 多次设计并经历了较长的建设周期的特点，中国瑞林在该项目中采用了目前世界上通用的Bentley 三维设计软件进行设计，取得了优良的设计效果，获得业主的好评。

2.3 某海外项目中的三维设计优势分析

1）在改扩建项目中引入Bentley 三维设计，能高效弥补原有设计的不足。 原有设计系某海外公司采用二维手段设计，其图纸习惯和国内有差别，图纸消化耗费时间。 如果用传统的二维设计思路来做这个项目，需要设计人员在大脑中重构原有设计现场画面，费时费力，且准确性低，极容易忽略细节。而三维设计思路，是首先用三维建模技术还原原有设计，再结合各专业工艺要求，直接在模型上对原有设计进行检查、修改，这种方式可显著提高设计效率。 在该项目建模过程中， 设计人员发现原二维图纸中的尺寸标注、标高等信息出现多处错误。通过采用三维手段对错误进行了纠正对原方案进行改进， 使设计更合理、准确。 该项目按照原二维设计图纸建立三维模型时，发现管道出现碰撞情况示例见图3。

图3 原二维设计电积车间含酸介质管道出现碰撞

由图3 所示，电积车间1 根含酸介质管道和工艺主管发生碰撞，实际施工时是无法安装的。这种情况在原二维图纸中无法直观反映，很容易在设计过程中被忽视，而只能留待施工过程中再反映出来。采用三维设计手段后，该问题在三维模型中及时被发现并得以修正，免去了返工工作量。 根据实际管位空间情况和工艺条件，修改后的电积车间含酸介质管道见图4。

图4 修改后电积车间含酸介质管道

由此可见，在改扩建项目中，利用三维模型能直观地反映出管道、设备与结构之间相对空间关系，对原有设计作出的调整更为客观，更有价值，在解决有限的空间内管道碰撞问题更为高效。

2）以PID 管道流程图为基础建模，能够直观检查管道布置的合理性，利于优化设计方案。工艺管道PID 流程图是管道三维设计的依据。 工艺管道PID的绘制一般是根据工艺需要进行的， 往往没有考虑到复杂的现场环境（包括设备及结构件的特殊位置、管线规划线路等各方面因素）， 等到现场施工时，则往往会出现管道无法正常连接的情况。 根据PID 管道流程图建立的三维模型， 能直观地观察到管道的连接情况，便于检查PID 管道流程图的合理性，发现PID 中的不足，从而优化PID 的设计，使其更符合工程实际情况。以该项目设计中，电积子项与综合管网对接处管道模型为例(图5)：根据该工艺管道的PID图， 此处需要有2 根进水管，1 根DN50， 另1 根DN300。 然而通过三维建模，发现这2 根进水管的方向是平行的， 而此处管网的管位空间有限， 经过计算，考虑将原有的2 根给水管合并为1 根DN300管道，再从DN300 给水管上分出1 个支管供水。

图5 电积子项与综合管网对接处管道模型

3）采用协同设计管理平台，便于协同工作和项目管理。在大型项目中，三维建模提高设计效率主要体现在多人协作同时设计上。 大型建设项目子项多或者规模大，往往由多人负责某个区域或者不同子项的模型建立。 通过将不同子项的模型托管到1 个数据托管平台上进行组装， 就可以得到整个项目的三维模型。 通过组装文件，能直观地了解到各子项、各专业的对接点是否存在误差或冲突，便于调整；也有利于相关方进行项目进度管理。

该项目工艺包括尾矿回收、浸出等7 个子项，以及供水、供电等10 个公辅设子项。 项目采用Project Wise 软件作为协同设计管理平台， 各子项同时建模，并利用Project Wise 软件进行组装。 由于该项目规模大， 子项组装可以根据需要部分组装或者整体组装，操作灵活，各专业间实现了边设计边对图，有效统一了不同子项、不同专业间的设计。图6 为该项目铜电积储罐子项和电积车间子项的组装模型。

图6 子项间三维模型组装

基于元件库和等级库建立的三维工厂模型，能自动生成施工交付文件，如管道轴测图、平立剖图[2]和支吊架详图等。 而通过ProjectWise 平台，项目团队可以在不同的工作地点同时共享项目资料， 共同完成设计任务[3]。 各专业的基础设计资料、三维信息模型、 抽取的二维图纸及工程量统计表也使用该平台进行管理，通过相应的人员及权限管理，使多个专业的工程师可以共享数据和模型， 避免了二维设计阶段各专业间未按序提交设计资料和因为资料不统一造成的设计错误。 同时，建设方、设计方和施工方也可以在设计前、中、后期随时共享上述信息，使三方对于项目进度的掌控和管理更加直观、便捷。

3 经验与启示

海外项目与国内项目有着明显的差异。比如，设计标准不同、提交设计成果及深度不同、专业划分不同等，且海外项目往往规模较大、工期紧，技术难度高，对设计质量要求高，一旦发生设计变更或施工安装过程中的返工状况，延误工期，则可能造成更昂贵的代价[4]。 尤其对于此类改扩建项目而言，由于涉及到的变更更多，且存在原设计资料不完整或设计资料与现场实际情况不符等情况，三维设计更加凸显了其优势。

三维设计能可视化模拟设计成果， 使设计方案的空间规划更为直观， 为科学地修改设计方案提供有力保障。在以往采用三维设计手段的海外项目中，施工阶段错误少，施工顺利，工期能得到有效控制，受到业主和施工单位的一致好评。 此次该海外项目充分利用Bentley Open Plant Modeler 三维软件及Project Wise 协同设计平台，快捷地整理、消化了原有设计的问题，并在此基础上继续进行设计，大大提高了工作效率，满足了项目要求，其经验值得在类似海外项目中借鉴推广。

4 结语

三维模型是三维可视化技术的产物， 通过托管平台，实现多方参与施工方案预演，可不断优化设计和施工方案；统计材料精准，减少了施工服务的工作量。目前，很多项目都已经受益于三维设计带来的便利。 随着国家重视制造业的智能化、信息化发展，工程数据对接项目管理为三维设计技术的发展提出了工程项目数字化移交的新要求。 相信随着信息技术的发展，未来三维数字移交模式将更为广泛地为广大业主单位和设计单位接受，并使三维设计在海外项目中发挥更大的作用。