Sm artPlant3D概述及其在化工設計中的應用

耿晶晶

中國石化集團南京工程有限公司 江蘇南京 211100

Sm artPlant3D概述及其在化工設計中的應用

耿晶晶

中國石化集團南京工程有限公司 江蘇南京 211100

本文簡單介紹了Smart Plant系列軟件中的Smart Plant 3D模塊，并結合筆者所參與設計的某罐區項目，從軸線、結構、設備、管道設計、出圖和材料統計等方面描述Sm art Plant 3D在化工設計中的應用特點。

Sm art Plant 3D 三維模型 工廠協同設計

近年來，隨著信息化、數字化技術的高速發展，化工設計行業已由單純的二維繪圖系統邁入了以網絡技術、數據庫技術、人工智能技術、現代管理技術等為基礎的工廠協同三維模型設計階段。與此同時，傳統的設計模式已經很難滿足設計行業對項目質量控制、進度監督管理和信息交換的需求。鑒于這一現象，國際大型軟件開發設計公司陸續推出了多款三維模型設計軟件，如早期的英國劍橋CAD中心的PDMS、CV公司的CADDS、Intergrah公司的PDS及Bech tel公司的產品。從90年代中期至今，三維模型設計軟件又有了進一步的發展，進入了工廠協同設計系統階段。它增加了對多專業或多設計者的跨地域、分布式的交互操作的支持，實現了工廠設計軟件之間的數據無縫集成和共享。國外比較有代表性的工廠領域內協同設計軟件有Bentley公司的 ProjectW iseTM、Autodesk公司的 RevitTM MEP以及Intergrah公司推出的Smart Plant系列軟件[1]。本文所講述的Smart Plant 3D即為Smart Plant系列軟件之一。

1 Smart Plant 3D概述

Smart Plant 3D是Smart Plant系列軟件的重要組成部分。Smart Plant系列軟件是一款基于數據庫的設計軟件，該軟件以區域或系統劃分工廠結構（WBS），統一按照設計院的設計規則及工作流程來進行設計，并可進行各模塊之間的集成，便于設計信息的查詢和管理，貫穿于設計、施工到運營等完整的工廠生命周期。圖1為Smart Plant系列軟件與整個工廠生命周期的關系簡圖。

Smart Plant 3D（以下簡稱SP3D）是面向數據、規則驅動的軟件，是基于數據庫基礎上的一體化多專業集成布置數據庫平臺，極大簡化了工程設計過程，有效使用并重復使用現有數據，圖2為SP3D的數據庫關聯簡圖。結構、設備、管道建模都在此模塊中完成。此外，SP3D還可以通過Smart Plant系列軟件中的Smart Plant Foundation接收Smart Plant P＆ID發布的數據，將3D中的模型與P＆ID圖紙中的對象進行對比驗證，實現設計數據從二維到三維的傳遞、設計的集成及與P＆ID圖紙的一致性校驗。

2 Smart Plant 3D(SP3D)的應用特點

進入 SP3D，需要首先定義一個工廠區域（Define Workspace）。通過過濾器（Filter）的設置，選擇用戶此次進入SP3D所需要顯示的范圍。SP3D可以保存一個個性化的設置文件（session文件）在電腦桌面上，該文件包含了用戶最后一次保存的視圖、過濾、菜單、軟件設定等。若用戶在上次退出SP3D程序時未將最新的視圖保存至桌面的session文件，則用戶采用桌面session文件快捷方式進入SP3D程序時，必須刷新后才可以得到最新的視圖信息。下文結合筆者所參與設計的某罐區項目，從軸線、結構、設備、管道設計、出圖、材料統計等方面描述SP3D的應用特點。

2.1 軸線設置

SP3D建模的基礎是由單個或多個用戶使用絕對坐標將整個工廠的三維模型建立起來。在這個模型中，用戶可以很直觀地完全預覽到整個工廠的模型，及時發現并有效糾正結合部位的錯誤。石油化工等設計項目的軸網系統非常繁瑣，需要用到絕對坐標和相對坐標結合的方式來完成[3]。SP3D可以使用Pinpoint命令來有效地結合使用絕對坐標和相對坐標，并可以定義坐標原點。建立起來的軸網系統可以作為全局的參考坐標和定位系統，極大地簡便了后續結構、設備、管道等的布置定位。圖3為SP3D建立的幾種軸線形式。

