火力發電廠支吊架數字化設計方法研究

蔣貴豐， 李建鵬， 嚴 旭

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司, 四川 成都 610021)

0 引言

數字化設計是指利用強大的三維設計軟件、數據存儲及處理、網絡傳輸等技術，進行虛擬、可視化設計，從而達到精確描述、綜合優化的目的。近年來，隨著數字化設計技術在火力發電廠中推廣應用[1-7]，管道支吊架數字化設計技術得到了一定的發展。目前國內設計院中主要使用以下2種方法：

(1) 以三維工藝管道設計軟件為基礎，利用其自身的支吊架設計模塊，對其功能進行適當擴展，以實現支吊架三維數字化設計。例如工廠設計管理系統(plant design management system, PDMS)軟件的多維標度分析(multidimensional scaling analysis,MDS)多專業協同支吊架設計模塊，通過用戶選擇相應規格的零部件來設計管道支吊架的三維模型；再通過Draft模塊和報表功能，實現材料統計以及繪制支吊架安裝圖[8-11]。該方法能實時完成支吊架三維模型設計和數據更新，但各階段數據關聯性較弱，數據傳輸和處理需要人工干預，設計過程較為繁瑣，效率較低。

(2) 使用獨立的一款支吊架設計軟件，軟件中包含了支吊架手冊中所有的樣本以及選型規則，通過人工輸入設計支吊架型式和設計參數，程序自動進行詳細選型計算，生成支吊架二維安裝圖[12-14]以及三維模型宏文件。例如支吊架廠家LISEGA的選型軟件、基于國內火電廠支吊架手冊開發的EHS軟件等。此方法以數據為中心，數據分析、處理迅速，但與模型關聯性差，數據來源及格式需要人工處理；同時在不同軟件中切換，存在數據多次導入、導出等問題，無法實時進行設計優化更新。

文中以PDMS軟件為平臺，通過分析研究當前數字化設計所面臨的問題，提出了一套完整管道支吊架數字化設計的解決方案,成功實現了常規管道支吊架快速、高效的數字化設計。

1 關鍵問題分析

1.1 結構模型的識別與數據提取

土建結構模型是支吊架根部設計的重要依據，不同設計軟件對結構模型有著相似的描述方式。在PDMS軟件中結構模型主要有梁/柱(SCTN)、板(FLOOR)等類型，通過元件庫的類型可以便捷識別三維結構模型。PDMS軟件為模型參數提供了多種描述方法，為了實現準確、快速地提取結構模型參數并減少提取程序的復雜程度，需要對梁、柱、板等模型元件等級規則和建模習慣加以規范和統一。

板類型的元件相對較為簡單，如圖1所示是通過X-Y平面內的邊界控制點(PAVE)形成板單元區域，厚度沿Z向延伸獲取三維板單元模型。建模時采用頂對齊(TOP)方式，且各子層級(PLOOP)的坐標系與絕對坐標系保持一致。識別提取FLOOR類型的Z向坐標，PLOOP類型的Height屬性值以及各控制點PAVE類型的X，Y向坐標，即可實現對板模型空間位置的計算。

圖1 典型樓面板元件示意圖Fig.1 Sketch of typical floor element

梁類型的元件主要是通過控制截面形狀的參數化控制點以及控制線(TOS、BOS等)，來實現三維梁模型。圖2為H型鋼梁截面模型示意圖，在X-Z平面內創建參數化的截面型式，沿Y向拉伸至終點坐標形成三維鋼梁模型。在實際應用中按照不同截面型式建立元件等級庫(SPEC)，采用頂對齊控制線TOS，讀取梁的首尾坐標、截面型式參數以及X/Y的方位角，即可獲得梁單元的空間位置。

圖2 典型鋼梁元件示意圖Fig.2 Sketch of typical steel beam element

柱類型的元件與梁類型元件類似，主要區別在于截面控制點在X-Y截面，沿Z向拉伸，中心對齊(NA)，圖3為混凝土柱模型示意圖，建模時應采用中心對齊方式加偏移量的規則，提取柱子的截面SPEC等級、截面參數、首尾坐標、偏移量，亦可精確計算出柱模型的空間位置及其表面坐標。

圖3 典型混凝土柱元件示意圖Fig.3 Sketch of typical concrete column element

1.2 支吊架選型方法

進行支吊架設計時，需先確定支吊架的型式，才能進行后續詳細的設計計算。以往設計過程中，主要是設計人員根據支吊點和周圍結構布置情況進行設置，較為繁瑣。火力發電廠管道支吊架常用的支吊架可以通過標準化的支吊架手冊[15]查找，如圖4為典型支吊架型式示意圖。因此除了少量特殊支吊架型式，大部分支吊架可以通過獲取支吊架坐標以及周圍結構模型的數據，使用以下程序進行判斷。

