化工數字化交付項目中三維協同設計的應用及優化

孫冠華 賀永金 姜繼鼎 孫建斌

摘要：為了探索更優的三維協同設計方案，解決數字化交付項目實施中遇到的各類技術問題，以某公司數字化交付項目為研究對象，詳細說明了以Plant Design Management System（PDMS）為承載體的三維協同設計系統的建設思路及架構，梳理了PDMS各專業數據的輸入方式及來源，分析了各階段、各專業數據占比的成因，探討了設計成果的應用預期，并對比了三維協同設計系統實施前后的效果。結合項目實施情況，提出優化方案。結果表明：1）以PDMS為承載體的三維協同設計系統架構合理，所需的各專業數據完整準確;2）通過實施三維協同設計，PDMS數據量增加68%，設計變更減少35%，施工周期縮短5%，排除碰撞錯誤提升260%，可視化成果優化了設計方案，節省了大量土建成本;3）更明確的分工、更詳細的規則、更完善的設計軟件及更多的人力投入可以更好地完善三維協同設計工作。研究結果可以為其他企業的三維協同設計提供參考，使數字化交付項目得以順利實施。

關鍵詞：計算機輔助設計;三維協同設計;數字化交付;數字工廠;PDMS;改進優化

中圖分類號：TE65文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx04007

Application and optimization of 3D collaborative design

in a chemical digital handover project

SUN Guanhua1， HE Yongjin2， JIANG Jiding1， SUN Jianbin2

（1. Lanzhou Branch of Changzheng Engineering Company Limited， Lanzhou， Gansu 730010，China; 2.Changzheng Engineering Company Limited， Beijing 101111，China）

Abstract：In order to explore a better 3D collaborative design scheme and solve various technical problems encountered in the current implementation， taking a digital handover project of the company as the research object， the construction idea and architecture of the 3D collaborative design system based on Plant Design Management System （PDMS） were described in detail， and the input mode and source of PDMS professional data were expounded. At the same time， the causes of the data volume in each stage and the proportion of professional data were analyzed， the application expectation of the design results was discussed， and the effects before and after the implementation of the 3D collaborative design system were compared. Combined with the implementation of the project， the optimization scheme was put forward. The results show that： 1） the 3D collaborative design system based on PDMS is reasonable， and the required professional data is complete and accurate; 2） through the implementation of 3D collaborative design， the amount of PDMS data increases by 68%， the design change decreases by 35%， the construction period shortens by 5%， and the elimination of collision errors increases by 260%. Based on the system， the design scheme is optimized， which also saves a lot of civil engineering costs; 3） clearer division of labor， more detailed rules， more perfect design software and more human investment can better improve the 3D collaborative design work. The results can provide a reference for other enterprises′ 3D collaborative design， and make the digital handover project implemented smoothly.

Keywords：computer aided design; 3D collaborative design; digital handover; digital factory; PDMS; improvement and optimization

中國是國際公認的化工大國，絕大多數化工產品的產銷量都位居世界前列。然而，隨著幾十年的粗放式發展，也造成了諸如產能過剩、同質化突出、管理效率低下、環境污染嚴重等問題。因此，高質量發展已成為當今化工產業發展的主旋律。化工產業的“三化”——數字化、信息化、智能化是實現高質量發展的有效手段，與工業4.0、中國制造2025、美國國家制造創新網絡等國家戰略緊密相連[1-3]。國家信息中心經濟預測部產業經濟研究室副主任魏琪嘉認為，數字化轉型與實體經濟產業鏈、供應鏈、價值鏈的優化緊密相關，數字賦能是產業、資本、技術、人才、數據多方融合共振的最終結果，是近年來全世界工業產業發展研究的重點。

數字化交付是以工廠對象為核心，對工程項目建設階段產生的靜態信息進行數字化創建直至移交的工作過程，涵蓋信息交付策略制定、信息交付基礎制定、信息交付方案制定、信息整合與校驗、信息移交和信息驗收[4]。通過數字化交付，可以建立數字化工廠及智能工廠，是實現產業“三化”的重要途徑之一，而數字化交付的重要數據載體即是三維模型[5-7]。

