三維設計平臺在快堆中的應用研究

周立軍

摘 要 中國實驗快堆在設計和施工過程中，一直面臨各種各樣的困難和問題。各工藝系統都是獨立進行布置設計，并未進行真正意義上的綜合設計，施工時設備、管道和支吊架等干涉現象較多，導致現場安裝所需進行的設計變更較為頻繁，進而影響了工程的施工進度。文章探討了在快堆工藝系統設計中開始引入三維數字平臺這一先進的工程平臺和設計手段，并提出了若干預期目標，比如各專業協同設計、在設計過程中完成碰撞和干涉檢查、施工模擬、平立面圖和材料報表從統一的數據庫中提取等等，進而提高我們的設計水平、設計質量和設計效率，同時可以更加科學合理地使用人力資源。

關鍵詞 快堆；三維數字平臺；建模

中圖分類號：TL43 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0129-03

核電站的設計是一項極其龐大的系統工程，要想做到優質高效的完成就必須有高質量的管理和先進的設計手段相結合。作為目前國際工程管理公司最為暢銷的三維數字平臺（或者有著不同的叫法，其核心內容和手段是一致的），是在統一的工作平臺基礎上，利用三維設計工具，各專業工種協作，資源共享，實現空間的實時可變的輔助設計。它最簡單和顯而易見的優點包括：

1）三維設計起步，直接抽取軸測圖和平立面圖。

2）與土建平行設計，土建偏差影響能直接得到直觀反映。

3）三維仿真，建模過程完成碰撞和干涉檢查。

4）安裝中隨過程修改，實時進行全面的碰撞檢查。

5）從數據庫中提取材料參數表。

6）三維模型導入管道分析軟件，反饋及時。

7）統一智能平臺管理，相應權限劃分嚴格。

8）通過系統平臺，總工程師控制全局。

1 三維數字平臺的選擇

設計則是精確的，設計軟件是為了實際工程實施的設計工具，設計軟件是為了實際工程實施的設計工具，分為一類以繪圖為目的的CAD，這里D表示繪圖，如DRAWING、AUTOCAD、MicroStation等軟件；另一類是以設計為主的CAD，這里的D表示設計，它又可以分為兩種：一種是以參數化為代表的機械類軟件，比如PRO-E、SolidWorks、CATIA、INVENTOR等，以及相應更高層次的三維設計，這種設計屬于離散型工藝，更接近以傳動設備為中心的，非連續的工藝過程；另一種就是我們所要引入的流程化工程性質的三維數字平臺，比如Intergraph公司的PDS系統和SmartPlant 3D系統、Bentley公司的PlantSpace系統和AVEVA公司的PDMS系統。

三維數字平臺概念具體體現在以下幾個方面。

1）集成化項目模型。各個專業的三維模型（建筑、結構、設備、管道、電纜橋架等）組成的全信息工程模型，包括：幾何信息（長度、高度、厚度、坐標軸）；屬性信息（樣式、材質、單位重量、成本）。

2）三維設計。三維設計的最大特點就是在虛擬環境中建立項目的三維實體，正在反映了設計人員頭腦中想象出各物項的空間形象，可以非常直觀和明確的反饋各物體之間的空間關系，便于進行碰撞檢查及調整修改。

3）多專業協同設計。在統一的設計平臺，使用統一的數據庫，讓項目設計人員得以運用集成模型，進行團隊合作和集成制造，實現多專業協同工作的目的。

還可以跨越地域以便同步分享圖表與屬性數據。工作團隊，無論是在同一處室或在同一棟建筑，還是在不同的城市、國家、甚至是不同洲，其設計與工程信息之間的協調性可大幅地改善，對位于不同時區的跨國合作項目特別有幫助。

4）統一的應用平臺。三維數字平臺在一個工程中使用統一的應用平臺，經過長期應用和探索分析，目前快堆工藝系統的三維數字平臺是基于Intergraph公司的SmartPlant系統（見圖1），目前正在該系統中進行快堆某些項目的設計。