圖4 支吊架型式示意圖Fig.4 The typical sketch of hanger and support

(1) 根據支吊點的標高信息與周圍土建結構的層高進行對比，可以初步判斷是支架還是吊架。例如，支吊點高于土建結構模型標高不大于一定范圍(1.2 m)或者距離結構柱子邊緣不超過一定范圍(0.9 m)，可優先考慮支架型式；其他支吊點可考慮為吊架。

(2) 讀取支吊點模型所在管段的走向，以及豎直方向障礙物等情況，確定是管部支撐型式。當管段為豎直立管布置時，支吊架設置為雙拉桿吊架或雙支撐支架；當管段水平布置時，可以優先考慮單拉桿吊架或單支撐支架；如果通過區域模型查找，在水平管道支吊點正上方存在障礙物模型，則可以設置為水平橫擔管部。

(3) 提取管道應力計算過程中設置的支吊架連接件型式，如彈簧或者剛性支吊架。這部分信息在管道設計過程中的應力計算環節已確定，并存儲在支吊點模型屬性中 。

(4) 根據以上支吊架各部分的型式、支吊點坐標以及土建結構模型數據，確定合適的根部型式[16]。支吊架根部按照結構模型類型可分為梁頂/側/底、柱側、混凝土板頂等幾種類型[17]，通過在支吊點坐標周圍 (如2 m水平投影范圍內)進行結構模型識別，可以獲取用于生根的結構模型；按照根部型鋼樣式分為直吊、懸臂、簡支以及三角架等[18]，支吊點荷載較小且與土建結構水平距離較小時，優先選用懸臂型式，當荷載較大或者根部過長時，應選擇簡支根部型式。

1.3 支吊架根部計算方法

確定了支吊架的型式，即可進行支吊架的詳細設計工作。支吊架詳細設計選型主要是通過型式、管道規格、溫度、荷載、幾何尺寸等參數作為輸入條件，在支吊架樣本中選擇相匹配的零部件規格及其安裝尺寸。目前三維設計軟件中已經含有除幾何尺寸以外的各項數據，而根部幾何尺寸的確定則主要靠人工計算獲取,因此能否通過程序自動計算支吊架根部的幾何尺寸成為影響其數字化設計的關鍵。

工業廠房大部分結構梁、板、柱布置比較規則，基本平行于軸網布置。獲取生根結構模型的標高可以初步計算根部標高，通過支吊點與結構模型的水平投影坐標關系，可以實現根部的長度尺寸的計算。下面將以支吊架荷載點在互成角度的兩混凝土梁間的根部計算方法為例，加以詳細闡述；其他情況根部的計算均可通過對該計算方法進行簡化實現。

圖5為簡化后的結構模型和根部荷載點的平面關系示意圖。通過對模型各點進行坐標轉換，形成以荷載點為原點的局部坐標系。每根結構梁端點A、B以及虛擬交點C與荷載點O相連，組建虛擬三角形△BOC和△AOC。

圖5 支吊架根部計算方法示意圖Fig.5 Calculation method sketch of the root of hanger and support

分別計算△BOC和△AOC半周長p和p′，單位均為mm：

p=(a+b+c)/2

(1)

p′=(a+b′+c′)/2

(2)

式中：a，b，c為△BOC的邊長；b′，c′為△AOC的邊長。進而根據海倫-秦九韶公式計算△BOC和△AOC面積S和S′，單位為mm2：

(3)

(4)

荷載點O向混凝土梁中心的垂足分別為D、F，由此分別計算出作為懸臂支吊架時的懸臂根部長度h和h′，單位為mm：

h=2S/c-d/2

(5)

h′=2S′/c′-d/2

(6)

式中：d為混凝土梁的寬度，單位為mm。

由余弦定理可依次求出圖中∠FOC與∠DOC的夾角α和α′的值：

α=π/2-arccos(a2+b2-c2/2ab)

(7)

α′=π/2-arccos(a2+b′2-c′2/2ab′)

(8)

作為簡支根部時，為了使簡支根部最短，受力最優，選擇經過荷載點且垂直于∠DOF的角平分線方向的根部作為最優根部，因此簡支根部與兩混凝土梁的夾角均為β，其值為：

β=(α+α′)/2

(9)

該簡支根部水平面內與X軸的的方位角也可以通過兩混凝土梁的方位角轉換計算出來。根據三角函數關系可依次求得簡支根部長度k，k′及總長l的值，單位均為mm：

k=h/sinβ

(10)

k′=h′/sinβ

(11)

l=k+k′

(12)

綜上所述，通過對荷載點與周圍生根土建結構的幾何關系，按照以上的規則可以精確計算出多種生根型式下根部的長度以及方位角等參數，用以指導根部詳細設計。

2 數字化設計方案

2.1 數字化設計流程

通過以上對火力發電廠管道支吊架設計過程中三維模型的識別與提取、支吊架自動選型以及根部計算方法等的關鍵問題的分析并提出了解決方法，從而提出了一種新的支吊架數字化設計流程。圖6為PDMS軟件平臺中單個支吊架設計流程。