由于三維設計手段在化工設計中已趨于成熟，因此具備實現三維協同設計的基礎，目前國內外幾乎所有的化工數字化交付項目，均采用該方式完成設計。HELLMUTH等[8]嘗試將三維協同設計成果實時集成展示在具有增強現實（AR）功能的平板電腦上，其為工廠規劃師提供了決策支持，并有效縮短了工廠新建改造的建設時間，提高了施工精度。張益等[9]通過某空分項目對PDMS工程協同設計的效果進行了闡述，認為協同設計可有效減少設計碰撞，提高了設計質量。孫麗麗[10]介紹了中國石化工程建設有限公司集成設計及數字化交付平臺的建設情況，通過數據分析，該平臺使用后可使設計變更降低至0.5%、設計余量減少約50%、整體效率提高25%以上。吳青[11]介紹了中國海洋石油集團有限公司數字煉廠的建造系統平臺，并對一體化平臺、物聯網、云計算等關鍵技術進行闡述，推斷協同設計、數字化交付是以后的必然趨勢。由于數字化交付仍處于不斷試錯、逐步成熟的發展階段，因此相關研究成果較少，對其中三維設計協同的應用及優化缺乏深入探討。本文依托某公司的工程實踐，基于原有同類型項目數據，對化工數字化交付項目中三維協同設計系統的應用情況及實施效果進行分析討論，探析該系統實施過程中存在的不足并尋求優化解決方案，以期為更多的數字化交付項目提供參考。第4期孫冠華， 等：化工數字化交付項目中三維協同設計的應用及優化河北工業科技第38卷

1三維協同設計軟件應用背景及配套工具

三維可視化設計經過幾十年的發展，形成了涵蓋核電、化工、船舶、采礦等各個行業的三維設計系統，且設計軟件愈加功能全面、性能穩定，已經成為常規設計方式。對化工行業來講，由于其流程普遍較為復雜、專業配合需求度高且項目危險程度大，對設計軟件的要求也更多。同時，在化工工業三維設計過程中，管道專業工作為上游專業且占比較大，因此，目前通常是以管道專業三維設計軟件作為各專業三維協同設計軟件。其中，國外廠商介入較早，具有諸多大型項目應用實踐[12]，市場占有率較高，主要有AVEVA的PDMS，E3D;Intergraph的PDS，SP 3D，CADWorx;Bentley的AutoPLANT，OPM;SIEMENS的PipeSpec;以及Autodesk的PLANT3D等[13-17];國內雖然起步較晚，但近年來進步很大，如輔龍智能的PDSOFT[18]、達美盛的eZWalker[19]等，在多個項目中出色實施。其他還有長沙恩為的PDMAX、上海派品的SPDA、中維數通的ZWPD等，也都是從事流程工業的三維設計軟件，但市場占有率有待提高。同時，隨著數字化交付的興起，各大軟件供應商都配套有相應的智能管道儀表流程圖（智能P&ID）設計軟件及交付平臺，詳見表1。當下的數字化交付項目中，三維協同設計軟件、智能P&ID設計軟件和數字化交付平臺三者缺一不可，需根據業主項目需求和承包商配置現狀等情況進行選擇并組合。三維協同設計軟件及智能P&ID設計軟件的輸出成果將在數字化交付平臺中進行整合，生成的信息集是數字工廠的重要組成部分。某公司根據項目實際需求，選用了PDMS及SP P&ID作為三維協同設計及智能P&ID設計軟件， AVEVA NET作為數字化交付平臺，本文在此背景下闡述PDMS三維協同設計在數字化交付項目中的實施及優化情況。

2三維協同設計系統建設思路及架構

2.1建設思路

以PDMS為承載體的三維設計系統，包含各專業在空間、物理、定量和定性特征上的虛擬模型，有助于項目參與方之間的合作，并在項目的設計、采購、制造、施工和維護階段為項目的整個生命周期提供支持[20]。同時，雖然PDMS包含了設備、電氣、儀表、暖通等設計模塊，但除管道外的其他專業還無法完全依靠其進行施工圖設計，因此，圍繞PDMS各專業還需使用自身配備的軟件進行相應的選型、計算、核驗、出圖等工作。

2.2系統架構

該三維協同設計系統（如圖1所示）主要包含4個部分：1）以智能P&ID為中心的數據島;2）以各專業設計成品為基礎的模型描制;3）以管道專業為核心的PDMS自主建模;4）支撐PDMS使用的各類庫數據及編碼規則等。最終，來自各處的信息匯至PDMS中，實現數據集合。

3項目實施效果——以HY項目為例

HY項目為全廠性數字化交付項目，預期打造具有國家示范性的智能工廠，是當地重點項目之一，全廠以煤炭為原料，生產100萬t/a甲醇，20萬t/a乙二醇、50萬t/a醋酸，占地約1 230畝（8.2×105 m2），總投資約121億元。其中，該廠區氣化裝置采用HT-L粉煤加壓氣化技術，由航天工程公司進行EPC總包并實施數字化交付。不同于以往的常規項目，數字化交付項目中需要各專業參與三維協同設計，統一各專業PDMS建模內容及深度。在項目伊始，對三維設計的設計分工進行了明確，并按照業主要求規定了30%，60%，90%的模型審查節點及內容，并對各階段、各專業數據匯總整理。可知，在同一審查階段，各專業的內容完成度差異巨大，這主要是由上下游專業屬性所決定的，具體如圖2 b）所示。項目中實施上下游及異地協同設計，將各種來源的設計成果反映至PDMS模型之中，最終形成包含管道、土建、設備、電氣、儀表、電信、給排水、消防、暖通、總圖等全專業參與建立的虛擬工廠[21]（見圖2 a）），總數據量約12萬項，其中管道專業數據量占比超過一半，儀表、土建數據量占比超過10%，總圖、暖通及電信占比較少（見圖2 c））。對比類似規模同類型某項目，數據量增加約68%。

