制藥機械及其管路三維模型的建立

宋 波 羅 香 陳 勇 劉雪松 侯建雄

（1.蘇州浙遠自動化工程技術(shù)有限公司，江蘇蘇州215163；2.蘇州澤達興邦醫(yī)藥科技有限公司，江蘇蘇州215163；3.浙江大學，浙江杭州310058）

0 引言

隨著工業(yè)化和自動化水平的不斷提高，人們對產(chǎn)品的多樣化和個性化要求也越來越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期日益縮短?；诖?，產(chǎn)品設(shè)計部門的工作量越來越大，在這種情況下，工程設(shè)計人員對提高產(chǎn)品設(shè)計效率的需求也變得越來越迫切。目前，制藥機械及其管路的設(shè)計人員最常使用CAD等畫圖工具，對于缺乏相關(guān)設(shè)計專業(yè)知識的安裝施工人員來說，閱讀二維CAD制藥機械及其管路圖紙時，往往容易對工藝流程的理解產(chǎn)生偏差，給制藥機械的加工和管路工程安裝造成一定的麻煩。

本文針對制藥機械的功能特點，研究了制藥機械及其管路的三維模型庫，并構(gòu)建了標準化的制藥機械及其管路三維模型，制藥機械和工程設(shè)計人員在設(shè)計開發(fā)制藥機械新產(chǎn)品時，可根據(jù)功能需要，調(diào)用模型庫圖形數(shù)據(jù)進行選型設(shè)計和模型組合設(shè)計，提高工作效率。同時，為工程實施提供直觀的三維結(jié)構(gòu)圖形，確保機械和管路安裝符合制藥工藝要求。

1 國內(nèi)外工藝管路設(shè)計軟件比較

目前國內(nèi)常用的設(shè)計軟件是AutoCADPlant 3D，它是一款專業(yè)的三維工廠設(shè)計軟件，該軟件可以對工廠進行設(shè)計、建模和文檔編制?；谑煜さ腁utoCAD軟件平臺，工廠設(shè)計師和工程師運用AutoCADPlant3D能夠創(chuàng)建先進的三維模型。其等級庫和元件庫，可以有效簡化管道、設(shè)備和支撐結(jié)構(gòu)的放置流程；集成了AutoCAD軟件功能，可以幫助創(chuàng)建和編輯管道與儀表流程圖，并根據(jù)三維模型協(xié)調(diào)基本數(shù)據(jù)，生成和共享等軸側(cè)視圖、正交視圖和其他文檔。AutoCADPlant3D內(nèi)置在Autodesk PlantDesignSuites中。它的功能設(shè)置主要有：

（1）工作空間——專門面向三維工廠設(shè)計的用戶界面；

（2）等級庫和元件庫——基于等級技術(shù)和ANSI/ASME（B16）、DIN/ISO等標準元件庫，可以通過修改元件庫，滿足特定項目要求；

（3）管道、設(shè)備和結(jié)構(gòu)——以半自動或手動方式創(chuàng)建基于等級庫的管線和元件模型，包含一個可定制的標準設(shè)備元件庫，從外部參考或以參數(shù)化的方式創(chuàng)建結(jié)構(gòu)元素，確認沖突；

（4）施工文檔——生成精確的ISO圖、正交視圖和其他文檔；

（5）搜索和報表——查詢和處理數(shù)據(jù)，生成材質(zhì)報表，導出至PCF文件；

（6）AutodeskNavisworks兼容性——對整個項目進行審閱；

（7）規(guī)范轉(zhuǎn)換器——從其他應用程序?qū)胍?guī)范。

此外，還有PDMS、PDS等國外設(shè)計軟件，但它們在我國的推廣使用受到諸多制約，主要原因有：國內(nèi)標準數(shù)據(jù)庫不全，建立項目庫的難度大，操作復雜；價格昂貴；英文界面；思維習慣和操作習慣與國內(nèi)用戶有很多不同；不能按醫(yī)藥行業(yè)特點修改軟件功能；不能和CAD無縫連接；封閉等級庫。

