淺談化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付設(shè)計(jì)

曹建新

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

近年來(lái)，“中國(guó)制造2025”和“工業(yè)4.0”是兩個(gè)非常熱門(mén)的話題，這是中德兩個(gè)大國(guó)根據(jù)各自工業(yè)發(fā)展階段提出的戰(zhàn)略目標(biāo)，兩者雖然有著很多的不同點(diǎn)，但是兩者在最終戰(zhàn)略目標(biāo)上確有異曲同工之處，那就是最終實(shí)現(xiàn)智慧化工廠的建設(shè)。目前來(lái)看，智慧化工廠的建設(shè)必須經(jīng)過(guò)數(shù)字化、智能化、智慧化等三個(gè)階段。作為智慧化工廠的必經(jīng)階段，近年來(lái)數(shù)字化工廠的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為海內(nèi)外眾多業(yè)主的優(yōu)先選擇。原則上數(shù)字化工廠應(yīng)由設(shè)計(jì)院按業(yè)主需求完成設(shè)計(jì)，并以成品方式提交給業(yè)主。但現(xiàn)在主流的數(shù)字化工廠解決方案無(wú)一例外會(huì)提到全周期這一概念，也就是說(shuō)現(xiàn)在數(shù)字化工廠的有效期是涵蓋整個(gè)工廠運(yùn)營(yíng)直至報(bào)廢期間，而目前設(shè)計(jì)方通常深度介入的只有早期采購(gòu)及工廠建設(shè)那段相對(duì)很短的時(shí)期[1]。本文將從設(shè)計(jì)院的角度簡(jiǎn)單介紹一下化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付設(shè)計(jì)。

1 數(shù)字化交付設(shè)計(jì)的概念

2018 年9 月11 日中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)數(shù)字化交付定義如下：“以工廠對(duì)象為核心，對(duì)工程項(xiàng)目建設(shè)階段產(chǎn)生的靜態(tài)信息進(jìn)行數(shù)字化創(chuàng)建直至移交的工作過(guò)程。涵蓋信息交付策略制定、信息交付基礎(chǔ)制定、信息交付方案制定、信息整合與校驗(yàn)、信息移交和信息驗(yàn)收。”因此，化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付的核心是工程數(shù)據(jù)。

當(dāng)前，數(shù)字化交付設(shè)計(jì)已經(jīng)成為石油和化工勘察設(shè)計(jì)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的主要體現(xiàn)之一，同時(shí)也是建立數(shù)字化工廠，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能工廠、智能制造的重要數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

具體來(lái)講：基于數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)展的化工工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)過(guò)程中二維和三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)基于位號(hào)的結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)集成及多專(zhuān)業(yè)協(xié)同，同時(shí)采用與數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)配套的文檔系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于位號(hào)的非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)文檔、供應(yīng)商文檔關(guān)聯(lián)，在交付時(shí)向業(yè)主整體移交設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。在業(yè)主有需要時(shí)，將數(shù)據(jù)庫(kù)與平臺(tái)一起移交。

因此，對(duì)于化工行業(yè)的工程公司（設(shè)計(jì)院）來(lái)說(shuō)，通過(guò)數(shù)據(jù)的集成和共享，可促進(jìn)設(shè)計(jì)人員提高工作效率，同時(shí)還能降低人為錯(cuò)誤的發(fā)生概率，從而提高工作質(zhì)量。數(shù)字化交付設(shè)計(jì)可極大的推動(dòng)化工行業(yè)的工程設(shè)計(jì)與工程公司未來(lái)業(yè)態(tài)的改變和進(jìn)步。對(duì)于業(yè)主來(lái)說(shuō)，可實(shí)現(xiàn)從源頭上掌握工廠運(yùn)行管理數(shù)據(jù)，并以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠在更高的基礎(chǔ)上開(kāi)展工廠運(yùn)維管理和設(shè)備資產(chǎn)管理，從而實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)字化工廠管理。