通過PDMS三維協同設計，對于工程公司（設計院）來說，可達到3個方面的效果：1）間接掌握各專業的設計進度;2）快速便捷檢查碰撞問題;3）優化可視化輔助設計方案。對于業主來說，可以獲得完整的模型占位信息，尤其是地下建構筑物，方便運維管理，其次，完整的數據信息是建立數字工廠以及智能工廠的基礎，是打造全生命周期運維方案的先決條件。在獲得三維模型后，可實現可視化運維、仿真培訓（OTS）、遠程故障診斷、應急模擬等功能，如圖3所示。

實施三維協同設計，較大提高了設計質量，有效降低了施工成本，如圖4所示，根據項目EPC管理數據，以土建施工為例，對比類似規模同類型某項目，設計變更由26圖次降為17圖次，降低35%，變更率不足0.4%;施工周期縮短13 d，縮短5%，節省機械、人工及管理成本約260萬元;通過碰撞檢查在匯合模型校審階段排除碰撞70余項，較類比項目增加260%，其中直接影響施工可行度項12個，有效提高設計質量;通過可視化方案優化方式，使某主框架高度由66 m降至59 m，布局更加緊湊，經核算，該框架土建材料節省約14%。

4典型問題及優化解決方案

4.1典型問題

1）建模分工不清晰

在非數字化交付項目中，單由管道專業進行建模，不存在分工爭議，僅需專業內部進行統籌協調，而數字化交付項目需進行PDMS多專業的三維協同設計，圖5為某項目進煤及磨煤單元局部三維模型，涉及管道、結構、電氣、儀表、電信、動靜設備及給排水等多個專業。即便在設計之初進行了專業分工，也會由于設計形式有較大改變而無法完全避免建模分工不清晰的問題。一部分為除管道外其他專業間建模問題，如給排水專業的池、泵是否由土建及機泵專業完成，機泵專業中設備TRIM管線上的儀表是否由管道或儀表專業完成等。另一部分為管道與新增專業間的建模問題，這方面主要突出體現在原來由管道建立的框架、設備、管廊等哪些由各專業自承建模，哪些仍由管道專業代建。

2）模型重復及遺漏

由于在設計中，單一元件可能由上下游多個專業共同完成，因此還會出現模型重復或遺漏的情況。如壓差表，在管道上需表示2個壓力取壓點，由管道專業進行標識，而同時儀表專業則需表示實體壓差表的準確位置，相當于該表被分割成為3部分進行表示，2個專業如果配合不夠準確，即會出現重復建模或遺漏;再如成套采購設備內的子設備，甚至是子設備內的子部件，如果其在智能P&ID中體現，則需要PDMS予以一致體現，往往會出現遺漏的情況。

3）與平面圖紙不一致

在現階段，一般僅有管道專業通過PDMS出圖，下游專業或由于設計習慣或受限于PDMS功能性不足而采用其他方式出圖，其中后者占主要原因。目前PDMS已停止更新（最終版本為12.1 SP5），雖然該軟件之前不斷完善各類模塊的功能，但其仍是以管道設計為核心，其他專業需要配合專業軟件方能完成設計。因此各專業模型是根據平面圖紙的信息逆向建立，即便建模伊始與設計圖紙完全相符，一旦平面圖紙的變化未反映至模型中，即會造成兩者的不一致。而下游專業的設計人員與建模工程師可能并非一人，更會加重上述現象的產生。除此之外，某些平面圖紙反映出的設計成果在PDMS也難以準確反映出來，包括總圖各處標高、結構框架細節構件、給排水管道坡降等，從而使設計文件與PDMS模型存在差異，比如在某給排水專業管道縱斷面圖紙中，地面是通過控制點進行擬合帶有坡度的，給排水管道中心標高根據地面走勢在1～1.1 m內浮動，如圖6 a）所示;而PDMS中，該區域地面是通過2塊平整地面拼接而成，因此管道中心標高僅為1 m或1.1 m，如圖6 b）所示。顯然，設計文件與實際更為符合，但PDMS難以將其準確表達。

