基于Intergraph Smart 3D的电厂空间管理及优化

■ 中机国能电力工程有限公司 龚佳琦 李梦顺

1.引言

火力发电项目具有项目体量大、涉及专业多、专业间设计协同度不足、设计资料更新不及时等问题，导致设计人员对设计空间管理存在较大的困难，如在设计过程中阀门位置放置不当，使得阀门操作不便；管道空间布置不合理，未能给维修人员留出足够的维修空间；专业之间协同不足，施工过程中不同专业之间出现物理碰撞，需要修改设计方案等。一个合理的电厂空间管理包含安全、功能、成本及美学4个层面，设计人员需要在保证电厂安全及功能的前提下，尽可能地节约工程成本，并追求电厂整体布局的整齐美观。电厂空间管理的合理性、准确性、科学性，将直接影响项目后期的施工进度、质量及成本。使用Smart 3D 的三维可视化、专业集成以及碰撞检查功能进行电厂的空间管理及优化，可从根本上提高设计质量。

2.影响设计过程中空间管理的因素

大到功能区的划分、设计空间的整体布局，小到管道走线、阀门的放置，都是电厂空间管理的内容。三维软件仿真度的优劣、设计规则的制定、专业协同的手段，是影响空间管理的重要因素。

2.1 模型部件的精度

阀门手轮和管道相撞、阀门下阀体穿楼板[1]等细部问题是火力发电工程中常见的问题，在三维设计中，模型部件外形精度的高低会影响设计人员对设计空间的细部掌控，对是否能合理地利用设计空间起到至关重要的作用。

Smart 3D 软件以数据为核心[2]，数据库管理人员可根据《2000典管》《阀门清册》等定制高精度的模型部件，建立模型部件库，设计人员可以更加真实地模拟出不同部件的实际占空。

Smart 3D 中的模型部件的创建，可以通过参数化、非参数化以及导入外部文件来实现[3]，外形简单、参数化可行性高的部件（如典管部件、标准阀门、常规小型设备等），可以通过运用VB 程序或Solidage 软件进行小型设备以及管道部件的参数化设计；厂家定制的大型设备（如汽轮机、锅炉等）则运用Revit 进行单独定制，以保证设备的精准性。（图1）

图1 管道部件/设备定制流程

图2 专业分工与协同设计

2.2 设计规则的制定

相对于二维逻辑设计而言，三维布置设计更直观、方便。对于如何运用三维设计平台进行更合理的设计空间布局，需要在设计前对整个建筑空间和设计流程提出合理的规定。

规定内容包括：

(1) 制定合理的人行通道宽度和高度，以免阻碍人员通行；

(2) 规定阀门的最高安装位置，以免对工作人员操作造成不便；

(3) 模块化设计，尽量做到设备、管道、仪表的整齐划一；

(4) 确定同专业设计内容的优先级，以“先主后次、次要避让”为主要原则。如管线设计时，优先进行四大管道的定位和设计，再设计其他；

(5) 确定不同专业设计内容的优先级，以设计变更难度小的配合设计变更难度大的。

……

Smart 3D 软件提出Operation（操作空间）、Mainten ance（维修空间）的概念，设计人员可按照规定内容进行空间的预设，如汽机房管道走线前先利用Maintenance 功能对主要人行通道进行占位，在设计前期就可以避免出现空间布局不合理问题。

2.3 专业协同

传统基于文档的设计管理方法既耗时又费力，而且严重依赖容易出错的重复性人工活动。Smart 3D 软件基于SmartPlant Foundation 进行数据集成、整理、加工等，实现跨专业的数据复用、自动升版控制和变更管理、统一输出。自动化和数据复用使非增值性工作不占用宝贵的时间，自动化变更管理和版本控制确保及时向下游工作流程提供设计变更，使设计保持连贯和通畅，避免在设计过程中因专业提资不及时发生专业碰撞问题。（图2）

