工程數字化中逆向3D模型項目及實施

羅小燕

摘? 要： 隨著國家指引方向，工程數字化交付已成為各行業(yè)的發(fā)展方向，不同行業(yè)的工程有各種關于數字化交付的3D模型的項目需求，在工程項目 的整個生命周期里， 3D模型有其重要作用。本文就此從過往項目積累中， 對3D模型的項目需求及目的進行歸納， 希望對工程數字化過程中的項目選擇和 實施起到一定的指引。

關鍵詞： 工程;數字化交付;3D;模型

引言

從蒸汽機時代（工業(yè)1.0 ）到今天智能化時代（工業(yè)4.0 ），全球工業(yè) 走向智能智慧化。借助于工業(yè)4.0和特有的中國制造2025宏偉戰(zhàn)略的推進， 越來越多的工廠開始踐行數字化轉型和交付[1]。數字化交付是以工廠對象 為核心的一系列操作，很多時候離不開數字化3D模型。 3D模型可以1 ：1的 還原工廠的設備結構管道等專業(yè)的實際內容，尤其是與實際相接近的3D模 型，既有設計屬性，亦有實際特性，是實現智能化操作的基礎底座[2]。工 程數字化交付給行業(yè)提供了機遇，也增加了挑戰(zhàn)。優(yōu)質的3D模型將對數字 化交付起到最重要的根基保證。

1 分列典型的行業(yè)項目

隨著國家資源開采的積累，新建項目在增加，但是已建在役項目已經 到了無法忽略的數量。許多工程行業(yè)單位，積極進行在役工廠的逆向3D建 模， 力求與實際工廠情況一致。以下列舉幾個典型的逆向3D模型的需求 項目：某石油化工廠，在某次生產事故停用多年后要重啟，涉及到多個裝 置區(qū)需要重建帶屬性的3D模型， 已供改造使用。原設計模型不全且不可 編輯，尤其是經過多年變化，實際現場已經與原設計模型不完全一致了。 因此需要結合圖紙，參考現場的點云數據，對設備管道結構進行真實地還 原，以提供給改造設計最真實的帶屬性的3D模型。某藥企，在不斷的改擴 建生產工段，鑒于其空間小，設備較緊湊，工藝要求嚴格，采用3D模型做 輔助對工程施工進行拆解。某牛奶生產車間，要進行大的改造，旨在將改 造后的實際車間，以真實的3D模型呈現，達到更好的宣傳作用。由于行業(yè) 特殊，通用的模型庫無法滿足牛奶生產工段3D模型要求，因此所需的全部 元件庫需要定制， 由此呈現的3D模型為帶屬性的3D模型。在此基礎上， 進行美化渲染，最后制作視頻，效果非常不錯。某園區(qū)管廊管理部，為更 好的從系統(tǒng)里管控全局和處理管廊管道結構發(fā)生的一系列變更調整。提出 需要更新完善原來的3D模型，并配上顯眼的結構編號及周圍的環(huán)境，后期 直接通過遠程平臺對管廊相關工作進行處理安排。某天然氣處理廠，隨著 生產及數字化發(fā)展，打算將整個廠在數字化平臺上進行呈現，亦發(fā)起了重 構整個廠的3D模型， 并提出更高的要求， 要求3D模型需要能掛接其流程 P&ID，能與現場的DSC系統(tǒng)進行掛接和跳轉等。無論行業(yè)、無論企業(yè)規(guī)模 都在積極探討工程數字化轉型，對逆向的3D模型的需求也越來越大。

