SP3D在模塊化設計中的應用

康正華

惠生工程（中國）有限公司 （上海 201210）

隨著科學技術的迅猛發展，工程設計已進入利用三維軟件輔助設計的階段，由美國鷹圖公司開發的SP3D（智能工廠三維軟件）是目前智能工廠設計系統領域中最新的主流產品。模塊化設計早在20世紀80年代由美國工程師提出并在中東的項目中得到實際運用，發展至今已經有30多年的時間。由于模塊化設計具有可以大幅降低施工現場人工消耗量、降低現場不利因素的影響、提高施工質量和施工安全性、保護環境等優勢，已經成為工程設計，特別是一些海外工程項目設計的一個主要趨勢。

1 模塊化設計介紹

模塊是構成系統的具有特定功能的、可兼容和互換的獨立單元。模塊既可以構成系統，又是系統分解的產物，還可以組成新系統乃至復雜的大系統[1]。所以，模塊化設計的特點在于它不是面向單個產品，而是面向整個產品系統（產品族），能夠產生多種不同功能或功能相同、性能不同的系列產品[2]。

模塊化設計的重點在于模塊的劃分，模塊間的連接，模塊的制造、運輸和安裝。模塊大小的劃分取決于模塊的運輸和吊裝條件，一般而言，模塊的陸上運輸對其劃分影響較大。模塊間的連接需要重點考慮模塊現場安裝的條件和施工誤差等，應盡量使相似模塊間的連接方式統一或標準化。模塊的質量受到現場吊裝條件的制約。因此，模塊化設計受制于現場施工條件、運輸條件、起吊條件等各種外部條件，且比常規設計更為復雜。

根據Bechtel公司的項目文件要求，模塊化設計的原則如下：（1）充分考慮施工、檢修和操作要求；（2）模塊間的連接方式宜相同；（3）宜采用相似或相同的支架；（4）宜使用相同的方法控制偏差；（5）宜使用標準化設計和詳圖、設備，以簡化采購和材料控制工作；（6）各區域相似的模塊宜使用相同的現場安裝流程；（7）模塊設計文件列表應包括足夠的海運、陸運及吊裝計劃的圖紙和數據；（8）明確和完善在模塊制造場進行試壓和預試車的系統和部件。

2 SP3D在模塊化設計中的應用

2.1 SP3D軟件發展概況

三維數字工廠設計軟件SP3D是面向數據、規則驅動的軟件，其集成整合的性能優越，設計思想先進。它使傳統設計由以“圖紙繪制”為核心轉化為以“數據建模”為核心，通過將設計標準、規則、程序和定型設計定制在集成設計軟件和系統中，強制約束設計行為，提高設計質量，通過集成的平臺實現EPC項目（對一個工程負責進行設計、采購、施工）不同階段、不同組織、不同專業之間信息的共享，并且可以實現工程全生命周期的數據移交，從而保證設計質量，提高設計效率。設計過程中，設計者看到的是三維的立體空間模型（如圖1所示），并可以實時地看到設計成果，了解各部分之間的空間關系，不必過多地考慮在平立面上的投影及畫線、畫弧等圖面表達方式，從而有更多的精力去思考工藝流程的優化，實現從計算機輔助繪圖到計算機輔助設計的飛躍[3]。

2.2 Rule Checker在模塊化設計中的應用

圖1 SP3D界面

SP3D提供一項名為Rule Checker的服務，該服務是基于.Net的Windows系統服務。通過它可檢測模型中新修改或者創建的某些對象，并對這些對象運行指定的規則。.Net規則用戶可以對每一個模型數據庫創建一個服務的實例，從而對不同的項目運行指定的規則，可以說該服務是為模塊化設計量身定做的。通過Rule Checker服務，SP3D的客戶端用戶可以在3D模型中按照項目模塊劃分的大小創建一個相同大小的Volume，并將其定義為Module Volume，如圖2所示。

圖2 Volume類型選擇

與普通Volume不同，Module Volume提供了3個新的參數：Design Area、Sub Area、Module No。在完成Module Volume后，在該Module Volume范圍內的所有元素（包括管道部件、設備、結構部件、儀表電氣部件等）都將通過后臺服務寫入這些Module信息（見圖3），同時新建的元素也將帶有這些Module信息。而在服務器端，Rule Checker服務會每隔一段時間自動檢測該Module Volume的變化（包括Volume本身及Volume范圍內元素的變化）并及時更新，以保證SP3D模型中數據的實時更新。傳統模塊化設計中，Module信息多為工程師手動輸入，使用Rule Checker服務既節約了大量人工輸入時間也避免了人工輸入產生的誤差，提高了設計效率和設計質量。

