劉 波，梁彩云，楊小林，任文文，劉 言

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

隨著軟件和信息技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)許多石油化工類(lèi)的工程公司都在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。數(shù)字化工廠是集三維模型、協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)字化交付為一體，確保實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、調(diào)試和運(yùn)維等工程全生命周期各個(gè)階段的數(shù)據(jù)信息共享和協(xié)同[1]。其中，數(shù)字化交付已形成標(biāo)準(zhǔn)，由中石油、中石化集團(tuán)的工程公司編制，住建部發(fā)布的GB/T 51296—2018《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》于2019年3月1日起實(shí)施。

在大部分工程公司中，管道專(zhuān)業(yè)是最先進(jìn)行三維模型化、協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化交付，其他專(zhuān)業(yè)(如工藝專(zhuān)業(yè)、電氣儀表專(zhuān)業(yè)等)均有不同程度的參與，而設(shè)備專(zhuān)業(yè)參與程度較低。本文對(duì)國(guó)內(nèi)部分石油化工類(lèi)工程公司的設(shè)備專(zhuān)業(yè)參與協(xié)同設(shè)計(jì)和三維自動(dòng)出圖的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，并對(duì)三維自動(dòng)出圖和協(xié)同設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 協(xié)同設(shè)計(jì)與數(shù)字化交付

1.1 數(shù)字化交付與協(xié)同設(shè)計(jì)的關(guān)系

就石油化工行業(yè)而言，企業(yè)都在推進(jìn)智能工廠的建設(shè)，要求新工廠采用數(shù)字化形式交付，即物理工廠和數(shù)字工廠同步建設(shè)。若要物理工廠和數(shù)字化工廠同步建設(shè)，就必然不能缺少協(xié)同設(shè)計(jì)，只有整個(gè)設(shè)計(jì)周期在協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化交付。而目前，在實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行中，由于建設(shè)方及承建方對(duì)數(shù)字化交付的理解不同，因而對(duì)數(shù)字化交付的內(nèi)容、方式、階段等產(chǎn)生分歧[2]。數(shù)字化交付與協(xié)同設(shè)計(jì)由于各種原因存在一定程度上的脫節(jié)，部分三維模型都是在設(shè)計(jì)完成之后再補(bǔ)充的。

1.2 協(xié)同設(shè)計(jì)與數(shù)字化交付平臺(tái)

石油化工工程公司目前使用較多的協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化交付平臺(tái)主要有AVEVA PLANT和鷹圖SMART PLANT。

其中，AVEVA PLANT主要包含以下模塊：①AVEVA Diagram 智能PID繪制；②AVEVA Engineering 工藝設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)集成；③AVEVA PDMS 工廠三維布置設(shè)計(jì)；④AVEVA Electrical 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)；⑤AVEVA Instrumentation 儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

鷹圖的Smart Plant主要包括以下模塊：①Smart Plant PID智能PID繪制；②Smart Plant 3D工廠三維布置設(shè)計(jì)；③Smart Plant EL 電氣儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

其中，PDMS(Plant Design Management System)是英國(guó)AVEVA公司開(kāi)發(fā)的三維工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)。PDMS軟件可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，針對(duì)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)劃分為多個(gè)模塊，其中，三維設(shè)計(jì)又包括設(shè)備、管道、結(jié)構(gòu)、暖通、電纜橋架等不同模塊，配管設(shè)計(jì)是PDMS軟件的強(qiáng)項(xiàng)，而設(shè)備建模功能與專(zhuān)業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件相比較弱[3]。

SP3D(Smart Plant 3D)是二十一世紀(jì)以來(lái)出現(xiàn)的相對(duì)先進(jìn)的工廠設(shè)計(jì)處理軟件系統(tǒng)，SP3D產(chǎn)品是由美國(guó)鷹圖公司推出的SmartPlant系列中一個(gè)最新一代三維設(shè)計(jì)、面向數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件，相對(duì)簡(jiǎn)化工程設(shè)計(jì)流程，并且能更有效地重復(fù)使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)。

在實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，一般是根據(jù)業(yè)主的要求選擇相應(yīng)的數(shù)字化交付平臺(tái)PDMS或SP3D等，因此，工程公司對(duì)主流交付平臺(tái)都需有足夠的了解和掌握[4]。

1.3 設(shè)備專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)與數(shù)字化交付的現(xiàn)狀

