核電站設(shè)備三維模型設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則與應(yīng)用研究*

尹緒雨，顧登明

（國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200000）

近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過三維模型設(shè)計(jì)能夠?qū)穗娬镜脑O(shè)備進(jìn)行預(yù)先模擬，能夠更好地確保核電站設(shè)備在設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中的精確性。基于此，在核電站設(shè)備的三維模型設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、采購、施工等，實(shí)現(xiàn)智能化和一體化集成工作的開展。通過核電站設(shè)備的三維模型設(shè)計(jì)，能夠提高核電站設(shè)備的施工進(jìn)度及運(yùn)行維護(hù)等，使核電站設(shè)備建設(shè)更加精確，確保核電站設(shè)備能夠更好地投入具體的使用中。

1 三維模型設(shè)計(jì)

1.1 概念

三維建模概念是由Houlding于1994年首次提出的，其表示三維建模就是在三維環(huán)境下把設(shè)備分析、空間信息管理、設(shè)備統(tǒng)計(jì)學(xué)、圖形可視化等技術(shù)融合在一起，并進(jìn)行建模分析的一項(xiàng)技術(shù)。三維模型設(shè)計(jì)主要目標(biāo)就是構(gòu)建斷網(wǎng)層模型、設(shè)備模型和設(shè)備體模型，一方面反映出設(shè)備構(gòu)造形態(tài)，另一方面反映各要素之間存在的宏觀接觸關(guān)系。三維模型設(shè)計(jì)就是結(jié)合當(dāng)前已有設(shè)備數(shù)據(jù)，通過各種相關(guān)原理和方法來模擬各種設(shè)備體或者設(shè)備現(xiàn)象中存在的幾何形態(tài)以及拓?fù)潢P(guān)系。三維模型設(shè)計(jì)主要提供建立屬性模型的構(gòu)造和約束，直觀地展現(xiàn)出幾何學(xué)形態(tài)與設(shè)備對(duì)象存在的宏觀拓?fù)潢P(guān)系。因此，必須要建立完善的三維模型設(shè)計(jì)，其他設(shè)備模型才可以得到有效的建立和表達(dá)[1]。

1.2 要素

三維設(shè)備建模有3個(gè)最基本的要素，分別是幾何、拓?fù)浜蛯傩裕鼈円彩菢?gòu)成三維模型設(shè)計(jì)最為重要的組成部分。（1）幾何要素。幾何要素主要表現(xiàn)出設(shè)備要素所處空間位置和所呈現(xiàn)出來的幾何形態(tài)，設(shè)備對(duì)象通常情況下會(huì)采取點(diǎn)、線、面、體4種表達(dá)方式。（2）拓?fù)湟亍Ｆ錇閹缀螌W(xué)分支，研究對(duì)象為幾何圖形在不間斷變形中存在的不變性質(zhì)。拓?fù)湫再|(zhì)包括點(diǎn)與直線的結(jié)合關(guān)系、點(diǎn)與直線的順序關(guān)系、曲線和曲面的閉合性質(zhì)，直接影響到模型表達(dá)以及質(zhì)量控制。拓?fù)湓趧澐稚峡梢苑譃閮深悾旱谝活悶槲⒂^拓?fù)洌浞从车氖窃谠O(shè)備要素幾何形態(tài)表達(dá)過程中的幾何要素彼此間存在的銜接關(guān)系，通常情況下會(huì)直接存儲(chǔ)在有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里面；第二類為宏觀拓?fù)洌浞从车氖窃O(shè)備體彼此之間存在的宏觀接觸關(guān)系，呈現(xiàn)出來的是對(duì)于設(shè)備對(duì)象彼此間空間接觸關(guān)系的一種邏輯表達(dá)方式，和本身幾何形態(tài)并沒有聯(lián)系。（3）屬性要素。屬性在界定上可以分為很多，巖石物性、環(huán)境物理性質(zhì)或者是幾何屬性，這些都可以稱為屬性。