圖6 支吊架數字化設計流程Fig.6 Program flow diagram of digital design of hanger and support

2.2 實現過程

根據流程，在PDMS軟件平臺上主要使用可編程宏文件(programmable macro language,PML)進行二次開發，用以獲取三維模型對象屬性數據以及模型對象的操作；在Microsoft.NET平臺上使用c#語言編寫動態鏈接庫(dynamic link library,DLL)的方式，對各項數據進行傳輸、處理，從而完成整個支吊架數字化設計軟件的開發。具體實現步驟如下：

(1) 在PDMS軟件平臺上進行程序二次開發，批量識別、讀取管道模型中支吊點模型坐標、管徑以及荷載等信息。根據管道標高和結構模型層高，初步判斷管部型式，自動搜索查找一定范圍內的土建結構模型，也可實現人工指定根部生根結構梁。

(2) 計算結構模型與支吊點之間的坐標關系，列出滿足支吊架根部選型條件的支吊架型式。管道支吊架的設計原則主要是考慮強度安全，兼顧經濟和實用性[19-21]，因此需要按照設定支吊架型式優先級進行排序。

(3) 根據支吊架型式的順序，逐個提取詳細的根部設計參數，如標高、簡支長度等，與前面提取的支吊點荷載、設計溫度等信息，處理成特定格式的數據包，通過接口程序傳輸到外部支吊架選型計算軟件進行詳細的支吊架設計，并生成三維模型宏文件。

(4) 將支吊架三維模型宏文件導入到PDMS當中創建臨時三維支吊架模型并自動進行碰撞檢查，核對支吊架的安裝條件。

(5) 當支吊架符合安裝條件時，即完成支吊架自動選型設計，保存三維支吊架模型；若支吊架中間連接件與周圍模型發生干涉，則根據優先級順序重復步驟(4)，直至完成所有類型的遍歷。

(6) 同時設置是否需要轉換成人工模式的判斷接口，在人工模式下：通過人工指定支吊架管部、根部型式以及根部結構尺寸，進行特殊的支吊架設計。

(7) 通過批量讀取整個管系的支吊點模型，對每個支吊架重復以上流程即可完成整個管系支吊架數字化設計工作。

(8) 在完成支吊架詳細設計選型后，支吊架各零部件詳細型號、安裝尺寸等數據將傳遞到外部數據庫中保存，通過解析該部分數據可以批量繪制支吊架二維安裝圖以及匯總材料表，完成最終設計成品。

3 應用測試及存在問題

根據管道支吊架數字化設計方案進行軟件的二次開發和測試，最終在三維設計平臺PDMS上實現整個管線的支吊架數字化設計，設計效果如圖7所示。

圖7 支吊架數字化設計成品Fig.7 The digital design product of hanger and support

在某火電工程設計項目中首次使用該方法進行實際應用，與現有設計方法相比，該方法具有明顯的優勢，主要體現在以下幾個方面：

(1) 該方法以數字化管道模型為基礎，使用程序將支吊點的管徑、溫度、荷載大小等管部設計參數進行提取，避免以往人工提取容易出錯、工作量大的缺點，保證設計質量。

(2) 智能識別土建結構模型并進行支吊架根部自動選型計算，對于常規標準支吊架，減少人工識別土建模型、計算根部參數80%的工作量。

(3) 設計過程中支吊架三維模型實時創建，程序后臺進行碰撞檢查，簡化了現有設計過程中，需要人工反復創建或導入支吊架模型、識別碰撞的繁瑣過程。

(4) 支吊架設計過程中相關數據都實時保存，使數字化設計流程銜接更加緊密，同時各部分數據可為提資等后續工作提供支持。

此外 ，在使用過程中也發現了下列問題：(1) 該方法對于標準型式的支吊架設計效果明顯，但是應用于煙風道等較為復雜的非標型式支吊架依舊存在著大量人工修改調整工作。(2) 對于比較規則的土建結構梁、板、柱上，該方法有準確的識別和計算能力，但是對于不規則的異形混凝土結構如汽機基座等，結構模型識別及參數計算暫時無法實現。(3) 目前該方法設計流程具有通用性，但是由于不同數字化設計軟件，對數據存儲的格式會有所差異，更換不同的數據平臺時需要對程序進行適當調整。

4 結語

文中以三維設計軟件為平臺，通過對土建結構模型數據識別和提取、根部計算方法以及制定支吊架設計選型規則等進行深入研究，提出了一種支吊架數字化設計方法，并在實際工程中進行應用。結果表明：該方法能夠快速、準確地提取傳遞支吊點管部和根部設計參數，識別三維結構模型，自動計算支吊架根部參數和模型碰撞情況；便于設計人員快捷地調整、優化支吊架設計，提高了支吊架設計的質量和效率；提高了設計過程中詳實的設計數據利用率，體現出數字化設計的強大優勢。