設(shè)備專(zhuān)業(yè)的主要設(shè)計(jì)工作為壓力容器設(shè)計(jì)，由于行業(yè)特殊性，絕大多數(shù)的壓力容器設(shè)計(jì)為非標(biāo)設(shè)計(jì)，無(wú)法像類(lèi)似汽車(chē)行業(yè)一樣使用常規(guī)的三維建模軟件(SolidWorks、ProE等)進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以完成設(shè)備三維模型上設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)。行業(yè)內(nèi)主流壓力容器設(shè)計(jì)方式仍然是專(zhuān)業(yè)強(qiáng)度計(jì)算軟件與手動(dòng)二維AutoCAD出圖結(jié)合。而專(zhuān)業(yè)強(qiáng)度計(jì)算軟件與設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)的集成性差，無(wú)法直接用專(zhuān)業(yè)強(qiáng)度計(jì)算軟件與設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行集成。

因此，數(shù)字化交付中的設(shè)備三維模型通常是由管道專(zhuān)業(yè)三維建模組進(jìn)行建模，但模型一般為簡(jiǎn)化模型，以圓筒、方盒、柱狀等構(gòu)件為主，精細(xì)度較低。如果業(yè)主對(duì)設(shè)備模型的精細(xì)度有更高的要求時(shí),數(shù)字化交付應(yīng)用就難以實(shí)現(xiàn)。

隨著壓力容器行業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)了如中國(guó)五環(huán)工程有限公司、中石化洛陽(yáng)工程有限公司、山東山大華天軟件有限公司(XVessel)、Bentley軟件公司(AutoPIPE Vessel)和南京旭宸皓峰信息科技有限公司(3D-PVAD)等一些前瞻性強(qiáng)的工程公司和軟件公司，致力于壓力容器強(qiáng)度計(jì)算、三維自動(dòng)出圖和協(xié)同設(shè)計(jì)的集成解決方案。

1.4 協(xié)同設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題和對(duì)策

目前，山東山大華天軟件有限公司、Bentley軟件公司和南京旭宸皓峰信息科技有限公司三家軟件公司提供的三維模型在一定程度上可以參與協(xié)同設(shè)計(jì)，但仍存在一些問(wèn)題。

(1)設(shè)備三維模型的精度可以滿(mǎn)足要求，但模型為一個(gè)整體的塊，缺少屬性信息，比如接管法蘭等級(jí)、密封面形式等配管信息。

上述問(wèn)題出現(xiàn)的主要原因是PDMS或Smart Plant 3D平臺(tái)的軟件商接口并未打通，造成了部分信息無(wú)法提取。

對(duì)數(shù)字化交付模型精度要求不高的業(yè)主，建議由專(zhuān)業(yè)軟件商或工程公司二次開(kāi)發(fā)程序，用于提取三維模型文件中的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入到PDMS或Smart Plant 3D中進(jìn)行快速建模，這樣既可進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，又可以完成數(shù)字化交付。

對(duì)于某些業(yè)主要求提供精確的設(shè)備模型，建議在已完成的PDMS或Smart Plant 3D簡(jiǎn)化設(shè)備模型的基礎(chǔ)上，將精確的設(shè)備模型替換簡(jiǎn)單模型，同時(shí)保留管口屬性信息。

上述對(duì)策僅是短期過(guò)渡，最終還是要打通軟件商的接口問(wèn)題，這樣既可以進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，又可以交付精確模型。

(2)三維模型占用儲(chǔ)存空間較大，會(huì)增大計(jì)算機(jī)硬件需求。對(duì)于三維模型占用空間大的問(wèn)題，需要依靠專(zhuān)業(yè)軟件商針對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化交付提供輕量化模型，將其中關(guān)于計(jì)算或出圖等的相關(guān)信息進(jìn)行刪減。

2 自動(dòng)出圖

就設(shè)備專(zhuān)業(yè)內(nèi)部而言，手動(dòng)二維Auto CAD出圖方式效率較低，越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足項(xiàng)目進(jìn)度要求。對(duì)普通設(shè)計(jì)人員而言，用于繪圖的時(shí)間占比較大，而用于從事設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)含量較高的工作時(shí)間則較為有限。

近些年，在壓力容器三維自動(dòng)出圖方面，中國(guó)五環(huán)工程有限公司和中石化洛陽(yáng)工程有限公司都是推行得較早的工程公司。經(jīng)考察，三維自動(dòng)出圖可較大幅度提高設(shè)備專(zhuān)業(yè)出圖效率，目前主要有3種集成解決方案。

