核电站设备三维模型设计基本准则与应用研究*

尹绪雨，顾登明

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200000）

近年来，随着我国科学技术的不断发展，通过三维模型设计能够对核电站的设备进行预先模拟，能够更好地确保核电站设备在设计和应用过程中的精确性。基于此，在核电站设备的三维模型设计过程中，还应当实现设计、采购、施工等，实现智能化和一体化集成工作的开展。通过核电站设备的三维模型设计，能够提高核电站设备的施工进度及运行维护等，使核电站设备建设更加精确，确保核电站设备能够更好地投入具体的使用中。

1 三维模型设计

1.1 概念

三维建模概念是由Houlding于1994年首次提出的，其表示三维建模就是在三维环境下把设备分析、空间信息管理、设备统计学、图形可视化等技术融合在一起，并进行建模分析的一项技术。三维模型设计主要目标就是构建断网层模型、设备模型和设备体模型，一方面反映出设备构造形态，另一方面反映各要素之间存在的宏观接触关系。三维模型设计就是结合当前已有设备数据，通过各种相关原理和方法来模拟各种设备体或者设备现象中存在的几何形态以及拓扑关系。三维模型设计主要提供建立属性模型的构造和约束，直观地展现出几何学形态与设备对象存在的宏观拓扑关系。因此，必须要建立完善的三维模型设计，其他设备模型才可以得到有效的建立和表达[1]。

1.2 要素

三维设备建模有3个最基本的要素，分别是几何、拓扑和属性，它们也是构成三维模型设计最为重要的组成部分。（1）几何要素。几何要素主要表现出设备要素所处空间位置和所呈现出来的几何形态，设备对象通常情况下会采取点、线、面、体4种表达方式。（2）拓扑要素。其为几何学分支，研究对象为几何图形在不间断变形中存在的不变性质。拓扑性质包括点与直线的结合关系、点与直线的顺序关系、曲线和曲面的闭合性质，直接影响到模型表达以及质量控制。拓扑在划分上可以分为两类：第一类为微观拓扑，其反映的是在设备要素几何形态表达过程中的几何要素彼此间存在的衔接关系，通常情况下会直接存储在有关数据结构里面；第二类为宏观拓扑，其反映的是设备体彼此之间存在的宏观接触关系，呈现出来的是对于设备对象彼此间空间接触关系的一种逻辑表达方式，和本身几何形态并没有联系。（3）属性要素。属性在界定上可以分为很多，岩石物性、环境物理性质或者是几何属性，这些都可以称为属性。

1.3 设备规则

边界表达模型的实质为非流形的，然而其建模算法一般都是在流形实体上来实现的，因此，在建模的时候必须有规则来对模型的构造进行约束，这样就可以尽可能符合真实设备情况。通常情况下，设备规则主要有5个特性：设备界面的可定侧性、设备界面的不自相交性、设备界面接触关系的有效性、三维模型设计的一致性、设备约束的有效性。

1.4 三维模型设计的表达

当前，三维空间数据模型指的是有关三维空间数据组织的定义及方式，在一定程度上反映出现实生活中两个空间实体之间的关联。其可分为3类：矢量面模型、体模型和混合模型。三维构造模其实就是对于设备构造现象或者某个设备概念来做一个抽象表达，一方面要体现出设备对象的几何形态，另一方面还要反映出设备对象彼此衔接关系，这就表示三维模型设计在表达的时候必须考虑到设备对象所呈现出来的相关设备概念、本身构造的几何形态、彼此间衔接关系。所以，构造出来的空间数据模型中一定要有设备概念模型、几何模型和拓扑模型。但是，当前空间数据模型在构造的时候主要反映的是现实几何特征，而对于地址对象呈现出来的设备含义或者关系并不太关注[2]。