圖1 SmartPlant集成系統

2 SmartPlant 3D在快堆某項目中的應用

SmartPlant 3D作為最先進的工廠設計軟件，是Intergraph推出的新一代的，面向數據的，規則驅動的更符合工程設計流程的軟件，工程數據可以更好的被使用和復用。SmartPlant 3D以MS SQL和Oracle為基礎數據庫，所有模型都是以對象形式存放在基礎數據庫中，并且不需要其他的圖形引擎，使用較易使用的Visual Basic作為開發工具。SmartPlant 3D是一個前瞻性的產品，它改變了工程設計的方式，它打破了傳統設計技術的局限。與簡單的完成工廠設計相比，SmartPlant 3D能夠更有效的優化設計，提高效率并縮短項目周期。

Smartplant 3D是一個新型的三維工廠設計系統，它與我們以往所使用的設計軟件在設計習慣上有所不同，在設計流程、二次開發、系統管理等方面對我們來說都是全的課題。

2012年3月-5月進行了快堆某項目的三維設計，由工藝、結構、管道等專業人員共同進行三維建模，具體內容和步驟如下。

1）管道元件數據庫定制。由于快堆采用鈉作為工作介質，運行溫度較高，對于材料具有的特殊要求，而SmartPlant 3D附帶的數據庫中并沒有我們工藝上所使用的管道、閥門和儀表等數據，要將SmartPlant 3D應用到工程實踐中，必須在工程項目實施前對其進行全面的二次開發，定制適用于快堆項目的管道元件數據庫，這是一項長期且復雜的工程，只有在不斷的實際工程中逐漸補充完善。

管道元件數據庫的建立主要是將工程前期準備好的管道材料表按SmartPlant 3D標準Excel文件進行輸入，通過SmartPlant 3D附帶的Bulkload Utility導入工具，將Excel文件中的數據加載到SmartPlant 3D數據庫中以滿足工程設計應用。管道元件數據庫的定制主要涉及以下幾個Excel文件：AllCodeLists——所有代碼的聲明、Piping Catalog——管道元件物理參數、Piping Specification——管道元件屬性描述、Instrument Data——標準儀表數據庫、Equipment——標準設備數據庫等，這些Excel文件在定義管道元件是相互關聯的，稍有錯誤就會影響三維模型的生成，必須導入測試服務器中數據庫中進行仔細檢查和測試，發現錯誤則返回Excel文件修改，直到能生成正確的三維模型，才能將定制的管道元件數據導入實際項目的數據庫中。此項工作是使用SmartPlant 3D必不可少一個工作步驟，應組織經驗豐富的工藝管道工程師按標準和規范逐步完善管道元件數據庫。endprint

我們在引入SmartPlant 3D設計平臺后，定制的快堆專屬管道元件數據庫（見圖2）。

圖2 部分快堆工程管道元件數據庫

2）操作權限劃分。SmartPlant 3D作為全廠設計軟件，所有專業都是在同一個環境下進行設計，所有數據都存儲在服務器中，通過權限組和項目層級相匹配的方式來保證不同專業、不同人員既能互相協作而又不互相干擾。在開始一個項目設計前，系統管理員需要在服務器端建立一個項目，并劃分層次結構和設定權限，權限組的層次如下：

項目/參考數據庫——最高層的權限組；

權限組目錄——含有用戶權限組的目錄；

用戶權限組——根據Windows登錄用戶或用戶組分配訪問權限。

操作權限級別如下：

Read—僅能瀏覽模型對象；

Write—可以建立、修改、刪除模型對象；

Full Control—可執行寫權和批準模型對象。

我們目前按專業進行了權限組的劃分：Piping、Structure、Electrical、Drawing等。

3）土建結構建模。首先，結構專業人員根據項目的總體方案，使用Grids模塊進行項目的軸網布置，在Structure模塊中進行土建結構建模，確定廠房的尺寸和坐標，便于設備布置和定位等，再建立廠房整體結構，使模型具備土建條件。

圖3 快堆某項目廠房結構模型

4）設備建模和布置。設備建模在Equipment and Furnishings模塊中進行。SmartPlant 3D數據庫中有部分標準設備模型，本項目所需的大部分設備模型都需要利用標準幾何體進行拼裝，并保證外形尺寸、接管尺寸和方位等與設備的設計參數一致。當然也可以將設備的三維設計模型導入到SmartPlant 3D數據庫中使用。設備建模完成后，可以按廠房的尺寸坐標和工藝要求進行布置設計。

