三维协同设计在石油地面工程中的应用

李程

（中国石油工程建设有限公司北京设计分公司， 北京 100085）

随着信息技术和数字化技术的高速发展，各行各业的工作模式都在发生着巨大的变化。在石油地面工程设计行业，三维设计在工程方案优化及多方案比较、优化设计周期、提高设计质量和数字化移交等方面都比二维设计具有明显优势，已成为设计行业发展的主流趋势，也是石油地面工程行业工程建设和发展的要求。

进行三维设计一个重要的基础就是三维模型设计软件。三维设计软件可用于多专业协同完成工程的三维模型建设，使各专业在同一平台进行协同设计，使得各专业独立搭建的模型相互关联，从而有效保证数据的统一性和准确性，使专业间设计的不合理或碰撞发现在设计阶段，为工程现场施工提供了良好的保障。采用三维设计软件进行设计有效地减轻了设计的工作量，提高了团队的工作效率和设计质量。

1 SmartPlant 3D软件简介

SmartPlant 3D是二十年来出现的先进的工厂设计软件系统，这套由美国Intergraph工厂设计和信息管理软件公司推出的新一代、面向数据、规则驱动的软件主要是为了简化工程设计过程，同时更加有效地使用并重复使用现有数据。SmartPlant 3D主要提供两方面的功能：首先，它是一个完整的工厂设计系统软件；其次，它可以在整个工厂的生命周期中，对工厂进行维护。

SmartPlant 3D是一个前瞻性的产品，它改变了工程设计的方式，打破了传统设计技术的局限，可以与其他“SmartPlant家族”软件进行二三维的数据传输与校验。如SmartPlant P&ID（工艺仪表流程图设计软件）、SmartPlant Reference Data（数据库管理平台）、SmartPlant Instrumentation（仪表设计软件），CAESARII（管道应力分析软件），并能通过SmartPlant Foundation（工厂设计、建设和运营数据管理平台，如图1所示）进行更高层次的数据集成、数字化移交及数字化工厂建设。

图1 SmartPlant 3D三维协同设计平台

2 SmartPlant 3D多专业三维协同设计

2.1 以智能PID为核心的工艺设计

三维协同设计的上游是工艺专业的P&ID设计。工艺专业首先采用SmartPlant P&ID软件进行智能P&ID设计，它是以数据为中心，带有规则驱动的智能的工艺和仪表流程图设计系统。工艺专业通过绘制智能P&ID，实现了设计系统的集成，让下游专业的应用软件可以复用上游专业应用软件的数据，这样可以缩短设计周期、保证数据一致性、提升设计效率，提高设计质量。同时，也为三维模型中设备、管道及仪表等设计内容是否符合工艺P&ID提供了校验的基础。在SmartPlant 3D中建模完成后，可以通过二三维校验工具进行三维模型与P&ID的一致性检查，检查结果可以直观地在智能P&ID中显示，如图2所示。本项目通过SmartPlant P&ID软件，共完成PFD、UFD18张，P&ID 104张[2]。

图2 智能P&ID成品图纸

2.2 项目数据库及图纸报表模板建立

(1)数据库是SmartPlant 3D的核心，也是三维协同设计的核心和基础。项目开始阶段首先搭建项目工厂结构和项目数据库。数据库完全以数据为核心，根据项目要求的国际标准将管道、管件及阀门等元器件等信息按管道等级表和数据表的要求输入到数据库中，并根据石油地面工程行业特点，建立若干特殊管道元件如6倍D弯管、格栅三通等，为三维建模奠定基础。根据项目运行中出现的问题不断地完善数据库。通过日趋完善的项目数据库，利用SmartPlant Reference Data（数据库管理平台）建立公司级管道等级库和数据库，如图2-2所示，利用软件建立公司统一的材料编码规则。是设计更加标准化和规范化。SmartPlant Reference Data提供与多种软件的接口，通过这些接口可以向各种设计软件传递工程设计信息，提高工程数据的准确性和复用性，同时省去了繁重的重复输入工作。

图3 SPRD中组件管道等级

(2)管道支吊架开发。根据油田地面工程行业特点在SmartPlant 3D集成平台的基础上开发智能化支吊架，实现外形尺寸更加真实的支吊架三维模型，满足石油地面工程设计需求，如图4所示。通过编程开发具有复用功能的智能化支吊架并实现了支吊架的管径自动匹配、选择面匹配、杆件自动伸缩、长度匹配、智能化抽料等功能，大大提高了支吊架设计的效率和准确性[3]。

(3)定制标准化图纸和报表模板。首先定制SmartPlant 3D所需格式的公司标准图框文件，再结合公司图纸格式规定对管道布置图、管道单线图和管道材料表进行用户化定制。

管道布置图模板包括：用户化定制符合公司图纸格式规定符合项目特点的各种不同元素的线型、线宽和颜色，柱网、设备位号、管口号、管线号、管线标高、仪表位号的标识方式及标注文字的字体和字高等。管道单线图模板包括：用户化定制符合公司图纸格式规定符合项目特点的单线图材料表格式，各种不同元素的线型、线宽和颜色，不同种类元件的图例，保温、管架的不同图例等。通过软件的图纸报表模块实现二维图纸的自动生成，模型自动消隐，模型属性自动标注，模型尺寸自动标注[4]。

管道材料表模板包括：用户化定制符合公司报表格式规定符合项目特点的Excel材料表模板，包块材料表的排序、裕量系数、长描述或短描述的选取等。通过软件的图纸报表模块完成分区汇料或整个项目汇料，并自动计算材料的裕量。