在實際項目中，并非所有的軸線都是與設計北向相平行或垂直的，筆者所參與設計的罐區項目既是如此。圖4為該罐區中外管廊單元的軸網系統，它有三部分的軸線是傾斜的，與全局坐標(設計北向)有一定的角度。布置傾斜的軸線，可以利用旋轉命令將軸線旋轉到所需要的角度，或者直接在建立軸線時，在Bearing一欄輸入所需要的角度即可。依據管廊和交換站的位置、高度、層高及跨度等結構條件，可以建立不同的坐標系，通過該軸網系統，可以很清楚地知道該罐區外管廊的整體布局，并可方便地確定管廊柱與梁的位置。

2.2 SP3D在結構設計方面的特點

SP3D在結構建模方面最大的特點就是其桿件之間的關聯性。失去關聯意味著失去基礎，對往后的復制、鏡像等操作以及輸出文件都會造成很大的影響。桿件的復制步驟如下：先選擇桿件，確定復制參考點。當選擇粘貼命令后，會彈出對話框，根據它與平面、軸線或其他桿件的關聯性（這些關聯性是在建立該桿件時創建的，因此根據不同的復制需要，用戶需選擇合適的關聯基準），逐一選擇目標位置上的關聯構件才能確保操作成功。

SP3D中樓板的創建可以采用多種方法，通常用戶首先需要選定樓板放置的平面，選擇樓板的類型，根據需要修改樓板的相關屬性信息，在該平面中選擇鋪設樓板的邊界。用戶可以選擇事先建立好的軸線系統作為樓板的邊界，也可以選擇桿件作為邊界來定義樓板，此時作為邊界的桿件在任一條直線上不能重復，但可以沿著其軸線延伸到相鄰的邊界桿件，因此用戶無需選擇樓板邊界上的所有桿件。如圖5-1所示，用戶只需選擇高亮部分的桿件作為樓板的邊界，即可得到圖5-2所示的樓板范圍。此外，用戶還可以在2D或是3D界面下選擇不規則的邊界，墻體的邊界選擇亦是如此。

SP3D對于如樓梯、爬梯、扶手等結構的創建主要基于外型方面的參數設置，用戶可以根據設計需要選擇合適的類型，并可對相應的參數進行修改。但在該罐區項目中，這些零星結構的設置主要用于示意及檢查碰撞，并不作為結構專業的出圖標準。

2.3 設備的創建

在SP3D中用戶可以放置參數化設備，也可根據需要放置非參數化設備。放置參數化設備相對比較簡單，用戶在設備的屬性頁面中可以很直觀地查看設備的外型和參數定義，由此用戶可以根據設備信息，對SP3D數據庫中已有的設備模型進行修改，如定義設備名稱，存放的目錄，以及修改設備的尺寸、參考點等標準屬性。圖6為參數化設備的屬性頁面。

當SP3D數據庫中現有的設備模型不能滿足用戶的需要時，用戶也可以自定義設備類型，放置非參數化設備。SP3D還提供了多種體形元件（shapes）供用戶選擇，如圓柱、圓臺、半球體、長方體等等，用戶可以借此來模擬一些簡易設備的基本外型。

此外，用戶還可以導入外部文件來插入設備外形體，但必須是SP3D支持的軟件，如SAT格式的文件或是DGN格式的文件。

在設備建模中，管嘴的放置是最重要的部分之一。管嘴有不同的類型及放置方式，但首先都必須在設備本體上定義一個數據點作為管嘴放置的參考點。用戶可以利用設備本體自帶的數據點，也可以利用Shapes中的Place Patumshape命令(如圖7所示)在設備上放置新的數據點，以便更為方便地放置管嘴。2.4管道模型的建立

