韓勝國

(洛陽隆惠石化工程有限公司，河南 洛陽 471012)

0 引言

近幾年三維信息化建模設(shè)計(jì)軟件在建筑行業(yè)以及石油化工裝置設(shè)計(jì)行業(yè)應(yīng)用越來越廣，PDMS、CADWORX等三維工廠設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)成為大部分石油化工裝置設(shè)計(jì)和施工過程中使用的主流三維設(shè)計(jì)軟件。

石化裝置中靜置設(shè)備、工藝管道及金屬結(jié)構(gòu)在整個(gè)項(xiàng)目投資占比往往超過60%，特別是塔器、反應(yīng)器、加熱爐、儲(chǔ)罐、氣柜等大型非標(biāo)設(shè)備往往為裝置的關(guān)鍵設(shè)備，這些具有創(chuàng)造性和單一性的關(guān)鍵設(shè)備的制造及建造工序也往往是整個(gè)裝置建設(shè)項(xiàng)目的關(guān)鍵路徑。隨著石油化工裝置的處理量大幅提升，靜置設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)越來越趨向于大型化和復(fù)雜化，傳統(tǒng)的二維平面三視圖越來越難以直觀地表現(xiàn)新建關(guān)鍵設(shè)備及結(jié)構(gòu)的各部件在立體空間中的具體形態(tài)、位置關(guān)系、施工順序、重點(diǎn)難點(diǎn)、設(shè)計(jì)意圖等影響整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵信息。

石化裝置安裝工程中大型靜置設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)制造及建造的特點(diǎn)有：①大型化、復(fù)雜化。此類設(shè)備多為各裝置的關(guān)鍵設(shè)備。為適應(yīng)各種加工工況和提高工藝效率，設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造越來越復(fù)雜，二維設(shè)計(jì)圖紙表征構(gòu)件形狀、相互位置、配合度等信息越來越困難。②非標(biāo)化、零配件加工量大。無論是設(shè)備本體還是內(nèi)構(gòu)件，80%以上零配件為非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，三維建模工作量大。大部分零部件需要現(xiàn)場(chǎng)加工、制作、安裝，施工難度相較其他專業(yè)大，安全質(zhì)量管控點(diǎn)多、面廣、難度大。③唯一化。大型靜置設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)由于各地地形環(huán)境不一致，裝置建設(shè)具有單一性的特點(diǎn)。④緊湊化。不論是設(shè)備本身還是設(shè)備整體及鋼結(jié)構(gòu)布置愈來愈緊湊，施工工序合理安排、安裝順序及現(xiàn)場(chǎng)施工布置越來越重要。二維設(shè)計(jì)圖紙顯然無法勝任此項(xiàng)工作，只能靠現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和施工人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平，而三維建模仿真施工技術(shù)可以“真實(shí)模擬”施工。⑤設(shè)計(jì)圖紙剖面視圖多。為顯示更詳細(xì)準(zhǔn)確的尺寸，二維設(shè)計(jì)圖紙中越來越多出現(xiàn)剖視圖、局部詳圖[1]。

基于上述原因，AutoCAD等二維設(shè)計(jì)軟件不能滿足工程建設(shè)施工需要(短期內(nèi)仍占主流)；PDMS、CADWORX等三維工廠設(shè)計(jì)軟件偏向于工廠布置和配管設(shè)計(jì)的軟件，也不適用于石油化工裝置建設(shè)項(xiàng)目中的靜置設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)的所有組成部件的三維建模工作。

1 工程設(shè)計(jì)軟件SketchUp的優(yōu)點(diǎn)

筆者接觸和使用過的幾款石化、建筑行業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)軟件主要有：壓力容器設(shè)計(jì)類、工廠類(配管)、機(jī)械設(shè)計(jì)類、建筑裝修類。通過對(duì)比使用，石油化工大型靜設(shè)備及結(jié)構(gòu)的制造及建造施工三維展示宜選用SketchUp軟件，原因如下：①界面簡單，命令較少，簡單易上手。②與傳統(tǒng)的AutoCAD平面繪圖軟件及新興的數(shù)控加工軟件有極好的兼容型。③SketchUp的“群組”“組件”功能同大型設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)由大大小小不同的部件組成有異曲同工之妙。④剖面功能利于觀察實(shí)體模型的內(nèi)部構(gòu)造及剖切的形狀。⑤強(qiáng)大的插件功能，滿足多方面的需求，同時(shí)會(huì)成倍地提升三維建模的工作效率。⑥SketchUp軟件不擅長的不規(guī)則曲面功能，在壓力容器制造以及石油化工靜置設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)的建造施工涉及不多，對(duì)建模影響不大。SketchUp軟件的精確建模功能可以滿足設(shè)備及結(jié)構(gòu)的整體或細(xì)部的三維圖片和三維動(dòng)畫展示。