4）與智能P&ID不一致

在數字化項目中，智能P&ID作為交付物的核心內容之一，其體現的管道、設備及儀表須完整體現在PDMS模型中，且前者的內容小于后者，看似保持一致相對容易，然而在實際項目中，由于涉及諸多成套采購設備，智能P&ID需根據供應商資料不斷修正及完善，其錯誤產生的原因與3）中一致。不得不提的是，現階段項目中往往使用CAD進行P&ID制圖，于是P&ID與智能P&ID的一致性也是同樣需要注意的問題。

4.2優化解決方案

針對以上問題，結合項目實際，逐一提出如下方案。

1）分工模糊問題解決方案隨著數字化交付項目的不斷增多，一方面需針對PDMS等三維協同設計軟件對各專業進行培訓，另一方面，三維協同設計系統的運用愈加頻繁，各專業需更加注重三維設計軟件的使用并熟練掌握，使分工上不存在軟件使用方面的短板。同時，項目實踐經驗的增加可使建模的專業分工更加細致，在誰設計誰建模的主線下進行調整，并以工作標準的形式確定下來，如規定給排水工作涉及的池及機泵由給排水專業提出條件，土建及機泵專業計算選型并建模;TRIM管線上的儀表根據情況分別由儀表及設備專業建模，盡量減少建模中分工不明確的現象。典型問題解決方法如表2所示。

2）模型重復和遺漏問題解決方案模型的重復和遺漏是常見的問題，一般來說，PDMS的避重規則使得模型重復的概率遠小于模型漏建，但人為的輸入錯誤或專業命名的差異仍會產生重復或遺漏。為避免這些情況，對過往項目中出現的具體問題進行匯總整理，在未來項目初始階段進行明確。如，對位號為115-PdT-1001的壓差表進行了區分管道與儀表專業的表示：儀表為實體部分，表示為115-PdT-1001，管道的個取壓點分別為115-PdT-1001/A及115-PdT-1001/B;對于成套采購設備，采取PDMS與智能P&ID重點類比檢查，并要求工藝專業將供應商提供的P&ID圖紙及時發送至管道專業。這些措施基本能夠確保遺漏不會產生。

3）PDMS平面圖紙不一致問題解決方案理想狀況下的三維協同設計，是各專業能通過同一款三維設計軟件進行設計并直接出圖，這是現階段不能達到的。目前可以實現的做法是專業通過各自的三維設計軟件建模后導入，如：探索者，PKPM，REVIT，Solidworks，天正TR等，但接口昂貴且實施較復雜，并沒有廣泛應用。另一方面，三維協同設計的軟件商及行業參與者們也在努力：PDMS的替代產品E3D新增了電纜敷設、支吊架及礦山運輸等設計模塊，并對原有模塊進行了優化更新，以期更多專業可以實現協同設計;長沙恩為基于PDMS平臺制作的PWSD軟件可以使給排水專業實現PDMS設計出圖;專業工程師通過二次開發，讓建筑、結構、設備、暖通等專業在PDMS中的設計功能更加完備。 然而，就當下而言，解決模型與平面圖紙的不一致問題，更多是依托交付平臺的數據校驗和人工審查，隨著軟件技術上的不斷革新，該問題會被更好地解決。

4）PDMS與智能P&ID不一致問題解決方案除對成套采購設備重點檢查外，還應重視智能P&ID設計軟件的應用，以解決工藝專業先畫P&ID再描智能P&ID的現象。目前，即使是在國內應用最廣泛的AVEVA Diagram及SP P&ID，也無法成為工藝設計的第一選擇，究其原因，是智能P&ID的前期建庫工作量大、繪圖時間長且修改工作繁瑣，與目前項目周期愈加緊迫的要求相左。因此，現階段解決該問題更重要的是依托數字化交付平臺輔助進行二三維校驗，導出報表后進行修改。

5結語

1）現階段有多種較為成熟的三維協同設計軟件及數字化交付平臺，均能滿足當下的建設需求。目前，國外軟件的市場占有率要高于國內軟件的市場占有率。

2）現階段以PDMS為承載體的三維協同設計系統，僅管道專業容易實施正向建模，其他專業仍為反向復模，但可以實現工廠業主預期的實施效果。

3）實施三維協同設計，為項目前期規劃及優化提供了便利條件，更重要的是其對設計質量、施工進度及建設成本等都有顯著作用，因此推進該系統的建設及使用是十分必要的。

4）三維協同設計在實施過程中，會出現建模分工不明晰、建模存在重復遺漏及與平面圖不一致等問題，本研究提出了相應的優化解決方案，在后續項目的實施中可以針對性地完善解決。

本研究目前僅對某單一類型項目進行分析，缺乏更多類型的項目數據類比，在未來需要更為系統的研究。另外，多數字化交付平臺的三維協同設計系統以及三維協同在數字工廠中的實際應用價值等值得進一步研究探討。

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