2 化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

通常的化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付流程如圖1示意。

圖1 化工工程項(xiàng)目全數(shù)字化交付流程示意

如圖1 所示，化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付是一個(gè)業(yè)主與EPC 總承包商（工程公司或設(shè)計(jì)院）協(xié)同作業(yè)的系統(tǒng)工程。交付平臺(tái)則是數(shù)字化交付不可或缺的信息管理系統(tǒng)。當(dāng)前化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付設(shè)計(jì)依托的交付平臺(tái)主要有SPF 平臺(tái)和AVEVA 平臺(tái) （Intergraph SmartPlant Foundation 及Aveva.NET）、西門(mén)子數(shù)字化平臺(tái) COMOS 等，上述平臺(tái)具有下述顯著特點(diǎn)：無(wú)需依賴于原始專(zhuān)業(yè)工具、支持多種主流文件格式、可以在查看時(shí)直接進(jìn)行標(biāo)注、不同來(lái)源的模型可以組合在一起。當(dāng)然，一個(gè)合格的化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付設(shè)計(jì)還必須具有信息完整性、信息準(zhǔn)確性和信息一致性的特點(diǎn)。任何事物均具有兩面性，化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付也不例外，其在擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，筆者認(rèn)為其也有諸如前期工作投入大、整體投資高等缺點(diǎn)，對(duì)于中小型企業(yè)而言，這是可望而不可及的。

3 化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

以下以本公司正在參與數(shù)字化交付設(shè)計(jì)的天津兩化搬遷項(xiàng)目及正在參與投標(biāo)的新疆某化工工程項(xiàng)目的數(shù)字化交付設(shè)計(jì)工作為例，重點(diǎn)說(shuō)明化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

一般來(lái)說(shuō)：作為裝置院，只需設(shè)計(jì)各自所承擔(dān)裝置的相關(guān)內(nèi)容即可。作為總體院，則通常需要完成以下工作：負(fù)責(zé)制定總體數(shù)字化交付規(guī)定并對(duì)交付規(guī)定進(jìn)行必要的解釋?zhuān)回?fù)責(zé)為各裝置提供項(xiàng)目初始化種子文件（或項(xiàng)目類(lèi)庫(kù)）；協(xié)助業(yè)主對(duì)承包商/供應(yīng)商移交內(nèi)容的設(shè)計(jì)深度、完整性、相符性等內(nèi)容進(jìn)行不少于30%、60%、90%三個(gè)階段的階段性模型審查和驗(yàn)收審查，必要時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)交付全過(guò)程的設(shè)計(jì)審查；負(fù)責(zé)對(duì)業(yè)主ERP 采購(gòu)編碼和數(shù)字化交付工程編碼進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的梳理等。

本公司參與的上述兩個(gè)項(xiàng)目分別是基于SPF平臺(tái)和以AVEVA 軟件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的西門(mén)子數(shù)字化平臺(tái)COMOS 平臺(tái)，比較具有代表性。根據(jù)相關(guān)參與人員反饋，交付內(nèi)容總體要求是：除了需提供電子和硬拷貝文件的交付物外，還需提交工程設(shè)計(jì)集成環(huán)境平臺(tái)和工具軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)備份，以及完整的文件元數(shù)據(jù)表。具體內(nèi)容包括工廠分解結(jié)構(gòu)、工程位號(hào)分類(lèi)、關(guān)聯(lián)關(guān)系、智能工廠要求、三維建模以及成套包交付等。

三維建模是化工工程項(xiàng)目數(shù)字化交付設(shè)計(jì)耗時(shí)較多且較為重要的一個(gè)階段。其主要目的是通過(guò)碰撞檢查和數(shù)據(jù)一致性檢查等自動(dòng)化手段，最大限度地保證設(shè)計(jì)質(zhì)量,因此，各項(xiàng)目業(yè)主均對(duì)三維建模提出了具體內(nèi)容和深度要求：就內(nèi)容而言，一般三維模型系統(tǒng)必需生成的文件有管道空視圖，平面圖，截面圖以及管道材料表等。關(guān)于模型深度，以下分項(xiàng)展開(kāi)說(shuō)明一下。

3.1 管道（包括工藝、給排水、采暖及通風(fēng)管道等）

需建模管道的模型深度一般要求如下：1）所有工藝和公用工程管道均需在PFD 圖上表示介質(zhì)、流量、流速、溫度等內(nèi)容，在P&ID 圖上需表示的所有管徑的管道和附件；2） 管道閥門(mén)及其手輪、執(zhí)行機(jī)構(gòu)均需在模型上表示，且方向和大致尺寸需與實(shí)際相符；相關(guān)設(shè)備及其附件-閥門(mén)，盲板，儀表，人孔等也需表示在模型上；3）管道特殊件，如安全閥、過(guò)濾器、疏水器、8 字盲板和插板墊環(huán)以及膨脹節(jié)、消音器和其他特殊管件等均需在模型上表示；4）蒸汽（或熱水）分配站、凝液回收站及相關(guān)疏水管線；公用工程站和洗眼器；取樣點(diǎn)，包括取樣柜和取樣冷卻器；地下管道及其附件等均需表示在模型上；5）管道支吊架、管道的絕熱層（包括絕熱類(lèi)型及厚度）、夾套外管和芯管、跨接管線等均需表示在模型上；6）在管道模型中能夠獲取主要工藝屬性和識(shí)別屬性、有坡度的管線須按坡度建模，且所有管道模型應(yīng)具有試壓相關(guān)的屬性。