2 SketchUp在項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用

2.1 圖紙會(huì)審階段

SketchUp三維模型依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，是對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的“二次設(shè)計(jì)”，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙存在的問題，可以進(jìn)行簡單的碰撞檢查以及零部件的配合度。直觀的三維圖可使各專業(yè)人員更好地從各專業(yè)角度審核設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)符合性，并節(jié)省大量的審圖查圖時(shí)間，提高圖紙會(huì)審的效率。

2.2 方案編制及技術(shù)交底階段

依據(jù)設(shè)計(jì)文件繪制大型設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)的三維模型過程中，有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員可以“仿真模擬”完成每道施工工序，在三維立體虛擬空間中完成整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)。在施工方案討論過程中，可以在裝置內(nèi)或設(shè)備內(nèi)進(jìn)行漫游，進(jìn)行360°全方位和任意剖面的觀察。在全面了解施工三維實(shí)體模型和設(shè)計(jì)意圖的前提下，進(jìn)而確定整個(gè)項(xiàng)目的施工總體部署，選擇最佳的施工工藝，編制資源需求計(jì)劃，制定包括HSE、質(zhì)量、進(jìn)度以及技術(shù)、物資、風(fēng)險(xiǎn)、信息等在內(nèi)的全套施工管理計(jì)劃，完成施工總平面設(shè)計(jì)。將有針對(duì)性、特殊性的安全、質(zhì)量管理要求增加到三維模型中，以便于施工現(xiàn)場(chǎng)管控。

借助3D Warehouse中豐富的各種類型的實(shí)體模型，可以建立立體的施工總平面布置。對(duì)于大型設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)的安裝可以近似進(jìn)行吊裝仿真模擬。

通過直觀的三維立體圖片和三維動(dòng)畫展示片可以直接將新建設(shè)備或裝置呈現(xiàn)在一線施工人員的面前，不但可以呈現(xiàn)設(shè)備和裝置的最終狀態(tài)，還可以將施工細(xì)節(jié)、施工工序、施工順序、重點(diǎn)難點(diǎn)及具有針對(duì)性的安全、質(zhì)量技術(shù)措施一并向一線施工人員進(jìn)行交底。讓技術(shù)交底由原來低效率的文字灌輸變成動(dòng)態(tài)直觀、極具沖擊力的影像呈現(xiàn)，使所有工程參建方特別是一線施工人員深入了解擬建設(shè)備或裝置，減少施工出錯(cuò)的機(jī)率，提高工作效率。

2.3 投標(biāo)報(bào)價(jià)階段

投標(biāo)過程中利用SketchUp軟件導(dǎo)出的三維圖片，生成的三維動(dòng)畫模擬演示工程施工的關(guān)鍵流程和技術(shù)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)施工方案的圖像化，形成以三維動(dòng)畫為主，二維動(dòng)畫為輔，配以解說、標(biāo)注、音樂的施工方案動(dòng)畫演示片。以形象直觀的視覺效果讓業(yè)主和專家在最短的時(shí)間內(nèi)了解工程技術(shù)方案的核心。三維動(dòng)畫模擬帶來的音視覺沖擊將極大提升公司的品牌展現(xiàn)力[2]。

2.4 施工階段

依據(jù)施工圖建立好所有實(shí)體模型后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將所有模型放置到位，插入其他施工機(jī)具及安全防護(hù)設(shè)施，建立三維的現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地平面布置，并通過參照工程進(jìn)度計(jì)劃，合理調(diào)配施工機(jī)具和現(xiàn)場(chǎng)半成品及材料的堆放位置形成動(dòng)態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)布置，減少二次搬運(yùn)而產(chǎn)生的費(fèi)用，提高各項(xiàng)工作效率。