2.3 多专业协同三维建模

图4 二次开发支吊架图集

在统一的规则架构和权限约定下，配管、结构、仪表、电气等专业统一在SmartPlant 3D平台下开展项目的工程设计。在设计过程中，根据相关设计输入条件，配管专业完成了包括标准设备和非标准设备在内的所有工艺设备模型的建立（共121台套），完成了全部的管道设计，包括：规格1/2”-20”的管线1047根，管线总长约50km，阀门1672个，管件6914个；结构专业完成了设备基础、轴网、管廊柱梁、管架、管廊管架基础、管墩、平台、栏杆及房屋的结构建模；电气专业完成电缆桥架、灯杆，配电箱等建模工作；仪表专业完成仪表桥架，可燃气体检测探头等建模工作。各专业均在SmartPlant 3D工厂中建立三维实体模型参与三维协同设计，三维建模过程帮助设计人员更好地优化设计，使设计更加直观。服务器会持续自动检测设计中发生的碰撞，从根本上解决了管道系统之间、不同专业之间的碰撞问题，减少了现场返工。

在设计过程中，SmartPlant 3D以实体渲染的方式显示，可以直接通过软件自带的三维模型漫游功能进行模型审查，使三维设计的校审工作更加便捷和准确。SmartPlant 3D既有传统的服务端的全面碰撞检查，又有工作过程中的实时碰撞检查。服务端的全面碰撞检查是对整个项目进行完整的碰撞检查并生成报告，通过碰撞检查报告，便于在模型定位时对碰撞点进行检查。开启即时碰撞检查后，在工作过程中发生的碰撞可即时显示出来，提醒设计者及时进行调整和修改，从而有效地提高设计质量。

SmartPlant 3D与管道应力分析软件CAESARII具有双向接口，设计人员只要在软件中抽出PCF格式的单线图提交给管道应力专业，CAESARII软件可以自动导入PCF文件格式，节省管道应力专业在软件中自己搭建管道模型的时间。

2.4 三维模型审查

三维模型审查是各专业设计人员、施工方、PMC及业主检验三维设计工艺符合性、专业空间划分是否合理、专业接口是否正确、专业之间查缺补漏以及存在急需各方解决的问题等进行的审查。模型审查阶段通常按模型完成工作量划分为30%、60%、90%模型审查三个阶段，审查过程中会根据审查内容做好三维模型演示工作，记录各专业、施工方、PMC及业主的审查意见并在SmartPlant Review软件中截出图片，形成审查记录表，各专业负责人对本专业模型审查检查项进行确认，并在规定时间内修改完毕[5]。

2.5 自动生成图纸及材料表

三维模型的数字化工厂最终转化为实际工厂，需要将三维模型转化为二维图纸，从而用于现场施工。模型审查意见修改完成确认后即可进行图纸和材料表的自动生成工作。

管道平面图可以从模型中自动生成，根据不用项目的需要，SmartPlant 3D可以结合前期完成的用户化定制图纸模板实现二维平面图的自动生成。模型可自动消隐，模型属性可自动标注，模型尺寸可自动标注，能够自动生成各种加工和安装图纸，大大减少了后期手工标注的工作量。本项目一共生成管道平面图223张。

管道单线图的生成也十分简单，只需选取所需要的管线和图纸模板，软件会自动生成管道单线图。图纸上的标注、材料表等信息均根据用户化定制的图纸模板自动生成，基本不用手动修改。本项目一共生成管道单线图1068张，如图5所示。

由于本项目地处国外，交通不便，且当地基本没有管道材料的生产和加工能力，所以材料报表统计对项目采购和施工的影响重大。根据三维模型自动生成的材料报表，既节约了手工统计的工时，又保证了结果的准确性和规范性。软件还能根据施工的特殊需要，单独统计每个分区的材料，甚至每根管子的材料，以满足项目的特殊需要。

图5 管道平面图单线图

3 结语

在传统石油地面工程设计模式中，各设计专业间的集成与协同工作程度有限，工作流程不够优化，制约了工程设计效率和质量的进一步提高。各专业应用软件相对独立，相互间联系松散，数据库之间缺乏共享，使数据的一致性和可靠性受限。

多专业三维协同设计是一个相关专业协同设计的环境。要求设计人员以三维设计模型为平台开展工作，通过三维模型这个平台及时准确地接收和反馈专业条件，实现数据共享。多专业三维协同设计改变了传统的设计工作模式，实现各专业软件之间数据的自动传递，取代了手工数据输入与传递的方式，从而有效地提高数据的一致性、可靠性、共享性和安全性，实现规范化、标准化、自动化的工作流程，提高设计质量，最终实现对业主的数字化交付。

◆参考文献

[1] 陆洋. 三维设计软件在化工配管中的应用及PDS二次开发[D].大连：大连理工大学，2014.

[2] 朱春田. 石油化工多专业三维协同设计与设计模式变革[J].石油化工设计，2006，23(2)：3-6.

[3] 徐先宾，李尚泽，王海，等. 油田地面工程常用管道支吊架开发及应用[J].石油和化工设备，2014，(6)：5-9.

[4] 郭颖. SmartPlant3D的工程化应用[J].中国勘察设计，2014，(1)：89-91.

[5] 王钰铭，李晓亮，陆洋，等. 三维设计质量控制体系构建与研究[J].化工设计通讯，2016，42(1)：64-65.