5）管道布置。管道的設計在Piping模塊中進行，必須嚴格按照工藝流程圖進行，并遵循先主工藝專業后輔助專業，先主要管道后次要管道的原則。此外，根據鈉系統的特殊要求，在進行管道設計布置設計時必須遵守下列原則：設備與管道必須采用焊接方式；要遵守相應等級的設計規范；由于鈉管道的高溫和材料的特性，合理利用彎管、彎頭或矩形補償器吸收熱膨脹；須有符合規范要求的傾斜度；設置合理的固定點；合理配置支吊系統等。

圖4 本項目中典型系統的設備及管道布置

6）碰撞檢查。SmartPlant 3D的碰撞檢查有兩種工作模式，一種是基于服務器的碰撞檢查，檢查所有模型的所有碰撞；另一種是基于客戶端的交互式的碰撞檢查，可以實時幫助設計人員檢查模型是否發生碰撞。

在SmartPlant 3D中可對整個項目的模型進行碰撞檢查（見圖5），即可以檢查出各專業模型間的直接碰撞（硬碰撞，紅色圓球或方塊提醒），包括：管道與管道、管道與設備、管道與結構等，也可檢查出各模型與預留空間（如操作空間、檢修空間和保溫層等）的碰撞（軟碰撞，黃色圓球或方塊提醒）。

圖5 本項目中的實時碰撞檢查

7）圖紙和報表生成。三維建模只是手段，我們真正需要的是用于施工的管道軸測圖、平立面圖、材料報表等。SmartPlant 3D中自帶的圖紙和報表模板并不滿足我們的要求，必須對圖紙和報表模板進行定制。相對于定制數據庫的繁瑣，定制圖紙和報表模板難度更大也更重要，需要了解定制模板相關的無數的選項和開關，需要理解數據庫中的數據存儲方式等。模板的定制是我們所遇到的最棘手、最困難的部分工作。經過我們的不懈努力，并在Intergraph工程師的幫助和指導下，最終完成了此項工作。

3 結束語

在該項目設計過程中實現了各專業協同設計，最終項目成果見圖6。在本項目的設計過程中完成三維建模、多專業協同設計、碰撞和干涉檢查、施工模擬、軸測圖、平立面圖和材料報表從統一的數據庫中提取等預期目標。

信息時代設計手段日新月異，我們在快堆項目中引入SmartPlant 3D三維設計平臺，實現設計理念和設計模式的轉變，提升整體設計質量、設計水平和設計效率，形成了專業化設計能力。在工程實踐中，我們感受到Intergraph公司SmartPlant系統的前瞻性和先進性，我們將逐步實現示范快堆項目三維數字工廠的設計、施工、管理集成化目標。

圖6 快堆某項目三維模型

參考文獻

[1]鄧培坤，馬明.1.12 中國實驗快堆（CEFR）控制棒驅動機構初步設計任務書[J].中國原子能科學研究院年報，1995.endprint

我們在引入SmartPlant 3D設計平臺后，定制的快堆專屬管道元件數據庫（見圖2）。

圖2 部分快堆工程管道元件數據庫

2）操作權限劃分。SmartPlant 3D作為全廠設計軟件，所有專業都是在同一個環境下進行設計，所有數據都存儲在服務器中，通過權限組和項目層級相匹配的方式來保證不同專業、不同人員既能互相協作而又不互相干擾。在開始一個項目設計前，系統管理員需要在服務器端建立一個項目，并劃分層次結構和設定權限，權限組的層次如下：

項目/參考數據庫——最高層的權限組；

權限組目錄——含有用戶權限組的目錄；

用戶權限組——根據Windows登錄用戶或用戶組分配訪問權限。

操作權限級別如下：

Read—僅能瀏覽模型對象；

Write—可以建立、修改、刪除模型對象；

Full Control—可執行寫權和批準模型對象。

我們目前按專業進行了權限組的劃分：Piping、Structure、Electrical、Drawing等。

3）土建結構建模。首先，結構專業人員根據項目的總體方案，使用Grids模塊進行項目的軸網布置，在Structure模塊中進行土建結構建模，確定廠房的尺寸和坐標，便于設備布置和定位等，再建立廠房整體結構，使模型具備土建條件。