1.3 設(shè)備規(guī)則

邊界表達(dá)模型的實(shí)質(zhì)為非流形的，然而其建模算法一般都是在流形實(shí)體上來實(shí)現(xiàn)的，因此，在建模的時(shí)候必須有規(guī)則來對(duì)模型的構(gòu)造進(jìn)行約束，這樣就可以盡可能符合真實(shí)設(shè)備情況。通常情況下，設(shè)備規(guī)則主要有5個(gè)特性：設(shè)備界面的可定側(cè)性、設(shè)備界面的不自相交性、設(shè)備界面接觸關(guān)系的有效性、三維模型設(shè)計(jì)的一致性、設(shè)備約束的有效性。

1.4 三維模型設(shè)計(jì)的表達(dá)

當(dāng)前，三維空間數(shù)據(jù)模型指的是有關(guān)三維空間數(shù)據(jù)組織的定義及方式，在一定程度上反映出現(xiàn)實(shí)生活中兩個(gè)空間實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)。其可分為3類：矢量面模型、體模型和混合模型。三維構(gòu)造模其實(shí)就是對(duì)于設(shè)備構(gòu)造現(xiàn)象或者某個(gè)設(shè)備概念來做一個(gè)抽象表達(dá)，一方面要體現(xiàn)出設(shè)備對(duì)象的幾何形態(tài)，另一方面還要反映出設(shè)備對(duì)象彼此銜接關(guān)系，這就表示三維模型設(shè)計(jì)在表達(dá)的時(shí)候必須考慮到設(shè)備對(duì)象所呈現(xiàn)出來的相關(guān)設(shè)備概念、本身構(gòu)造的幾何形態(tài)、彼此間銜接關(guān)系。所以，構(gòu)造出來的空間數(shù)據(jù)模型中一定要有設(shè)備概念模型、幾何模型和拓?fù)淠Ｐ汀５牵?dāng)前空間數(shù)據(jù)模型在構(gòu)造的時(shí)候主要反映的是現(xiàn)實(shí)幾何特征，而對(duì)于地址對(duì)象呈現(xiàn)出來的設(shè)備含義或者關(guān)系并不太關(guān)注[2]。

2 設(shè)備三維模型設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則

2.1 設(shè)計(jì)承包商對(duì)模型的深度要求

在核電站設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，通常分為兩個(gè)步驟，一個(gè)步驟是可行性的分析，另一個(gè)步驟是施工圖的設(shè)計(jì)。在初期的設(shè)計(jì)階段，首先需要進(jìn)行設(shè)計(jì)工作的可行性分析，在分析的過程中，需要對(duì)三維模型的整體設(shè)計(jì)和定位功能是否能夠符合核電站設(shè)備的具體要求進(jìn)行研究；其次還需要針對(duì)其參數(shù)、形狀、特性、材料、信息等物理屬性是否能夠?yàn)楹穗娬驹O(shè)備的后續(xù)施工設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)進(jìn)行探討。從設(shè)計(jì)的角度來看，在三維模型設(shè)計(jì)的過程中，主要需要考慮設(shè)備與周邊環(huán)境的相互關(guān)系，對(duì)是否能夠進(jìn)行具體的施工考慮相對(duì)較少。因此，在設(shè)計(jì)的過程中還應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)備的安裝問題和施工問題，確保為三維核電站設(shè)備的施工與建設(shè)提供相應(yīng)的保障，同時(shí)也能夠確保核電廠后期的運(yùn)行和維護(hù)，在極大程度上確保核電站設(shè)備建設(shè)的安全性。以江西核電站設(shè)備三維模型為例，示意圖如圖1所示。該三維模型示意圖設(shè)計(jì)之初便充分考慮到施工和安裝問題，設(shè)備整體性較強(qiáng)，能夠有效降低安裝的難度，施工相對(duì)較為簡便安全。此外，在施工圖的設(shè)計(jì)階段，對(duì)核電站的項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作也十分重要。通過施工圖的設(shè)計(jì)，能夠在初步的可行性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過施工圖的設(shè)計(jì)，能夠?qū)⑷S模型設(shè)計(jì)的精確度控制在一個(gè)固定范圍內(nèi)，確保施工圖的設(shè)計(jì)能夠與初步的可行性分析相符合，實(shí)現(xiàn)核電站設(shè)備的精確施工。此時(shí)，對(duì)于如何提高三維模型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)性，如何把握這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)前核電站設(shè)備在設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)主要問題，同時(shí)也是一個(gè)數(shù)字化的發(fā)展性問題[3]。