圖3 Volume參數填寫

基于Rule Checker服務，設計者可根據Module Volume的參數進行出圖及材料統計。在完成三維模型后，通過選擇指定的Module Volume和模塊化設計的定制出圖和材料統計模板，可自動生成所需要的平面圖、立面圖、剖面圖和三維立體效果圖。在材料統計方面，SP3D軟件不僅能按傳統的區域統計材料，更可按照Module Volume提供的Design Area、Sub Area、Module No三個參數來進行分類統計，使其更加靈活多變，也可以使每個模塊的材料需求一目了然，方便采購專業合理地制定材料采購計劃。

在EPC總承包項目中，巧妙地運用Module Volume參數，可以簡單有效地將每個模塊的圖紙信息、建造材料分配給相應的分包商，這樣不僅可以大量減少人工操作，而且可以將圖紙與材料一一對應，提高項目文檔控制和材料控制的效率和準確性。

此外，結合SP3D提供的模型碰撞檢查功能，工程師可以通過碰撞檢查快速地發現是否有部件超過模塊切分范圍，確保模塊整體尺寸符合項目對模塊大小的規劃，有效地解決了模塊化設計中模塊尺寸的控制問題。

2.3 Automation服務在模塊化設計中的應用

由于模塊化設計不僅受到運輸條件約束，也受到吊裝條件的影響。為保證吊裝的順利進行，在模塊設計時控制好模塊總質量及其重心位置，可以保證施工現場的吊裝作業順利進行。

SP3D中的Automation服務能夠使設計者快速且準確地計算出現有模塊的質量及其重心所在。設計者可以通過Module Volume全選整個模塊，也可以通過SP3D的過濾器功能選擇單個或者多個設備、管部件、結構部件等元素，點擊命令后便可得到需要的質量和重心位置，具體操作如圖4所示。當然，該功能的實現離不開SP3D強大的后臺數據庫。在使用Automation服務來計算模塊或者部件的質量及重心位置之前，需要建立一個完善的數據庫，其中的標準管部件、設備、結構部件等都需要帶有自身質量和重心位置。對于非標準的管部件、設備、結構等，設計人員需要按照要求及供應商圖紙，給出正確的質量和重心位置。否則，Automation服務將由于缺少數據而無法完成計算。

圖4 模塊質量計算結果展示

Automation服務的運用，有效地解決了模塊化設計中模塊質量和重心位置的控制問題，提高了設計質量和設計效率。

2.4 SPP&I D（智能工廠管道儀表流程圖）在模塊化設計中的應用

SPP&I D同樣是由美國鷹圖公司開發的，用于實現工藝流程圖數字化的智能軟件。與用AutoCAD等所繪的二維流程圖不同，SPP&ID中的管線、設備等都帶有自己的參數，工藝工程師在SPP&I D中輸入相關數據（如設計溫度、設計壓力、管道等級等）后，軟件會將這些數據定為數據源。SPP&I D通過后臺服務器的Smart Plant Foundation連接到SP3D，當設計人員在進行這些管線、設備的建模時，相應的數據會自動傳遞到SP3D中，避免了三維建模人員手動輸入可能產生的誤差，工作原理如圖5所示。

圖5 Smart Plant Foundation原理介紹

對于已經完成的三維模型，SPP&I D與SP3D還能進行聯動互校驗，可以通過對比SPP&I D和SP3D模型，檢查兩種模型中的工藝數據是否一致，還可以檢查管道系統是否符合工藝要求，管部件類型是否一致，若不一致將按照SPP&I D的數據進行更新，以保證工藝數據的唯一性。如此，不僅降低了人為誤差，提高了設計質量，還可以大大降低模型校審人員的工作量，提高工作效率。

3 結束語

SP3D作為新一代的三維設計軟件，不僅操作更簡單、界面更友好，而且其提供的一些新的服務可以很好地運用到模塊化設計項目中去，幫助設計人員控制模塊的尺寸大小和重心，大幅提高設計質量，同時降低設計人員和校審人員的人工耗時，進而大幅提升設計效率、降低項目成本。

[1]張林青,王欣雨.基于PDMS的煉油化工裝置管道系統模塊化設計探討 [J].煉油技術與工程,2010,40(4):49-52.

[2]張帆,李和慶,王永,等.長輸管道站場建筑模塊化設計與應用[J].油氣儲運,2012,31(10):743-745.

[3]張鶴.三維設計軟件在工程設計中的應用[J].燃料與化工,2011,42(2):28-29.

[4]李其銳.淺談SP3D軟件在撬裝化設計中的應用[J].中國勘察設計,2013(1):75-79.