田 林，楊志宏，黃鵬飛，汪程鵬，蔣立東，王曉麗，張尊良，單 科

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

近年來，三維設(shè)計(jì)已成為工業(yè)領(lǐng)域的主要設(shè)計(jì)手段，其中,PDMS三維設(shè)計(jì)軟件的管道設(shè)計(jì)模塊功能強(qiáng)大，軟件側(cè)重于三維配管，因此成為眾多管道設(shè)計(jì)專業(yè)人員的首選設(shè)計(jì)軟件。利用PDMS三維設(shè)計(jì)軟件可實(shí)現(xiàn)水處理工程中各專業(yè)的等比例三維建模，設(shè)計(jì)清晰直觀，便于各專業(yè)間配合與協(xié)同設(shè)計(jì)、有效避免碰撞，材料統(tǒng)計(jì)與施工圖紙出圖快速準(zhǔn)確。借助PDMS軟件，能夠在很大程度上提高設(shè)計(jì)工作效率與質(zhì)量，準(zhǔn)確指導(dǎo)工程現(xiàn)場施工[1]。

1 PDMS軟件功能特點(diǎn)

PDMS(Plant Design Management system)即工廠三維布置設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)，具有以下主要特點(diǎn)：

(1)直觀可讀性。PDMS可實(shí)現(xiàn)全比例三維實(shí)體建模。設(shè)計(jì)人員在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中直觀查看與分析設(shè)計(jì)模型，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性[2]。

(2)檢測性。在交互設(shè)計(jì)過程中，PDMS實(shí)時(shí)三維檢查元件和各專業(yè)設(shè)計(jì)之間的碰撞，在整體上保證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免現(xiàn)場施工中出現(xiàn)管路碰撞問題而增加施工難度。

(3)數(shù)據(jù)獨(dú)立性。PDMS擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，元件和設(shè)備信息全部可以存儲在參數(shù)化的元件庫和設(shè)備庫中，不依賴第三方數(shù)據(jù)庫。在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下，庫中的管件、閥門、結(jié)構(gòu)鋼等可直接調(diào)用于設(shè)計(jì)之中。

(4)數(shù)據(jù)共享性。PDMS通過網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)多專業(yè)實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)，每個(gè)設(shè)計(jì)人員可隨時(shí)查看其他人員正在進(jìn)行的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的共享與集成。相比于將傳統(tǒng)的串行作業(yè)方式，多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)更加高效[3]。

(5)自動出圖。PDMS 可根據(jù)三維設(shè)計(jì)圖導(dǎo)出為平面、剖面、軸側(cè)等施工圖紙，并實(shí)現(xiàn)尺寸自動標(biāo)注，避免了傳統(tǒng)出圖方式中大量的圖紙剖切與標(biāo)注工作。

(6)報(bào)表統(tǒng)計(jì)。通過自定義報(bào)表格式，利用PDMS生成鋼結(jié)構(gòu)料單、管路管件清單、閥門表、設(shè)備表、電纜表等報(bào)表，從而為工程材料采購、現(xiàn)場安裝備料等提供依據(jù)，有效控制采購與安裝成本，減少材料浪費(fèi)。

(7)開放的開發(fā)環(huán)境。PDMS軟件具有可拓展特性，為用戶提供了DARs、PML和AVEVA.Net(C#)三種二次開發(fā)方式，可以用來定制功能和圖形用戶接口，可根據(jù)需求開發(fā)新功能，使設(shè)計(jì)工作更加便捷。

2 水處理工程三維設(shè)計(jì)實(shí)例

2018年，設(shè)計(jì)單位承建了寧夏某化工企業(yè)焦炭氣化制烯烴除鹽水處理工程，工程中所有設(shè)備、管道、支吊架等施工圖紙全部利用PDMS軟件設(shè)計(jì)、出圖而成，有效保障了工程設(shè)計(jì)與施工進(jìn)度。

從工程前期準(zhǔn)備、三維設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)檢查、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、施工圖紙出圖、現(xiàn)場施工等對PDMS在除鹽水處理工程中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2.1 設(shè)計(jì)資料準(zhǔn)備