圖1 江西核電站設(shè)備三維示意圖

2.2 業(yè)主公司對(duì)模型的深度要求

在核電站設(shè)備的三維模型設(shè)計(jì)過程中，業(yè)主公司需要在三維模型設(shè)計(jì)后，對(duì)于設(shè)備的可行性以及可施工性進(jìn)行精確的分析。在核電站設(shè)備三維模型設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)對(duì)業(yè)主公司實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)計(jì)內(nèi)容的逐步傳遞，同時(shí)不斷在傳遞中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)層次的提高。此外，在設(shè)計(jì)的過程中，還應(yīng)該針對(duì)業(yè)主公司提出的要求對(duì)于三維模型的具體內(nèi)容進(jìn)行功能性的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段，主要分為3個(gè)步驟：（1）針對(duì)業(yè)主公司提出的要求建立相應(yīng)的模型，同時(shí)通過不斷優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案的選擇；（2）施工承包商需要對(duì)核電站設(shè)備的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行綜合評(píng)估，并指導(dǎo)組織開展現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際安裝和調(diào)試工作；（3）業(yè)主公司需要對(duì)核電站設(shè)備的模型進(jìn)行不斷的匯總和集成，同時(shí)有針對(duì)性地進(jìn)行核電站設(shè)備的整體模擬以及設(shè)備維護(hù)等。通過這3個(gè)階段能夠完善當(dāng)前核電站設(shè)備三維模型設(shè)計(jì)存在的問題，并且能夠真正有益于業(yè)主公司對(duì)于模型的使用和要求，為后續(xù)的使用者帶來一定的便利性。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在應(yīng)用于核電站設(shè)備三維模型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行、信息維護(hù)和信息處理等功能[4]。

3 應(yīng)用實(shí)例和效果

核電站大修項(xiàng)目涉及多系統(tǒng)、多專業(yè)、多承包商共同工作，其工作面為反應(yīng)堆廠房20m平臺(tái)，并以環(huán)吊運(yùn)行為主線、以設(shè)備艙開閉為時(shí)間窗口制定工期。在大修期間，利用核島設(shè)備三位模型和空間布置圖與大修主線計(jì)劃相結(jié)合，提供了多工種的協(xié)同工作空間，對(duì)設(shè)備進(jìn)出時(shí)間、移動(dòng)空間和路徑進(jìn)行實(shí)況模擬，確保其實(shí)施方案的可行性、合理性，并且大修主線計(jì)劃也得到了最佳的完善和優(yōu)化[5]。

大修中完成的主要工作：（1）設(shè)備及工具補(bǔ)充建模；（2）調(diào)整環(huán)吊使用時(shí)間和大修主線計(jì)劃，將20m平臺(tái)的設(shè)備布置流程規(guī)劃為14個(gè)控制狀態(tài)，對(duì)每一階段的設(shè)備位置進(jìn)行三維空間模擬；（3）確定關(guān)鍵路徑，對(duì)封頭和壓力容器頂蓋進(jìn)出設(shè)備艙的時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，縮短環(huán)吊的實(shí)際使用工期；（4）提供關(guān)鍵設(shè)備布置的精確定位，如頂蓋支座和MMA現(xiàn)場(chǎng)定位坐標(biāo)，完成大型設(shè)備工具組裝、拆卸、周轉(zhuǎn)的場(chǎng)地布置。核電站設(shè)備機(jī)組示意圖如圖2所示，其能夠清晰地展示出設(shè)備的移動(dòng)、進(jìn)出等路徑關(guān)系，關(guān)鍵設(shè)備的定位布置也十分精確。

圖2 機(jī)組示意圖

4 結(jié)束語

建立數(shù)字信息化電站是當(dāng)前世界企業(yè)管理系統(tǒng)發(fā)展的方向和潮流，在新一輪核電建設(shè)中引入三維模型設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)為設(shè)計(jì)自主化管理和工程管理提供一個(gè)先進(jìn)的信息管理平臺(tái)。