SP3D中管道模型的建立首先需要充分理解管道的不同屬性。在管道模型中，SP3D將管道屬性分為Pipeline、Pipe Run、Pipe Features、Pipe Parts、Pipe Port、Pipe Path Leg等，其中Pipeline、Pipe Run和Pipe Features最為常用，這三者在工廠結構（WBS）中的關系示意圖如圖8所示。

Pipeline是由一系列Pipe Run組成的整體，一個Pipeline可以有若干個Pipe Run。Pipeline的命名一般為流程圖中定義的管線號。在Pipeline狀態下只可以查看Pipeline的屬性或整體刪除整個管線，不可以對管線或管段進行復制、修改或移動。

Pipe Run是Pipeline的下一級屬性，當管子出現分支、管徑改變、流向改變或溫度、壓力等其它屬性發生變化時，Pipe Run也隨即改變，即出現新的管段（如圖9-1所示）。有時候根據需要，用戶也可以人為地增加新的管段，即使新的Pipe Run沒有任何變化。 Pipe Run的命名可以根據用戶自己的需要來確定，對最終的出圖沒有影響。

管段時，即是布置管道特性—Pipe Features。如圖9-2所示，Pipe Features十分清楚地表現了該管段的空間路徑和設計者的設計意圖。

在布置管道過程中，SP3D為用戶提供了多種方式來布置和測量管道，如管中心、管底、保溫/保冷層外徑等定位方式。SP3D在布置管道時，利用Offset命令可以很方便地定位管道與相關物體（如柱、梁、軸線或是其他管道）的偏移值，從而簡化管道的布置定位。SP3D的另一個特點是在確定位置時，可以先使用鼠標中鍵確定某一個方向，再使用左鍵確定最終位置。這一特點使得SP3D的定位極其方便且不易出錯。SP3D的管段模型界面可以選擇全部以裸管的形式出現，也可以將保溫/保冷層顯示出來，從而更好地檢查是否碰撞。

2.5 管道平面布置圖的生成及軸側圖的抽取

數字化工廠最終轉化為實際物理工廠需要將三維模型轉化為二維圖紙，從而直接用于施工方的現場指導。當模型的各項檢查完成并修改后，建立合適的Space模塊，選取一定的圖紙模板，SP3D可自動生成施工所需的管道平面布置圖。根據不同的項目要求，SP3D可以設置不同的自動標注類型，大大減少了手工標注的工作量。

SP3D中軸側圖的抽取十分簡單，只需選取所需要的管線,軟件會自動生成該管線的單線圖。圖紙上的標注、材料統計等均為自動生成，基本不需要修改，且管線所占的圖幅比例能夠自動調整，如一張A 3圖紙放不下可自動分圖。當單線圖生成后，用戶可以方便地檢查圖紙中的設計錯誤，然后進入模型中修改，之后再對該管線進行更新即可得到修改后的單線圖。圖10為罐區項目的管道平面布置圖及軸測圖示例。

2.6 材料統計

實際項目中材料統計對于采購和施工影響重大。SP3D的材料統計是其最為節省人力的功能之一，且比手工統計更為準確。SP3D可以生成全局總材料，也可以根據各個單元分區統計材料，甚至生成單根管道材料，從而滿足項目的不同需要。

隨著全球經濟的發展，化工設計行業的競爭日益激烈，工廠協同設計已成為目前化工設計的趨勢。Smart Plant系列軟件在一定程度上能很好地滿足化工行業協同設計的需要，尤其是對于工藝、管道專業，Smart Plant 3D簡化了管道專業設計的許多環節，提高了數據的共享性和一致性，相信隨著Smart Plant系列軟件的進一步推廣和完善，其在化工設計行業的應用將會日益廣泛。

1 石念峰.流程工廠協同設計系統及關鍵技術研究.

2 曹瑋，賀清.Smart Plant系列軟件在電力工藝專業設計中的應用及前景分析.能源工程.2010,2(29).

3 姚偉龍.淺談Smart Plant 3D(智能工廠三維軟件)與Tek la Structure異同.科技創新導報.2010.

TU 17

B

1672-9323（2011）03-0048-04

2011-02-20）