何坤鸝

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

在工業(yè)項目中,管道和線纜的布置較為復雜，要在有限的空間內， 使各專業(yè)管線布局既能滿足工藝要求、設計規(guī)范，又便于施工維修，還能合理規(guī)劃空間以保證安全通行，并充分考慮后期預留等，是一項費時費力的工作[1]。三維設計作為一種新的設計理念和先進的設計手段，經過近些年的實踐與推廣，其優(yōu)勢越來越明顯，已逐步在各種大型項目，尤其是海外項目中得到廣泛應用。

1 二維設計、三維設計模式對比

1.1 二維設計模式與缺點

二維CAD 設計作為傳統(tǒng)的工業(yè)項目設計手段。相較于最初的手工制圖，確實有利于提高設計效率，但其缺點也很明顯。二維設計的工作模式是：設計方利用積累的設計經驗結合項目現(xiàn)狀設計出二維圖紙；施工方依據(jù)圖紙制定施工方案。在施工過程中遇到諸如碰撞等情況時，施工單位通常會暫停施工，與設計方溝通、確認解決方案后，再繼續(xù)施工，直到項目完工。 這種工作模式，往往難以控制項目的工期。

此外，以管道設計為例，二維設計確定管道定位、標高和走向，只能抽象規(guī)劃管線，準確度不高，材料量統(tǒng)計靠人工測量、計算，為保證材料充足，一般習慣上會乘以一個系數(shù)，從而造成不必要的材料浪費。

1.2 三維設計思路與優(yōu)勢

三維設計思路是：先按照工藝需要、進度計劃的要求，結合設計資料及工程經驗建立設備、結構和管道的三維模型，制定出初步設計方案；將建立好的三維模型托管到三維工作空間， 對各專業(yè)模型進行組裝，模擬施工現(xiàn)場的情景。通過組裝好的模型可直觀地從三維視角檢查各類模型間的相對關系、 碰撞情況，便于發(fā)現(xiàn)不合理的設計，在施工前及時修訂、優(yōu)化設計方案，減少設計誤差，直至得到最佳的設計方案。 這種設計模式，極大地提高了施工效率，也提高了設計的精細化程度。 同時， 由于三維設計建立的3D 模型及所有組件都是根據(jù)實物1∶1 的電子模擬，尺寸和實際一致,可以用測量工具準確量出尺寸和距離，精確地調整管道的定位，解決碰撞問題，有效避免了施工安裝過程中因發(fā)生碰撞造成的返工。

另外， 三維設計中的材料量可以根據(jù)實際模型的數(shù)量和長度自動統(tǒng)計，節(jié)省了人工計算的工作量，數(shù)量統(tǒng)計的準確度高，能有效節(jié)約10%的材料成本。

以某海外工程為例， 圖1 為該項目電積車間設計過程中發(fā)現(xiàn)的泵出口管道碰撞問題， 圖2 是該項目電積車間不同方向液體管道產生了碰撞。 這些碰撞問題，在設計階段被及時發(fā)現(xiàn)，避免了后期可能造成的返工。

圖1 電積車間泵出口管道碰撞

圖2 電積車間不同方向液體管道碰撞

2 三維設計優(yōu)勢在某海外項目中的體現(xiàn)

2.1 某海外項目簡介

剛果金某濕法冶煉項目為一個典型的改造擴建項目，1997 年至今已經多次更換業(yè)主。2006 年，該項目由某海外公司進行設計，3 年后該項目與當?shù)卣勁邪l(fā)生爭議，暫停建設。當時設備部分采購，并未完全安裝。 2012 年項目業(yè)主又一次變更，次年由另一家海外工程公司開始工藝設計修改，同年下半年因資金短缺，項目再次暫停。 2015 年，中國瑞林工程技術股份有限公司（以下簡稱“中國瑞林”）承接了該項目的設計工作。

2.2 設計模式選擇

中國瑞林經過重新評估，認為需要在原有設計的基礎上作出設計修改。 針對該項目多次更換業(yè)主、 多次設計并經歷了較長的建設周期的特點，中國瑞林在該項目中采用了目前世界上通用的Bentley 三維設計軟件進行設計，取得了優(yōu)良的設計效果，獲得業(yè)主的好評。

2.3 某海外項目中的三維設計優(yōu)勢分析

1）在改擴建項目中引入Bentley 三維設計，能高效彌補原有設計的不足。 原有設計系某海外公司采用二維手段設計，其圖紙習慣和國內有差別，圖紙消化耗費時間。 如果用傳統(tǒng)的二維設計思路來做這個項目，需要設計人員在大腦中重構原有設計現(xiàn)場畫面，費時費力，且準確性低，極容易忽略細節(jié)。而三維設計思路，是首先用三維建模技術還原原有設計，再結合各專業(yè)工藝要求，直接在模型上對原有設計進行檢查、修改，這種方式可顯著提高設計效率。 在該項目建模過程中， 設計人員發(fā)現(xiàn)原二維圖紙中的尺寸標注、標高等信息出現(xiàn)多處錯誤。通過采用三維手段對錯誤進行了糾正對原方案進行改進， 使設計更合理、準確。 該項目按照原二維設計圖紙建立三維模型時，發(fā)現(xiàn)管道出現(xiàn)碰撞情況示例見圖3。

圖3 原二維設計電積車間含酸介質管道出現(xiàn)碰撞

由圖3 所示，電積車間1 根含酸介質管道和工藝主管發(fā)生碰撞，實際施工時是無法安裝的。這種情況在原二維圖紙中無法直觀反映，很容易在設計過程中被忽視，而只能留待施工過程中再反映出來。采用三維設計手段后，該問題在三維模型中及時被發(fā)現(xiàn)并得以修正，免去了返工工作量。 根據(jù)實際管位空間情況和工藝條件，修改后的電積車間含酸介質管道見圖4。