2 设备三维模型设计的基本准则

2.1 设计承包商对模型的深度要求

在核电站设备的设计过程中，通常分为两个步骤，一个步骤是可行性的分析，另一个步骤是施工图的设计。在初期的设计阶段，首先需要进行设计工作的可行性分析，在分析的过程中，需要对三维模型的整体设计和定位功能是否能够符合核电站设备的具体要求进行研究；其次还需要针对其参数、形状、特性、材料、信息等物理属性是否能够为核电站设备的后续施工设计打下坚实基础进行探讨。从设计的角度来看，在三维模型设计的过程中，主要需要考虑设备与周边环境的相互关系，对是否能够进行具体的施工考虑相对较少。因此，在设计的过程中还应当考虑设备的安装问题和施工问题，确保为三维核电站设备的施工与建设提供相应的保障，同时也能够确保核电厂后期的运行和维护，在极大程度上确保核电站设备建设的安全性。以江西核电站设备三维模型为例，示意图如图1所示。该三维模型示意图设计之初便充分考虑到施工和安装问题，设备整体性较强，能够有效降低安装的难度，施工相对较为简便安全。此外，在施工图的设计阶段，对核电站的项目设计工作也十分重要。通过施工图的设计，能够在初步的可行性设计基础上进行理论与实践相结合，通过施工图的设计，能够将三维模型设计的精确度控制在一个固定范围内，确保施工图的设计能够与初步的可行性分析相符合，实现核电站设备的精确施工。此时，对于如何提高三维模型设计标准性，如何把握这个标准，是当前核电站设备在设计工作中的一个主要问题，同时也是一个数字化的发展性问题[3]。

图1 江西核电站设备三维示意图

2.2 业主公司对模型的深度要求

在核电站设备的三维模型设计过程中，业主公司需要在三维模型设计后，对于设备的可行性以及可施工性进行精确的分析。在核电站设备三维模型设计的过程中，应对业主公司实现设备设计内容的逐步传递，同时不断在传递中实现设计层次的提高。此外，在设计的过程中，还应该针对业主公司提出的要求对于三维模型的具体内容进行功能性的设计。在设计阶段，主要分为3个步骤：（1）针对业主公司提出的要求建立相应的模型，同时通过不断优化实现方案的选择；（2）施工承包商需要对核电站设备的三维设计模型进行综合评估，并指导组织开展现场的实际安装和调试工作；（3）业主公司需要对核电站设备的模型进行不断的汇总和集成，同时有针对性地进行核电站设备的整体模拟以及设备维护等。通过这3个阶段能够完善当前核电站设备三维模型设计存在的问题，并且能够真正有益于业主公司对于模型的使用和要求，为后续的使用者带来一定的便利性。随着我国科学技术的不断发展，在应用于核电站设备三维模型设计基础上，能够实现现场运行、信息维护和信息处理等功能[4]。

3 应用实例和效果

核电站大修项目涉及多系统、多专业、多承包商共同工作，其工作面为反应堆厂房20m平台，并以环吊运行为主线、以设备舱开闭为时间窗口制定工期。在大修期间，利用核岛设备三位模型和空间布置图与大修主线计划相结合，提供了多工种的协同工作空间，对设备进出时间、移动空间和路径进行实况模拟，确保其实施方案的可行性、合理性，并且大修主线计划也得到了最佳的完善和优化[5]。

大修中完成的主要工作：（1）设备及工具补充建模；（2）调整环吊使用时间和大修主线计划，将20m平台的设备布置流程规划为14个控制状态，对每一阶段的设备位置进行三维空间模拟；（3）确定关键路径，对封头和压力容器顶盖进出设备舱的时间进行优化，缩短环吊的实际使用工期；（4）提供关键设备布置的精确定位，如顶盖支座和MMA现场定位坐标，完成大型设备工具组装、拆卸、周转的场地布置。核电站设备机组示意图如图2所示，其能够清晰地展示出设备的移动、进出等路径关系，关键设备的定位布置也十分精确。

图2 机组示意图

4 结束语

建立数字信息化电站是当前世界企业管理系统发展的方向和潮流，在新一轮核电建设中引入三维模型设计技术，能够实现为设计自主化管理和工程管理提供一个先进的信息管理平台。