2.1 AutoPIPE Vessel集成解決方案

該軟件屬于Bentley軟件公司，是集設(shè)計(jì)計(jì)算、三維建模、自動(dòng)出圖三項(xiàng)功能于一體的軟件。APV可以設(shè)計(jì)壓力容器、管殼式換熱器、空冷器、鍋爐和儲(chǔ)罐等。在功能方面，APV 擁有設(shè)計(jì)壓力容器所需全球范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可以創(chuàng)建設(shè)備模型并對(duì)荷載加以分析，自動(dòng)生成設(shè)備計(jì)算書(shū)，自動(dòng)出裝配圖，進(jìn)行造價(jià)估算，與工藝仿真模擬軟件(如HTRI)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，模型可導(dǎo)入SP3D。軟件模型示意見(jiàn)圖1，自動(dòng)生成圖紙示意見(jiàn)圖2。

圖1 AutoPipe Vessel軟件模型示意

圖2 AutoPipe Vessel軟件生成圖紙示意

目前，中國(guó)五環(huán)工程有限公司部分國(guó)外項(xiàng)目正在采用該軟件進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)和三維自動(dòng)出圖。

該解決方案有如下優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)計(jì)計(jì)算、三維建模、自動(dòng)出圖三項(xiàng)功能于一體，避免了不同軟件之間的轉(zhuǎn)換與重復(fù)輸入；②模型全面，含壓力容器、管殼式換熱器、儲(chǔ)罐等常用設(shè)備的模型；③國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范全面，如ASME VIII-1/2，PD5500，EN13445，AD Merkblatter，CODAP，GOST R 52857等規(guī)范；④將出圖定制模塊開(kāi)放給用戶(hù)，例如各種表格、圖形擺放位置等可根據(jù)需求自行定制。

該方案有如下缺點(diǎn)：①目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)僅有GB/T 150和GB/T 151，缺少支座、容器法蘭等零部件標(biāo)準(zhǔn)，難以在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目上推廣應(yīng)用；②雖然圖紙定制模塊開(kāi)放，但僅限于其軟件提供的部分，對(duì)于圖形本身并不提供二次開(kāi)發(fā)，因此圖形的表達(dá)無(wú)法完全滿(mǎn)足需求，需要手工修改。針對(duì)該缺點(diǎn)，中國(guó)五環(huán)工程有限公司從2018年開(kāi)始就與Bentley軟件公司進(jìn)行合作，逐漸解決圖形表達(dá)不完善方面的問(wèn)題。

2.2 PVdesktop+XVessel集成解決方案

PVdesktop由中石化洛陽(yáng)工程公司主導(dǎo)開(kāi)發(fā)，經(jīng)石化中心站發(fā)布，經(jīng)容標(biāo)委認(rèn)證，廣泛應(yīng)用于石化系統(tǒng)設(shè)計(jì)院，涵蓋了石油化工行業(yè)中塔器、容器、管殼式熱交換器等設(shè)備及受壓元件的計(jì)算，大量的測(cè)試結(jié)果表明，該軟件計(jì)算結(jié)果可靠、運(yùn)行穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)涵蓋GB/T 150《壓力容器》、GB/T 151《熱交換器》、NB/T 47041《塔式容器》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并加入了ASME Ⅷ-1/Ⅷ-2設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

XVessel是中石化洛陽(yáng)工程公司與華天軟件合作開(kāi)發(fā)的，基于自主三維CAD 軟件SINOVATION 定制研發(fā)的高效專(zhuān)業(yè)的石化靜設(shè)備三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提供石油化工容器的參數(shù)化、模塊化向?qū)皆O(shè)計(jì)、一鍵出圖、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)等功能。該軟件模型和圖紙分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 XVessel軟件模型示意

圖4 XVessel軟件生成圖紙示意

目前，中石化洛陽(yáng)工程公司將該解決方案應(yīng)用于壓力容器設(shè)計(jì)及三維自動(dòng)出圖。

該解決方案有如下優(yōu)點(diǎn)：①PVdesktop+Xvessel之間高度結(jié)合，采用PVdesktop進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算后，數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入XVessel，自動(dòng)生成三維模型，對(duì)部分信息完善后可直接生成二維CAD圖紙；②自動(dòng)生成的圖紙是基于中石化洛陽(yáng)工程公司標(biāo)準(zhǔn)圖簽和模板圖等作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行深度定制，可有效滿(mǎn)足特定用戶(hù)需求。