3.2 儀表

一般來(lái)說(shuō)，工藝管道和設(shè)備連接的所有儀表、儀表電纜橋架等均需在模型中表示。具體包括：1）在線儀表（包括調(diào)節(jié)閥）實(shí)際的精確尺寸，帶法蘭的孔板（包括維修空間），一體化孔板，取壓點(diǎn)，根部閥，放空及放凈，熱電偶套管，熱電偶/RTD，分析儀器探頭抽取空間；2）就地盤(pán)的外形、主要的電纜托盤(pán)、分析小屋的外形、接線盒及其支架的外形等；此外，在模型中還要能夠獲取所有儀表的主要工藝屬性和識(shí)別屬性。

3.3 設(shè)備

設(shè)備模型應(yīng)合理的呈現(xiàn)設(shè)備外形并滿足碰撞檢查需要。設(shè)備名稱應(yīng)填入描述，其他屬性根據(jù)設(shè)備運(yùn)維需要，按照具體的屬性表要求填寫(xiě)。通常靜設(shè)備屬性填寫(xiě)最低要求為設(shè)備名稱、設(shè)備位號(hào)、外形輪廓及尺寸、所有材質(zhì)名稱及牌號(hào)、壓力等級(jí)、凈重、容積、探傷方式及合格等級(jí)、防腐層類(lèi)型及厚度、填料、組合內(nèi)件、絕熱厚度等描述。管口最低屬性要求是管口標(biāo)號(hào)、接管長(zhǎng)度、管徑、壓力等級(jí)、端面形式等。動(dòng)設(shè)備的屬性最低要求為設(shè)備名稱、設(shè)備位號(hào)、主要性能、外形輪廓及尺寸、所有材質(zhì)名稱及牌號(hào)、功率、速比、轉(zhuǎn)速、主機(jī)質(zhì)量、減速機(jī)質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、單個(gè)最大拆檢部件的尺寸和質(zhì)量、常維修、大修的主體部位拆解的模型圖、潤(rùn)滑油路模型和冷卻系統(tǒng)模型等。

按設(shè)備類(lèi)型對(duì)設(shè)備模型深度分別說(shuō)明如下：

1）容器、塔和反應(yīng)釜等設(shè)備需表示完整的輪廓，并表示進(jìn)、出管口等所有到供貨分交界的管口，組合內(nèi)件、特殊支架，吊耳和耳軸，平臺(tái)，欄桿和梯子，人孔和手孔，裙座和支腿，裙座入口，就地液位計(jì)及導(dǎo)波管，量油孔等；

2）儲(chǔ)罐類(lèi)設(shè)備需表示完整的輪廓，并表示進(jìn)、出管口等所有到供貨分交界的管口，絕熱層，梯子和平臺(tái)，欄桿等；

3）泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等需表示完整的輪廓（整體撬塊的應(yīng)包含底座），并表示進(jìn)、出管口等所有到供貨分交界的管口（包括放空口和導(dǎo)淋口）。泵、風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、聯(lián)軸器（風(fēng)機(jī)還需表示軸承箱，隔音罩等）等，壓縮機(jī)的檢修空間，可拆卸管段等，并能結(jié)合供應(yīng)商提供的條件完成拆解模型；

4）工業(yè)爐等需表示完整的輪廓和框架，并表示進(jìn)、出等所有到供貨分交界的管口，附屬管道，導(dǎo)管，平臺(tái)，噴嘴和點(diǎn)火器，進(jìn)入口，抽芯空間等。

5）管殼式換熱等需表示完整的輪廓，并表示出管口和鞍座，抽芯空間等。

6）空冷器—逆流抽風(fēng)結(jié)構(gòu)的水氣換熱塔等設(shè)備需表示完整的輪廓，并表示進(jìn)、出管口等所有到供貨分交界的管口，氣室，風(fēng)扇和驅(qū)動(dòng)器，排氣筒，平臺(tái)，梯子及由供應(yīng)商提供的鋼結(jié)構(gòu)，通道等。逆流或橫流的閉式冷卻塔應(yīng)表示完整的輪廓，冷凝管組，風(fēng)扇及驅(qū)動(dòng)器，填料及支架、水槽、循環(huán)水泵及相應(yīng)循環(huán)管路，內(nèi)外和高低平臺(tái)，護(hù)欄，梯子等。