圖3 快堆某項目廠房結構模型

4）設備建模和布置。設備建模在Equipment and Furnishings模塊中進行。SmartPlant 3D數據庫中有部分標準設備模型，本項目所需的大部分設備模型都需要利用標準幾何體進行拼裝，并保證外形尺寸、接管尺寸和方位等與設備的設計參數一致。當然也可以將設備的三維設計模型導入到SmartPlant 3D數據庫中使用。設備建模完成后，可以按廠房的尺寸坐標和工藝要求進行布置設計。

5）管道布置。管道的設計在Piping模塊中進行，必須嚴格按照工藝流程圖進行，并遵循先主工藝專業后輔助專業，先主要管道后次要管道的原則。此外，根據鈉系統的特殊要求，在進行管道設計布置設計時必須遵守下列原則：設備與管道必須采用焊接方式；要遵守相應等級的設計規范；由于鈉管道的高溫和材料的特性，合理利用彎管、彎頭或矩形補償器吸收熱膨脹；須有符合規范要求的傾斜度；設置合理的固定點；合理配置支吊系統等。

圖4 本項目中典型系統的設備及管道布置

6）碰撞檢查。SmartPlant 3D的碰撞檢查有兩種工作模式，一種是基于服務器的碰撞檢查，檢查所有模型的所有碰撞；另一種是基于客戶端的交互式的碰撞檢查，可以實時幫助設計人員檢查模型是否發生碰撞。

在SmartPlant 3D中可對整個項目的模型進行碰撞檢查（見圖5），即可以檢查出各專業模型間的直接碰撞（硬碰撞，紅色圓球或方塊提醒），包括：管道與管道、管道與設備、管道與結構等，也可檢查出各模型與預留空間（如操作空間、檢修空間和保溫層等）的碰撞（軟碰撞，黃色圓球或方塊提醒）。

圖5 本項目中的實時碰撞檢查

7）圖紙和報表生成。三維建模只是手段，我們真正需要的是用于施工的管道軸測圖、平立面圖、材料報表等。SmartPlant 3D中自帶的圖紙和報表模板并不滿足我們的要求，必須對圖紙和報表模板進行定制。相對于定制數據庫的繁瑣，定制圖紙和報表模板難度更大也更重要，需要了解定制模板相關的無數的選項和開關，需要理解數據庫中的數據存儲方式等。模板的定制是我們所遇到的最棘手、最困難的部分工作。經過我們的不懈努力，并在Intergraph工程師的幫助和指導下，最終完成了此項工作。

3 結束語

在該項目設計過程中實現了各專業協同設計，最終項目成果見圖6。在本項目的設計過程中完成三維建模、多專業協同設計、碰撞和干涉檢查、施工模擬、軸測圖、平立面圖和材料報表從統一的數據庫中提取等預期目標。

信息時代設計手段日新月異，我們在快堆項目中引入SmartPlant 3D三維設計平臺，實現設計理念和設計模式的轉變，提升整體設計質量、設計水平和設計效率，形成了專業化設計能力。在工程實踐中，我們感受到Intergraph公司SmartPlant系統的前瞻性和先進性，我們將逐步實現示范快堆項目三維數字工廠的設計、施工、管理集成化目標。

圖6 快堆某項目三維模型

參考文獻

[1]鄧培坤，馬明.1.12 中國實驗快堆（CEFR）控制棒驅動機構初步設計任務書[J].中國原子能科學研究院年報，1995.endprint

我們在引入SmartPlant 3D設計平臺后，定制的快堆專屬管道元件數據庫（見圖2）。

圖2 部分快堆工程管道元件數據庫

2）操作權限劃分。SmartPlant 3D作為全廠設計軟件，所有專業都是在同一個環境下進行設計，所有數據都存儲在服務器中，通過權限組和項目層級相匹配的方式來保證不同專業、不同人員既能互相協作而又不互相干擾。在開始一個項目設計前，系統管理員需要在服務器端建立一個項目，并劃分層次結構和設定權限，權限組的層次如下：