(1)水處理工藝流程圖。通過流程圖確定設(shè)備、閥門、儀表的工藝位置、清單與樣本資料，確定工藝管道的材質(zhì)、壓力、走向。流程圖是設(shè)備與管道建模的基本依據(jù)。該工程采用原水→混合式生水加熱→多介質(zhì)過濾→自清洗過濾→超濾→一級反滲透→二級反滲透→混床的處理工藝，低壓管道(1.0 MPa)主要采用UPVC、SS304、碳鋼襯塑材質(zhì)，高壓管道(1.6/2.5 MPa)主要采用SS316L材質(zhì)[4]。

(2)土建圖紙與設(shè)備平面布置圖。土建圖紙與設(shè)備平面布置圖是土建等比例全尺寸三維建模、設(shè)備定位的依據(jù)。

(3)投標(biāo)文件、技術(shù)協(xié)議、合同書。設(shè)計(jì)人員需提前掌握合同中諸如管道管件標(biāo)準(zhǔn)、支吊架標(biāo)準(zhǔn)、管道布置規(guī)定、防腐保溫等要求，以便設(shè)計(jì)工作嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行。

2.2 三維建模

2.2.1 項(xiàng)目創(chuàng)建

PDMS項(xiàng)目的建立主要是基于PDMS12.0.SP6版本的Admin模塊進(jìn)行，首先通過項(xiàng)目創(chuàng)建向?qū)陆?xiàng)目，添加項(xiàng)目信息并選擇存放目錄，然后進(jìn)入項(xiàng)目管理模塊設(shè)置用戶名及密碼，生成Team(組)與User(用戶)，并設(shè)置用戶權(quán)限，最后生成DB(數(shù)據(jù)庫)并建立MDB(工作區(qū))。數(shù)據(jù)庫用于存放三維設(shè)計(jì)模型和數(shù)據(jù)、平豎面圖及平面出圖定制庫、元件庫與等級庫、元件庫參考的材料屬性、用戶自定義屬性等內(nèi)容。

該工程按處理系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域劃分，共建立了1個(gè)組5個(gè)用戶，用戶在各自權(quán)限范圍內(nèi)分別負(fù)責(zé)預(yù)處理車間、一號廠房、二號廠房、混床間、室外5個(gè)區(qū)域的設(shè)備建模、配管及出圖等工作。

2.2.2 管道元件庫與等級庫建立

管道元件庫與等級庫是利用PDMS的Paragon模塊建立。元件庫用于存放直管段、彎頭、三通、活接、法蘭、閥門等管道元件，等級庫是將管道元件進(jìn)行定義并生成等級存放到等級庫內(nèi)。設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際工程管道材質(zhì)、壓力等級等要求進(jìn)行管道元件、等級的新建，或者直接調(diào)用現(xiàn)有的管道等級庫和元件庫[5]。

元件庫與等級庫的建立是一個(gè)隨著工程項(xiàng)目的積累而逐漸豐富的過程。目前設(shè)計(jì)單位的PDMS管道元件庫與等級庫涵蓋了壓力等級PN10～PN100、管徑DN8～DN800的多種材質(zhì)(UPVC、FRP、HDPE、SS304、SS316L、SS2205、Ti)與標(biāo)準(zhǔn)(國標(biāo)GB/JB、英標(biāo)SB、德標(biāo)DIN、美標(biāo)ANSI等)的管道元件。元件庫與等級庫是三維配管的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫的豐富性與準(zhǔn)確性直接決定設(shè)計(jì)效率與精度，因此建庫時(shí)需嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，避免源頭數(shù)據(jù)錯誤。

2.2.3 各專業(yè)三維建模

(1)土建建模。土建建模是按照土建會簽圖紙對廠房建筑、設(shè)備基礎(chǔ)、管溝、排水溝、預(yù)埋件、墻體孔洞等內(nèi)容進(jìn)行等比例三維建模。土建三維建模有助于對工程的整體把握，便于系統(tǒng)區(qū)域劃分，是設(shè)備定位的基礎(chǔ)，決定著三維配管的整體走向。該工程利用PDMS的Design模塊Structure-Walls & Floors功能完成了預(yù)處理車間、一號廠房、二號廠房、混床間、室外區(qū)域的土建建模。土建建模效果如圖1所示。

圖1 土建三維設(shè)計(jì)模型Fig.1 Three-dimensional design model of civil engineering

(2)設(shè)備建模。設(shè)備建模可分為單體設(shè)備建模和撬塊建模。單體建模是對水泵、過濾器等設(shè)備按照樣本尺寸單獨(dú)創(chuàng)建；撬塊建模是指按整體工藝劃分出多個(gè)分系統(tǒng)，每個(gè)分系統(tǒng)看作一個(gè)整體進(jìn)行建模，如超濾系統(tǒng)主機(jī)、反滲透系統(tǒng)主機(jī)等，撬塊內(nèi)不僅包含單體設(shè)備、還包含管路、閥門、儀表、設(shè)備機(jī)架等，并預(yù)留進(jìn)出水接口，便于與外部管道連接。