施工過程中，施工人員可利用SketchUpViewer等手機(jī)端APP實(shí)時(shí)全方位查看設(shè)備三維模型，熟悉掌握工程施工的關(guān)鍵流程和技術(shù)要點(diǎn)。實(shí)時(shí)檢查實(shí)體與三維模型是否一致?？梢孕蜗蟮卣故境鍪┕さ倪M(jìn)度，與項(xiàng)目的施工計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比糾偏。質(zhì)量管理人員可直接檢查實(shí)體與三維圖形的符合性，進(jìn)行驗(yàn)收。安全管理人員可現(xiàn)場(chǎng)檢查落實(shí)實(shí)體模型上預(yù)設(shè)的安全防護(hù)措施。

2.5 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)階段

利用竣工圖繪制的設(shè)備及結(jié)構(gòu)的三維模型，可以賦予所有設(shè)備零部件的規(guī)格、形狀、材質(zhì)、數(shù)量型號(hào)等信息，便于設(shè)備維護(hù)使用。對(duì)于中小型裝置，SketchUp軟件也可以完成所有設(shè)備、管道及結(jié)構(gòu)的BIM技術(shù)管理。裝置及設(shè)備內(nèi)部漫游功能可用于新員工培訓(xùn)及演練、技術(shù)改造等。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 石油化工裝置區(qū)三維

SketchUp軟件可以用石油化工裝置區(qū)的3D建模，從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、維修、檢修等各個(gè)階段，均可實(shí)現(xiàn)設(shè)備選型、場(chǎng)地布置、碰撞檢查、模擬巡游、信息查看、BIM信息錄入及查看等虛擬實(shí)物化呈現(xiàn)。

3.2 石化建設(shè)安裝過程三維動(dòng)畫展示

SketchUp軟件的三維模型動(dòng)畫模擬功能可以1∶1的虛擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)情況，可以完成三維化現(xiàn)場(chǎng)布置、擬建裝置的三維建模、立體化呈現(xiàn)施工工序、關(guān)鍵路徑和關(guān)鍵控制點(diǎn)設(shè)置等諸多以往僅靠經(jīng)驗(yàn)和感覺完成的項(xiàng)目建設(shè)過程，可以使所有建設(shè)相關(guān)方像參觀“樣板房”一樣對(duì)擬建工程項(xiàng)目了如指掌。

某低壓儲(chǔ)罐建造過程動(dòng)畫如圖1所示。

圖1 某低壓儲(chǔ)罐建造過程動(dòng)畫截圖

3.3 過程裝備三維展示

SketchUp軟件生成的壓力容器類、機(jī)泵類、管道類等過程設(shè)備的三維模型可以實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)展示，還可以分拆成每個(gè)零部件，以及裝配過程的呈現(xiàn)。可以幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢查零部件的碰撞和配合、模擬過程工藝流程；還可以用于教學(xué)、產(chǎn)品展示、加工制造等多個(gè)領(lǐng)域。

3.4 復(fù)雜結(jié)構(gòu)件三維展示

某塔(直徑5 400/8 700/10 000 mm)塔內(nèi)件全部更換，新結(jié)構(gòu)采用的槽式分布器+規(guī)整填料+升氣盤結(jié)構(gòu)，其中槽式分布器和升氣盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種部件達(dá)到上百種，配合尺寸關(guān)聯(lián)多，二維平面設(shè)計(jì)圖紙多達(dá)200多張。在更換方案討論和技術(shù)交底過程中，技術(shù)人員給相關(guān)方和施工人員說明和交底時(shí)一籌莫展。后采用Sketchup軟件建模形成3D立體模型，可360°旋轉(zhuǎn)及任意剖面切開展示任何細(xì)節(jié)的展示，在施工中施工人員和檢查人員還可以通過手機(jī)隨時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)安裝尺寸的正確性。

4 結(jié)論

通過上述工程實(shí)例應(yīng)用，在項(xiàng)目建設(shè)階段利用設(shè)計(jì)文件進(jìn)行精確建模(特別是大型且復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)和塔內(nèi)件項(xiàng)目)，SketchUp軟件繪制的三維模型能讓項(xiàng)目參與各方更能吃透圖紙，加深對(duì)圖紙的理解，并能直觀地展示工程施工的關(guān)鍵流程和技術(shù)要點(diǎn)，以及項(xiàng)目實(shí)施的重點(diǎn)和難點(diǎn)的對(duì)策；依據(jù)三維建模編制的施工方案和技術(shù)交底在實(shí)際工作過程中起到很好的指導(dǎo)作用，對(duì)施工企業(yè)的管理提升和降低成本有極大的益處，值得推廣。