項目/參考數據庫——最高層的權限組；

權限組目錄——含有用戶權限組的目錄；

用戶權限組——根據Windows登錄用戶或用戶組分配訪問權限。

操作權限級別如下：

Read—僅能瀏覽模型對象；

Write—可以建立、修改、刪除模型對象；

Full Control—可執行寫權和批準模型對象。

我們目前按專業進行了權限組的劃分：Piping、Structure、Electrical、Drawing等。

3）土建結構建模。首先，結構專業人員根據項目的總體方案，使用Grids模塊進行項目的軸網布置，在Structure模塊中進行土建結構建模，確定廠房的尺寸和坐標，便于設備布置和定位等，再建立廠房整體結構，使模型具備土建條件。

圖3 快堆某項目廠房結構模型

4）設備建模和布置。設備建模在Equipment and Furnishings模塊中進行。SmartPlant 3D數據庫中有部分標準設備模型，本項目所需的大部分設備模型都需要利用標準幾何體進行拼裝，并保證外形尺寸、接管尺寸和方位等與設備的設計參數一致。當然也可以將設備的三維設計模型導入到SmartPlant 3D數據庫中使用。設備建模完成后，可以按廠房的尺寸坐標和工藝要求進行布置設計。

5）管道布置。管道的設計在Piping模塊中進行，必須嚴格按照工藝流程圖進行，并遵循先主工藝專業后輔助專業，先主要管道后次要管道的原則。此外，根據鈉系統的特殊要求，在進行管道設計布置設計時必須遵守下列原則：設備與管道必須采用焊接方式；要遵守相應等級的設計規范；由于鈉管道的高溫和材料的特性，合理利用彎管、彎頭或矩形補償器吸收熱膨脹；須有符合規范要求的傾斜度；設置合理的固定點；合理配置支吊系統等。

圖4 本項目中典型系統的設備及管道布置

6）碰撞檢查。SmartPlant 3D的碰撞檢查有兩種工作模式，一種是基于服務器的碰撞檢查，檢查所有模型的所有碰撞；另一種是基于客戶端的交互式的碰撞檢查，可以實時幫助設計人員檢查模型是否發生碰撞。

在SmartPlant 3D中可對整個項目的模型進行碰撞檢查（見圖5），即可以檢查出各專業模型間的直接碰撞（硬碰撞，紅色圓球或方塊提醒），包括：管道與管道、管道與設備、管道與結構等，也可檢查出各模型與預留空間（如操作空間、檢修空間和保溫層等）的碰撞（軟碰撞，黃色圓球或方塊提醒）。

圖5 本項目中的實時碰撞檢查

7）圖紙和報表生成。三維建模只是手段，我們真正需要的是用于施工的管道軸測圖、平立面圖、材料報表等。SmartPlant 3D中自帶的圖紙和報表模板并不滿足我們的要求，必須對圖紙和報表模板進行定制。相對于定制數據庫的繁瑣，定制圖紙和報表模板難度更大也更重要，需要了解定制模板相關的無數的選項和開關，需要理解數據庫中的數據存儲方式等。模板的定制是我們所遇到的最棘手、最困難的部分工作。經過我們的不懈努力，并在Intergraph工程師的幫助和指導下，最終完成了此項工作。

3 結束語

在該項目設計過程中實現了各專業協同設計，最終項目成果見圖6。在本項目的設計過程中完成三維建模、多專業協同設計、碰撞和干涉檢查、施工模擬、軸測圖、平立面圖和材料報表從統一的數據庫中提取等預期目標。

信息時代設計手段日新月異，我們在快堆項目中引入SmartPlant 3D三維設計平臺，實現設計理念和設計模式的轉變，提升整體設計質量、設計水平和設計效率，形成了專業化設計能力。在工程實踐中，我們感受到Intergraph公司SmartPlant系統的前瞻性和先進性，我們將逐步實現示范快堆項目三維數字工廠的設計、施工、管理集成化目標。

圖6 快堆某項目三維模型

參考文獻

[1]鄧培坤，馬明.1.12 中國實驗快堆（CEFR）控制棒驅動機構初步設計任務書[J].中國原子能科學研究院年報，1995.endprint