該方案的缺點(diǎn)如下：①目前僅提供塔器、立式容器和臥式容器模型出圖，暫無(wú)管殼式熱交換器模型；②國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)較少，一般用于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目；③由于圖紙定制并未開(kāi)放，需要依賴(lài)華天軟件，費(fèi)用不低。

2.3 SW6/PVElite+SPVD集成解決方案

SW6過(guò)程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件由全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站發(fā)布，經(jīng)容標(biāo)委認(rèn)證。該軟件為在國(guó)內(nèi)化工行業(yè)使用廣泛，并得到驗(yàn)證的壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)軟件，覆蓋國(guó)內(nèi)GB/T 150《壓力容器》、GB/T 151《熱交換器》、NB/T47041《塔式容器》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

PV Elite是鷹圖公司開(kāi)發(fā)的壓力容器設(shè)計(jì)軟件，主要提供國(guó)外ASME VIII-1/2，PD5500，EN13445的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，特別是在ASME規(guī)范設(shè)計(jì)上，其市場(chǎng)占有率較高。

SPVAD軟件是由南京旭宸皓峰信息科技有限公司基于INVENTOR或Solidworks三維軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的三維壓力容器輔助設(shè)計(jì)軟件。該軟件無(wú)計(jì)算模塊，在三維軟件INVENTOR或Solidworks中進(jìn)行導(dǎo)向性建模，涵蓋了臥式設(shè)備、立式設(shè)備、換熱器等，可創(chuàng)建設(shè)備主體(封頭、筒體、錐體、設(shè)備法蘭、裙座、膨脹節(jié)等)及外部附件(接管、支座、吊柱與吊耳等)的三維模型。標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)庫(kù)較為完善(基于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建)，可導(dǎo)出二維圖紙和材料表。該軟件模型見(jiàn)圖5。

圖5 3DPVAD模型示意

3DPVAD由于并無(wú)強(qiáng)度計(jì)算模塊，因此，通過(guò)提取SW6或PV Elite軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行建模，目前，已開(kāi)發(fā)完成PV Elite數(shù)據(jù)提取流程，SW6數(shù)據(jù)提取流程仍在開(kāi)發(fā)過(guò)程中。

該方案的優(yōu)點(diǎn)如下：①降低了學(xué)習(xí)成本，SW6或PV Elite軟件屬于行業(yè)內(nèi)通用的軟件，一般設(shè)備專(zhuān)業(yè)工程師均已掌握；②3DPVAD是基于通用三維軟件INVENTOR或Solidworks二次開(kāi)發(fā)，用戶(hù)可在向?qū)гO(shè)計(jì)后，添加一些非標(biāo)準(zhǔn)件，如一些內(nèi)件或外部附件等。

該方案的缺點(diǎn)如下：①目前，已開(kāi)發(fā)完成的PV Elite數(shù)據(jù)提取流程并未得到廣泛的測(cè)試，且國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度計(jì)算軟件SW6數(shù)據(jù)提取流程還未開(kāi)發(fā)成功；②出圖功能還處于比較初級(jí)的程度，標(biāo)注、管口符號(hào)、件號(hào)和各種數(shù)據(jù)表格暫時(shí)無(wú)法自動(dòng)生成，還需要后期較大的修改和完善。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化交付的發(fā)展是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，各設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)都在逐步融入其中，設(shè)備專(zhuān)業(yè)模型進(jìn)入平臺(tái)時(shí)面臨的問(wèn)題，可通過(guò)本文中的幾種建議方法暫時(shí)替代，但最終還是需要打通平臺(tái)(如PDMS或Smart Plant 3D)接口，讓設(shè)備專(zhuān)業(yè)采用的三維設(shè)計(jì)軟件能夠更方便準(zhǔn)確地進(jìn)入平臺(tái)，完成協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化交付。

(2)在三維自動(dòng)化出圖方面，介紹了目前市面上3種可行的解決方案并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，筆者認(rèn)為，三維自動(dòng)出圖的開(kāi)發(fā)必須依靠工程公司和軟件公司的緊密合作，才能真正發(fā)揮出生命力，而目前的解決方案還都不夠完善，三維自動(dòng)化出圖想要在行業(yè)內(nèi)大面積推廣還需要解決如下問(wèn)題：①標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范全面，包含國(guó)內(nèi)外，或打通軟件之間的接口；②出圖模板定制需要有足夠的開(kāi)發(fā)程度，以利于軟件的推廣和降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用；③工程公司需要大力支持這方面的開(kāi)創(chuàng)性工作。