3.基于碰撞检查功能的空间优化

3.1 碰撞检查

IFC Customization 插件是海克斯康PPM 为Smart 3D 研发的一款碰撞检查软件，可对空间布局合理性进行检阅，成为空间优化管理的依据。

在Smart 3D 环境下，对全厂设计的管道、结构、设备、电气等进行碰撞检查、提高净空利用率、优化管道走线，为设计空间优化提供技术支持。根据设计需求，将碰撞检查分为两类。一类为物体间的直接物理碰撞（硬碰撞）；另一类为物体与预留空间的碰撞（软碰撞）。预留空间是指管道保护层、阀门操作空间、巡检维护空间等。碰撞检查的方式则由碰撞检查规则驱动，由加载的Excel 表进行控制。

3.1.1 碰撞检查规则的优化

运用“IFCRule.xls” 文件中的“IFCClearanceRule”表定义Smart 3D 工程中的碰撞规则。《火力大电厂汽水管道设计技术规定》第5章“管道及附件的布置”中，对“IFCRule.xls”文件做了相应的编辑，以满足实际工程需要。

碰撞检查规则又分为碰撞规则和忽略规则。碰撞规则中按照软碰撞和硬碰撞，制定不同的净空距离，如管道保温层与墙体之间的净空距离不小于150mm，净空距离低于150mm视为碰撞。（表1）

表1 碰撞规则表

忽略规则是对不必要的碰撞内容进行忽略，如结构本身存在多种关联关系，碰撞检查时会检测出大量关联点的碰撞信息，但此类信息在设计过程中必然发生，设计人员无需关注，因此，需要定制忽略规则，忽略结构与结构本身的碰撞。（图3）

图3 忽略规则

3.1.2 碰撞报表的自动生成

Smart 3D 软件提供碰撞报表自动生成的功能，碰撞报表由碰撞点三视图和碰撞信息汇总表两部分组成。碰撞信息汇总表能自动进行信息汇总，显示单个设计人员设计成果中碰撞点的个数，方便设计人员设计进行设计复查、变更，校审人员可以通过碰撞报告直观了解到当前设计问题，提出设计变更意见，在设计阶段就发现设计中的不合理。（图4、图5）

图4 单人设计碰撞个数汇总

3.2 电厂空间优化

3.2.1 阀门安装位置优化

每个手动阀门和主要电动阀门都应预留相应的检修空间或操作空间。Smart 3D 提出的Operation 概念，在进行阀门DLL 文件编写过程中可同时定义维修空间的大小。（表2）

图5 碰撞信息汇总表

表2 阀门碰撞规则优化表

通过定制阀门碰撞检查规则，来优化阀门的安装。在碰撞检查规则中定义不允许任何其他管道、设备、建筑与其产生软、硬碰撞，并满足最小净空距离，但该阀门的维修空间一定要与楼板产生软碰撞。这样不但保证了阀门的维修空间不会被其他部件占用，同时还保证了该阀门在维修人员触手可及的高度，无需增加不必要的操作平台，节约土建建设成本。

3.2.2 电厂功能区优化

液氮贮存设施、通风冷却塔的布置间距，氢站、燃油设施、液氮贮存设施与其他生产、辅助建筑的排布等，都需满足《大中型火力发电厂设计规范》中的关于电厂功能区布置的相关要求，通过Smart 3D 中Volume 的功能对各类功能区域进行框定，通过定制相关功能区的碰撞规则对电厂功能区排布进行合理性检查，优化电厂空间布局、提高设计质量、保证工程安全。

4.总结

Smart 3D 拥有开放的数据库、灵活的三维设计界面、高效的专业协同平台，为设计空间的管理和优化奠定了基础。在设计准备阶段，可利用Smart 3D 平台中Operation、Maintenance 等，根据设计规则进行初步的设计空间布置和占位。在设计阶段，Smart 3D 高效的专业协同能力提高了设计人员对空间整体布局的掌控；精准的模型部件和可视化的三维视角提高了设计人员对细部空间的把控。在设计后期，可利用Smart 3D 的碰撞检查功能对设计内容做最后的检验，保证电厂设计的空间合理性。