單體設(shè)備的建模是通過Design-Equipment模塊進(jìn)行，由各種幾何外形的基本體搭積木方式構(gòu)成，并賦予準(zhǔn)確的管嘴等級、管徑、連接信息等屬性。設(shè)備的命名應(yīng)嚴(yán)格按照工藝流程中設(shè)備位號命名，管嘴以“設(shè)備名+進(jìn)/出口+公稱直徑”方式命名，良好的命名習(xí)慣便于模型信息查看，有利于后期出圖時(shí)正確抽取設(shè)備及管嘴屬性信息實(shí)現(xiàn)自動標(biāo)注[6]。

撬塊建模需要根據(jù)工藝流程，結(jié)合設(shè)備位置、外形特征、進(jìn)出口位置，充分考慮設(shè)備定位與管路走向的合理性、操作方便性、實(shí)用性、安全性。設(shè)計(jì)時(shí)需對撬塊進(jìn)行多次地改進(jìn)與調(diào)整，從而達(dá)到最佳效果[7]。濃水反滲透主機(jī)三維建模與工程現(xiàn)場實(shí)際安裝效果對比如圖2所示。

圖2 濃水反滲透主機(jī)三維模型與實(shí)際安裝效果對比圖Fig.2 Comparison of three-dimensional model and actual loading effect of concentrated water reverse osmosis main machine

(3)管道建模。管道三維建模是PDMS軟件最核心的功能，也是最能體現(xiàn)三維設(shè)計(jì)優(yōu)越性的部分。該工程工藝較復(fù)雜，整個(gè)工程管道繁多、縱橫交錯，且涉及多種管道材質(zhì)與壓力等級。利用PDMS軟件的Design-Pipework模塊，依照工藝流程確定管道頭尾走向、壓力等級、材質(zhì)、管徑、保溫、碰撞空間等參數(shù)，參照土建模型合理進(jìn)行三維管道的布設(shè)[8]。

二號泵房管道三維設(shè)計(jì)模型與現(xiàn)場施工效果對比如圖3所示。

圖3 二號泵房三維模型與實(shí)際安裝效果對比圖Fig.3 Comparison of three-dimensional model and actual loading effect of No. 2 Pump House

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式依靠設(shè)計(jì)人員空間想象進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，耗費(fèi)精力，出錯率高。PDMS三維配管不僅直觀方便、設(shè)計(jì)效率高，而且可保證管道信息的準(zhǔn)確性以及避免管道之間的碰撞，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與準(zhǔn)確性。

(4)支吊架建模。管道支吊架設(shè)計(jì)是水處理工程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作，支吊架具有支撐管道、控制管道中熱力位移、應(yīng)力集中和動力影響的作用。PDMS管道支吊架設(shè)計(jì)可分為兩種情況，一種是配管人員通過PDMS軟件的MDS支吊架設(shè)計(jì)模塊，直接調(diào)用軟件自帶模板選取支吊架形式、材料、支吊架位置及生根結(jié)構(gòu)自動生成支吊架；一種是通過PDMS軟件Structure-Beams&Columns模塊依照支吊架施工圖紙直接進(jìn)行三維模型搭建[9-10]。

該工程通過配管設(shè)計(jì)人員向設(shè)計(jì)院提供管道平面布置圖、管道荷載條件圖、管支架基礎(chǔ)位置圖等資料，由設(shè)計(jì)院完成支吊架、基礎(chǔ)、埋件的設(shè)計(jì)與出圖。三維配管人員再按照支吊架施工圖紙進(jìn)行了等比例三維復(fù)原，以配合三維配管以及碰撞檢查等工作。室外管支架三維模型及工程現(xiàn)場實(shí)際安裝效果對比如圖4所示。

圖4 室外管支架三維模型與實(shí)際安裝效果對比圖Fig.4 Comparison of three-dimensional model and actual installation effect of outdoor pipe support