雖然AutoCADPlant3D和CADWORX都是在CAD基礎(chǔ)上開發(fā)的軟件，但是它們的功能有所不同。AutoCADPlant3D主要功能模塊包括：（1）建立建筑結(jié)構(gòu)三維模型；（2）建立設(shè)備三維模型；（3）建立管道三維模型；（4）模型設(shè)計檢查與管理；（5）模型碰撞檢查與管理；（6）效果圖生成；（7）單管圖全自動生成及編輯；（8）平、立、剖圖自動生成及編輯；（9）材料表模板定制；（10）材料表自動生成；（11）工程數(shù)據(jù)庫管理；（12）圖形庫管理；（13）支吊架建模及其材料統(tǒng)計；（14）應力計算軟件接口；（15）工廠漫游及動畫制作。

2 工程實施內(nèi)容

結(jié)合AutoCADPlant3D軟件的主要功能，筆者總結(jié)和分析曾參與過的一些醫(yī)藥工程項目的設(shè)計，包含的實施內(nèi)容具體如下：

2.1 土木專業(yè)

該軟件能夠設(shè)計出土建專業(yè)的建筑（包括鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)、樓面、柱、梁、樓梯、圍欄、門、窗、屋頂、樓面開洞）及柱線，還可以聯(lián)合運用AutoCAD RevitArchitectureSuite軟件做建筑圖設(shè)計。

2.2 設(shè)備布置

該軟件能夠較容易地設(shè)計出項目上常見的工藝設(shè)備（如濃縮器、罐、泵、換熱器、塔等）及其基腳，精確定位泵的進出口尺寸、罐的開口位置，能自動添加開口后的法蘭、卡盤，能夠做到先加法蘭再接管，精確定位設(shè)備在廠房中的位置。在設(shè)計好的設(shè)備上修改設(shè)備外形或開口，復制后能夠容易地修改設(shè)備編號、管嘴編號、管嘴長度及管嘴的壓力等級。用戶可以隨時修改設(shè)備的位置、形狀、描述等參數(shù)。設(shè)備設(shè)計完成后能夠自動生成設(shè)備報表。通過用戶的報表來創(chuàng)建自己所需的報表格式，以便直接生成工藝必需的設(shè)備表，方便插入設(shè)備。在工程參數(shù)中輸入設(shè)備位號，并選擇使用設(shè)備位號分層。設(shè)備布置完后可以進行移動、拷貝等操作。設(shè)備基礎(chǔ)也需要進行布置，以方便進行碰撞檢查。此外，還可以使用AUTODESK公司的Inventor軟件設(shè)計復雜的設(shè)備和參數(shù)化設(shè)備。

2.3 管道安裝

該軟件包含多種布管方式，如管件對管件布管、空間自由擺放管件、參考已存在的管件對齊、多段線輔助方式、中心線布管方式等。該軟件還包含多種管道定位類型，如管頂、管中心、管底等。該軟件能夠方便地進行坡度管線的布置，坡度值可以輸入小數(shù)和比例。布管結(jié)束后，能在已有的管道上進行修改，包括方位、定位尺寸、管徑、等級等，并能夠拉伸、延長或剪切管道。管道按管線號自動生成圖層，便于對單根管道進行檢查或修改。根據(jù)管內(nèi)介質(zhì)的不同，可以定義不同的管道顏色。管道上的各種標準閥門自動加法蘭或卡盤。

2.4 管架

該軟件能夠設(shè)計出一次及二次管架。一次管架是指管架上支撐有多個管道的管架，如門字型、T型管架等。二次管架是指僅為單根管道使用的管架。設(shè)計人員可以從軟件自帶的管架庫中選擇管架類型和型號（可以自定義管架類型），生成管架報表。報表可以自定義類型。

2.5 數(shù)據(jù)管理

該軟件自帶元件庫和等級庫，其中的元件庫包括ANSI（美國標準）、DIN（歐洲標準）、JIS/JPI（日本標準）等，同時用戶也可以自定義元件庫和等級庫。元件庫和等級庫是分開的，方便編輯管道材料等級。參照已有的數(shù)據(jù)庫建立或定義用于特定項目的特殊數(shù)據(jù)庫。同時，數(shù)據(jù)庫管理軟件可以用SQLite編輯。

2.6 CAD兼容性

該軟件是在CAD基礎(chǔ)上開發(fā)出來的軟件，可以和CAD無縫連接。

2.7 平、立、剖圖

該軟件一般首先生成工藝配管正俯視圖，因為俯視圖可以反映出裝置管線的總體布置和各管線之間的相對位置。該軟件可以方便地抽取任意區(qū)域、任何標高的平面和剖面圖，通過智能拾取的方式標注要求的尺寸、管線號、標高和流向等工藝設(shè)計參數(shù)。由于通過軟件設(shè)置了統(tǒng)一的標注參數(shù)，不同設(shè)計人員很容易形成一致的標注風格，使項目圖紙規(guī)范、美觀。根據(jù)需要設(shè)計出任意正俯視圖，自動標注管道相關(guān)信息，自動標注管道定位尺寸、管架定位尺寸，自動打斷重疊管道，可自定義“打橫不打豎”或“打次不打主”。