圖4 修改后電積車間含酸介質管道

由此可見，在改擴建項目中，利用三維模型能直觀地反映出管道、設備與結構之間相對空間關系，對原有設計作出的調整更為客觀，更有價值，在解決有限的空間內管道碰撞問題更為高效。

2）以PID 管道流程圖為基礎建模，能夠直觀檢查管道布置的合理性，利于優(yōu)化設計方案。工藝管道PID 流程圖是管道三維設計的依據(jù)。 工藝管道PID的繪制一般是根據(jù)工藝需要進行的， 往往沒有考慮到復雜的現(xiàn)場環(huán)境（包括設備及結構件的特殊位置、管線規(guī)劃線路等各方面因素）， 等到現(xiàn)場施工時，則往往會出現(xiàn)管道無法正常連接的情況。 根據(jù)PID 管道流程圖建立的三維模型， 能直觀地觀察到管道的連接情況，便于檢查PID 管道流程圖的合理性，發(fā)現(xiàn)PID 中的不足，從而優(yōu)化PID 的設計，使其更符合工程實際情況。以該項目設計中，電積子項與綜合管網(wǎng)對接處管道模型為例(圖5)：根據(jù)該工藝管道的PID圖， 此處需要有2 根進水管，1 根DN50， 另1 根DN300。 然而通過三維建模，發(fā)現(xiàn)這2 根進水管的方向是平行的， 而此處管網(wǎng)的管位空間有限， 經過計算，考慮將原有的2 根給水管合并為1 根DN300管道，再從DN300 給水管上分出1 個支管供水。

圖5 電積子項與綜合管網(wǎng)對接處管道模型

3）采用協(xié)同設計管理平臺，便于協(xié)同工作和項目管理。在大型項目中，三維建模提高設計效率主要體現(xiàn)在多人協(xié)作同時設計上。 大型建設項目子項多或者規(guī)模大，往往由多人負責某個區(qū)域或者不同子項的模型建立。 通過將不同子項的模型托管到1 個數(shù)據(jù)托管平臺上進行組裝， 就可以得到整個項目的三維模型。 通過組裝文件，能直觀地了解到各子項、各專業(yè)的對接點是否存在誤差或沖突，便于調整；也有利于相關方進行項目進度管理。

該項目工藝包括尾礦回收、浸出等7 個子項，以及供水、供電等10 個公輔設子項。 項目采用Project Wise 軟件作為協(xié)同設計管理平臺， 各子項同時建模，并利用Project Wise 軟件進行組裝。 由于該項目規(guī)模大， 子項組裝可以根據(jù)需要部分組裝或者整體組裝，操作靈活，各專業(yè)間實現(xiàn)了邊設計邊對圖，有效統(tǒng)一了不同子項、不同專業(yè)間的設計。圖6 為該項目銅電積儲罐子項和電積車間子項的組裝模型。

圖6 子項間三維模型組裝

基于元件庫和等級庫建立的三維工廠模型，能自動生成施工交付文件，如管道軸測圖、平立剖圖[2]和支吊架詳圖等。 而通過ProjectWise 平臺，項目團隊可以在不同的工作地點同時共享項目資料， 共同完成設計任務[3]。 各專業(yè)的基礎設計資料、三維信息模型、 抽取的二維圖紙及工程量統(tǒng)計表也使用該平臺進行管理，通過相應的人員及權限管理，使多個專業(yè)的工程師可以共享數(shù)據(jù)和模型， 避免了二維設計階段各專業(yè)間未按序提交設計資料和因為資料不統(tǒng)一造成的設計錯誤。 同時，建設方、設計方和施工方也可以在設計前、中、后期隨時共享上述信息，使三方對于項目進度的掌控和管理更加直觀、便捷。

3 經驗與啟示

海外項目與國內項目有著明顯的差異。比如，設計標準不同、提交設計成果及深度不同、專業(yè)劃分不同等，且海外項目往往規(guī)模較大、工期緊，技術難度高，對設計質量要求高，一旦發(fā)生設計變更或施工安裝過程中的返工狀況，延誤工期，則可能造成更昂貴的代價[4]。 尤其對于此類改擴建項目而言，由于涉及到的變更更多，且存在原設計資料不完整或設計資料與現(xiàn)場實際情況不符等情況，三維設計更加凸顯了其優(yōu)勢。

三維設計能可視化模擬設計成果， 使設計方案的空間規(guī)劃更為直觀， 為科學地修改設計方案提供有力保障。在以往采用三維設計手段的海外項目中，施工階段錯誤少，施工順利，工期能得到有效控制，受到業(yè)主和施工單位的一致好評。 此次該海外項目充分利用Bentley Open Plant Modeler 三維軟件及Project Wise 協(xié)同設計平臺，快捷地整理、消化了原有設計的問題，并在此基礎上繼續(xù)進行設計，大大提高了工作效率，滿足了項目要求，其經驗值得在類似海外項目中借鑒推廣。

4 結語

三維模型是三維可視化技術的產物， 通過托管平臺，實現(xiàn)多方參與施工方案預演，可不斷優(yōu)化設計和施工方案；統(tǒng)計材料精準，減少了施工服務的工作量。目前，很多項目都已經受益于三維設計帶來的便利。 隨著國家重視制造業(yè)的智能化、信息化發(fā)展，工程數(shù)據(jù)對接項目管理為三維設計技術的發(fā)展提出了工程項目數(shù)字化移交的新要求。 相信隨著信息技術的發(fā)展，未來三維數(shù)字移交模式將更為廣泛地為廣大業(yè)主單位和設計單位接受，并使三維設計在海外項目中發(fā)揮更大的作用。