(5)儀表電氣建模。儀表、橋架、電纜敷設(shè)主要利用PDMS軟件的Equipment、Cable Tray、Cabling System模塊進(jìn)行建模。由于電氣部分由專業(yè)的電氣公司設(shè)計(jì)，考慮到避免電纜橋架與設(shè)備及管道發(fā)生碰撞，故三維設(shè)計(jì)時(shí)按照電氣公提供的電纜橋架及支架圖對橋架及支架的進(jìn)行了三維復(fù)原。設(shè)計(jì)過程中未進(jìn)行儀表三維建模，但在設(shè)備及管道三維設(shè)計(jì)過程中充分考慮并預(yù)留了儀表及電氣的安裝接口與安裝空間。

2.3 設(shè)計(jì)檢查

設(shè)計(jì)檢查貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程，主要包括：

(1)模型檢查。通過PDMS軟件直接查看模型屬性，核對各專業(yè)模型尺寸與圖紙或樣本資料是否一致；核查設(shè)備、管嘴、管道的命名與工藝流程編號是否一致；核查管道的管徑、材質(zhì)、壓力等級是否符合工藝要求；儀表接口位置是否與工藝一致。

(2)合理性檢查。檢查三維設(shè)備及管道的位置、走向布設(shè)是否合理。

(3)管道數(shù)據(jù)一致性檢查。PDMS數(shù)據(jù)一致性檢查功能主要是檢查管路相鄰兩個(gè)元件是否在同一方向、是否同一軸向、是否管徑一致、連接形式是否匹配，檢查管段長度是否小于預(yù)定義的最小值，最后生成數(shù)據(jù)一致性檢查報(bào)告，從而真實(shí)、準(zhǔn)確、快速地反映出管路設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的錯誤[11-12]。

(4)碰撞檢查。通過PDMS碰撞檢查功能對土建、設(shè)備、管道、鋼結(jié)構(gòu)等模型間的碰撞進(jìn)行檢查，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題、及時(shí)修改模型，避免在現(xiàn)場施工過程中因碰撞或干擾問題增加施工難度、延誤工期[13]。

2.4 生成報(bào)表

生成報(bào)表即材料統(tǒng)計(jì)。PDMS報(bào)表是通過report功能實(shí)現(xiàn)的，利用系統(tǒng)自帶報(bào)表模板可生成管件描述表、管段表、管嘴表、閥門元件表、鋼結(jié)構(gòu)元件表、管段中心長度表、管段坡度表、螺栓表等。報(bào)表是PDMS軟件完全根據(jù)設(shè)計(jì)模型抽取出的相關(guān)數(shù)據(jù)與信息，因此報(bào)表的準(zhǔn)確性取決于各專業(yè)的三維模型的準(zhǔn)確性。相比于傳統(tǒng)人工統(tǒng)計(jì)工程料單的方式，PDMS報(bào)表功能不僅有效降低了統(tǒng)計(jì)工作量、減小材料統(tǒng)計(jì)誤差，而且有利于采購部門準(zhǔn)確采購，便于設(shè)備加工與現(xiàn)場安裝過程中的備料與下料，避免材料浪費(fèi)。

2.5 施工圖紙出圖

PDMS三維設(shè)計(jì)軟件具有強(qiáng)大的出圖功能，主要包括Draft、IsoDraft兩個(gè)出圖模塊，其中Draft模塊用于設(shè)備、管道等平面圖紙的出圖，IsoDraft模塊用于管道標(biāo)準(zhǔn)軸測圖(ISO)的出圖。在兩個(gè)出圖模塊下均可自動生成Auto CAD格式圖紙，便于設(shè)計(jì)人員對圖紙的修改、整理與打印。

Draft圖形是三維模型在各個(gè)平面和角度上的直接投影，其唯一數(shù)據(jù)來源是Design模型，模型外形與尺寸的準(zhǔn)確性決定了Draft圖形的精度。Draft具有自動出圖、尺寸標(biāo)注、引線標(biāo)注、打印、AutoCAD輸出、二維繪圖、Draft更新、手動出圖、詳圖、剖切等功能，且通過對圖框、線形、線寬、顏色、顯示范圍、標(biāo)注樣式等內(nèi)容進(jìn)行出圖定制，以滿足實(shí)際工程的出圖要求。Draft功能可獲取各方向的視圖與三維立體視圖，三維立體視圖配合平面視圖，圖紙讀圖更加方便準(zhǔn)確。此外設(shè)計(jì)人員可根據(jù)出圖需要利用Draft的剖切功對設(shè)備管道圖紙進(jìn)行任意方向、任意高度、任意層級的圖紙剖切，相比于傳統(tǒng)二維剖切繪制圖紙的方式更為快捷、準(zhǔn)確[14-15]。