7）成套設(shè)備的建模須表示足夠的細(xì)節(jié)信息，便于審核所有需操作和檢修的部件以及儀表，操作、檢維修空間，管道，儀表和電氣的連接。所有的界區(qū)，如管口，總承包商/分包商的范圍劃分和接點(diǎn)須明確。

8）上述設(shè)備以外的其他雜項(xiàng)如永久吊柱，起重橫梁和滑車(chē)，高架起重機(jī)，直爬梯，平臺(tái)（包括格柵板和支撐鋼結(jié)構(gòu)），欄桿和梯子，洗眼器，軟管卷軸，特殊管道等也需在模型上表示。

3.4 建筑、結(jié)構(gòu)、地管

化工工程項(xiàng)目三維建模的建筑、結(jié)構(gòu)及地管通常需包括如下內(nèi)容：1）建、構(gòu)筑物的外形，包括基礎(chǔ)，通道和通風(fēng)口等；建、構(gòu)筑物的墻和圍欄的空間輪廓，包括基礎(chǔ)等；建、構(gòu)筑物的地坪、道路的外形和路肩等；2）就結(jié)構(gòu)而言：混凝土結(jié)構(gòu)需包含所有梁，墻，柱，污水坑、罐區(qū)圍堤等；鋼結(jié)構(gòu)需包含所有準(zhǔn)確尺寸的梁，柱和斜撐。主要、次要和三級(jí)鋼結(jié)構(gòu)均需準(zhǔn)確定位。包括保護(hù)層，防火層，樓層鋼板/鋼格板，局部平臺(tái)，欄桿，樓梯和直爬梯等；所有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的外形，頂部和底部平面，樁和柱基等；3）地管模型中需包括所有地下電纜槽、溝的走向及外形；所有水坑、水池、涵洞和管溝的外形、尺寸等；排水和污水的地下管道布局，排水口，人孔，貯水池，分離器，通風(fēng)口和集水坑等；還應(yīng)包括其他地下設(shè)施。

此外，在建構(gòu)筑物等的模型中，重型管道或橋架的支撐也需表示出來(lái)。

3.5 電氣、電訊

化工工程項(xiàng)目三維建模的電氣、電訊相關(guān)內(nèi)容有：1）動(dòng)力配電變壓器、箱式變電站等的外形；2）電纜橋架、電纜槽盒和電纜托盤(pán)等；電力和控制設(shè)備—開(kāi)關(guān)柜，操作柱，不間斷供電裝置和電池等；照明燈具（不含建筑物內(nèi)燈具）等；3）通訊和安全—程控交換機(jī)，攝像頭等。

3.6 固定消防裝置以及消防系統(tǒng)

化工工程項(xiàng)目三維建模的消防裝置以及消防系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容有：噴淋系統(tǒng)、消防水管道，切斷閥，固定消防炮，消火栓、雨淋閥組、滅火器、消防箱等。此外還有示位閥及閥門(mén)井等。

4 數(shù)字化交付設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及未來(lái)

中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司 (英文簡(jiǎn)稱SSEC)，中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司 (英文簡(jiǎn)稱SEI)等大型工程公司早在十幾年前就開(kāi)始陸續(xù)試水?dāng)?shù)字化交付設(shè)計(jì)，且在國(guó)內(nèi)外均已有若干成功的案例，他們是國(guó)內(nèi)數(shù)字化交付設(shè)計(jì)的先行者。近年來(lái)，包括天津渤化工程有限公司在內(nèi)的國(guó)內(nèi)多家大、中、小型工程公司或設(shè)計(jì)院也開(kāi)始陸續(xù)承接數(shù)字化交付設(shè)計(jì)項(xiàng)目，并且已取得了初步成效。隨著《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》在2019 年3月1 日的實(shí)施，再加上勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)、各省市陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（目前江蘇省已經(jīng)出臺(tái)《工程勘察設(shè)計(jì)數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》，河南、上海等省市也在跟進(jìn)），相信在不久的未來(lái)，數(shù)字化交付將會(huì)越來(lái)越多的進(jìn)入我們的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。

總之，數(shù)字化交付設(shè)計(jì)為建設(shè)數(shù)字化工廠打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，目前工廠的機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化必將向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變，大數(shù)據(jù)分析必將為工廠運(yùn)行創(chuàng)造價(jià)值。數(shù)字化交付設(shè)計(jì)和后期的一體化運(yùn)維全生命周期數(shù)字化管理，必將大大提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，推進(jìn)“中國(guó)制造2025”快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)智慧化工廠的建設(shè)作出貢獻(xiàn)。