目前，國內(nèi)外通用的兩種平面圖消隱方式，一種是國內(nèi)通用的工程消隱規(guī)則，即軟件自動在需要反映下層管子上的閥門、管件等信息時，在上層管子上加剖斷符；另一種是實體消隱，這種消隱方式只考慮上下關(guān)系，不會自動加剖斷符。該軟件支持多種消隱方式。

2.8 自動生成ISO單管圖

ISO單管圖由該軟件自動生成，軟件根據(jù)不同的管線號進行出圖，一個管線號生成一個軸側(cè)圖文件，對特別復雜的管線一般通過設(shè)置斷點分成多張軸側(cè)圖，方便圖形編輯。只要軸側(cè)圖的圖框定義恰當，設(shè)計人員所需的圖面編輯量就很少，可直接得到成品圖。對跨片區(qū)管線的單線圖，由不同的設(shè)計人員分別生成，通過標注相鄰管線號和轉(zhuǎn)接圖號來處理，可以自定義單線圖。

2.9 材料表生成

該軟件可以生成綜合材料表、管段材料表、設(shè)備表及其他三維模型中有信息的材料表，表格的形式可以定義成自己設(shè)計院的格式。目前，材料表使用較多的是Excel、PDF格式。生成的材料表可以統(tǒng)計靜量和動量兩種。用三維管道設(shè)計軟件做材料統(tǒng)計的好處是統(tǒng)計準確，特別適用于工程總承包項目，能有效控制材料費用，從而節(jié)省工程總費用。專門有軟件可以出材料表，自定義用戶需要的材料表。

2.10 碰撞檢查

配管模型初步建立完成后，首先采用該軟件提供的碰撞檢查功能對管線進行檢查，可以用Navisworks軟件插件在P3D中時時檢測管線的碰撞情況。對管線與設(shè)備之間、管線與構(gòu)件之間的距離進行檢查，對檢查報告中提示的碰撞一般分為三類：第一類是直接碰撞，又稱硬碰撞，這種碰撞是由于配管錯誤導致的，必須進行修改；第二類是預留空間碰撞，又稱軟碰撞，相鄰元件的間距小于項目的一般規(guī)定，但實際并未真正發(fā)生硬碰撞，軟碰撞是否需要修改視具體情況而定；第三類是偽碰撞，這是由于描述碰撞體的圖形比真實的實體要大而引起的，偽碰撞一般不需要修改。對發(fā)生碰撞的管線可通過模型編輯功能進行修改調(diào)整，以滿足設(shè)計要求，減少可能發(fā)生的現(xiàn)場修改工作量。

2.11 渲染和動畫

設(shè)計模型可以導出到Navisworks中，利用Navisworks強大的渲染工具進行渲染，可以把建成的模型做成效果圖，可供來訪的客戶和兄弟單位參觀，可以作為以后項目的招投標素材，展示給業(yè)主證明設(shè)計實力，還可以把模型做成AVI格式的漫游工廠媒體播放文件。

2.12 圖紙表格式樣的定義

涉及項目圖紙表格式樣的圖框和表格有平面圖框、ISO圖框、綜合材料表和工藝管線規(guī)格表。該軟件對表格的定義是完全向用戶開放的，用戶能夠根據(jù)需要，利用軟件中的表格模板模塊定制自己的圖表格式，并產(chǎn)生特定范圍的材料統(tǒng)計表。準確的圖紙表格式樣大大減少了設(shè)計人員對圖表的編輯修改量，提高了工作效率。

3 結(jié)語

本文較深入地描述和分析了AutoCADPlant 3D設(shè)計軟件在制藥機械及其管路設(shè)計中的應用。綜上所述，利用AutoCADPlant3D進行制藥機械及其管路設(shè)計，不但保證了設(shè)計的合理性、精確性，最大程度地避免了人為錯誤，大幅提高了工作效率，而且降低了設(shè)計建造費用，提高了項目工程的設(shè)計安全性。