PDMS軟件的IsoDraft模塊，通過數(shù)據(jù)一致性檢查后，根據(jù)工程圖紙要求定制圖紙內(nèi)容(如圖框格式、圖面布置、料單內(nèi)容、保溫伴熱、流向、標(biāo)注樣式等)，自動抽取三維管道信息生成管道軸測圖，并生成材料控制、切管長度報(bào)表、中心長度表、支吊架匯總表、螺栓表等報(bào)告文件[16]。

2.6 現(xiàn)場施工

由于PDMS三維設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度高，可有效避免各專業(yè)碰撞或干擾情況，圖紙變更量很小，有效降低了現(xiàn)場施工難度以及后期竣工圖紙出圖工作量。PDMS生成的各種料單或文件齊全，不僅節(jié)省了施工人員材料統(tǒng)計(jì)與備料時(shí)間，而且減少了材料的浪費(fèi)。在施工人員對圖紙有疑問或讀圖困難時(shí)，設(shè)計(jì)人員還能夠快速查看三維模型進(jìn)行安裝指導(dǎo)。

3 三維設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)及存在的問題

PDMS三維設(shè)計(jì)是工程施工的依據(jù)，設(shè)計(jì)時(shí)要確保各專業(yè)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、合理性與方便性。該工程設(shè)計(jì)過程中存在的一些問題和需要注意的事項(xiàng)：(1)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。①核查三維模型的準(zhǔn)確性，包括外形尺寸、材質(zhì)、等級、選用標(biāo)準(zhǔn)等，確保源頭數(shù)據(jù)無誤。②三維模型命名規(guī)范化。設(shè)備、管嘴、儀表、管道等命名均應(yīng)保持與工藝圖設(shè)備位號、儀表與管道編號等一致。命名準(zhǔn)確規(guī)范有助于直觀迅速查找目標(biāo)模型或查看名稱信息，可避免由于自動出圖時(shí)抽取的模型名稱不準(zhǔn)確造成圖號或標(biāo)注信息錯誤，增加二次標(biāo)注工作量。③確保設(shè)計(jì)的合理性。撬塊內(nèi)部的設(shè)備管道系統(tǒng)布置應(yīng)做到簡捷美觀、布局合理緊湊、便于操作與觀察、便于安裝維護(hù)、路徑最佳、流速合理、水力損失小、強(qiáng)度和剛度足夠，還要考慮防振動、防磨損、防腐蝕和防堵塞等方面。外圍主體管道設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循大管道在下、小管道在上、輸送腐蝕性介質(zhì)的管道在下的原則，應(yīng)盡量避開窗戶，方便支吊；所有管道系統(tǒng)上應(yīng)盡量提供高位點(diǎn)排氣和低位點(diǎn)排水措施；室外水箱接口處管道應(yīng)采用柔性連接以便于維修更換以及防止震動損壞或建筑沉降帶來的影響。(2)設(shè)計(jì)存在的問題。PDMS出圖模塊的自動標(biāo)注功能還需進(jìn)一步完善。在一張圖幅多條管道出圖的情況下，經(jīng)常會出現(xiàn)管道標(biāo)注位置重疊的問題，而且軟件自帶標(biāo)注樣式經(jīng)常不能滿足工程圖紙出圖規(guī)范，需要人工二次調(diào)整的工作量較大?？煽紤]借助二次開發(fā)進(jìn)一步完善軟件的自動標(biāo)注功能，使出圖工作更加方便快捷[17]。

4 結(jié)論

在水處理工程設(shè)計(jì)中，通過PDMS三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行各專業(yè)的三維等比例建模、出圖，簡化了工程設(shè)計(jì)步驟，使設(shè)計(jì)工作更加清晰直觀，在設(shè)計(jì)過程中能盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯誤與碰撞問題，避免施工過程中出現(xiàn)問題影響施工進(jìn)度。PDMS三維設(shè)計(jì)很大程度上提高了設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量。PDMS軟件功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)人員還需進(jìn)一步挖掘軟件功能，或通過二次開發(fā)手段進(jìn)行功能強(qiáng)化。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，PDMS軟件功能會越加完善，在水處理行業(yè)工程設(shè)計(jì)工作中也將發(fā)揮更大的作用。