2 綜合概述項目類型

基于各種各樣的出發(fā)點的工程數字化項目需要提供更優(yōu)質的3D模型， 大體可分為以下幾類需求類型。

（ 1 ）P&ID升級。小到采氣井口，大到復雜化工廠的工藝儀表流程 圖（ P&ID ），從早期手繪版，到標準化圖例的DWG版，再到現在的智能 P&ID。力求將二維P&ID活化，讓圖例帶上其相應的屬性，便于在平臺端 進行查看。同時后期與3D模型，進行掛接切換。這就是智能P&ID項目。 （ 2 ）老版圖紙資料到3D模型。工廠建設和運行，涉及到的設備圖紙、管 道圖紙、結構圖紙等很多，尤其是老廠翻新，需要根據以往的圖紙資料在 三維軟件中，進行1 ：1的3D建模，以達到將圖紙信息直觀反應出來，并 方便進一步的優(yōu)化完善。（ 3 ）技改變更結果到3D模型中再現。工程項目 過程中或者投產后，都免不了要進行變更。基于3D模型的變更執(zhí)行，可優(yōu) 先在模型上進行處理，查驗效果是否為預期，優(yōu)化完善后，再在現場進行 施工變更操作。若實際操作中，無法每次變更都跟進完善模型，可采用定 期收集變更項及現場的實際操作項，再對已有的3D模型進行一次性更新。 （4 ）帶屬性的3D模型與現場相一致。當今社會借助于各種機器設備，可 以對工廠進行航拍、掃描，再通過軟件處理出反應工廠外形的模型。但此 類模型有其優(yōu)缺點：優(yōu)點是貼近實際現場，缺點為無屬性、不夠美觀。而設計軟件產出的3D模型，雖有屬性，但其美觀度和現場有較大的差別。基 于此， 通過3D軟件， 參考航拍、點云模型進行3D逆向建模， 得到帶屬性 的3D模型。同時通過現場采集素材，按照實際對模型進行美化渲染，以達 到接近真實現場的效果，用于后期展示和開發(fā)利用。此項需求，在工程3D 模型項目中，也逐漸成為必不可少的一項技術要求。（ 5 ）3D模型與P&ID 相跳轉。 3D模型與P&ID，在數字化交付平臺上進行二三維跳轉，能夠方便 現場對流程的管控和分析。因此在此項需求中，帶屬性的3D模型與帶屬性 的P&ID是基礎，鑒于此開展的一系列探討在不斷更進。（ 6 ）仿真型3D模 型。許多復雜單體模型也需要細化美化模型，此為三維仿真的基礎。仿真 型的3D模型，在工程中進行越來越多的應用。當然時代在變化，技術在進 步，需求和實施也在不斷更進，不同的項目需求類型也應運而生。

3 實施選擇及目的

項目的數字化交付中，每個階段選擇能實現的最適合的3D模型成果， 結合其他數字化措施，為客戶實現當期目標。

3.1? 在工廠規(guī)劃設計階段

在初設階段，可選擇根據初設圖紙搭建的3D模型，以估算個別項的 需求，同時初設圖紙也可根據此版3D模型進行優(yōu)化。在詳設階段，采用優(yōu) 質的帶屬性的3D模型，能很好的還原真實現場，對施工材料采購可以起到 精準的提資，對現場施工中的可能情況進行提前預判應對，對各專業(yè)的界 區(qū)，進行清晰的劃分，輔助促進后期工程的施工進度等。

3.2? 在工廠的施工階段

在施工階段，若產生施工問題，或導致施工難度不確定，或導致設計 變更等。當有施工難度時，在原有3D模型基礎上，進行適當的調整演練或 更新補充，待方案確認可行，步驟清晰后，再在現場進行施工，大大降低 現場的施工難度，提高工程效率。當出現變更后，對現場模型進行虛擬狀 態(tài)下的3D模型復原，以期于保持3D模型始終與現場一致，便于后期利用和 改進。

3.3? 在工廠生產運營階段

工廠投入運營，此為在役項目的基本條件。部分老舊廠在早期設計施 工時，無相應的3D模型，基于當今先進技術，可采用掃描、航拍快速還原 一版3D模型。在此基礎上，收集早期設計資料，在設計軟件中還原一版帶 屬性的3D模型。在運營階段，出現改擴建時，此時需要已有3D模型能完全 與真實現場相一致，便于人員確定改擴建效果。工廠運營階段，以3D模型 為基礎的數字化運維管理，能夠有效助力企業(yè)運維。

3.4? 在工廠退役階段

服役多年的工廠，只要有與現場相一致的數字化3D模型，那么工廠中 的各類設備管道等設施才能環(huán)保的處理和拆除，進行最大化利用和最小化 傷害。數字化3D模型，在工廠的各個階段都能起到重要作用，其虛擬可視 化的展現，能有效地反饋物理工廠的真實現狀[3]。

4 結束語

工程數字化交付在智能化智慧化的今天，已成國家的重點規(guī)劃方向， 因此成為各行業(yè)的發(fā)展轉型方向。必不可少的3D模型與其大量的數字化數 據、文檔及其關系，共同拼接成完整的數字化虛擬工廠，助力時代發(fā)展[4] 。

參考文獻：

[1]林中.工程數字化的應用及前景[J].化工設計，2019，29（1）.

[2]GB/T51296-2018-石油化工工程數字化交付標準.

[3]e-works閆東.數字化交付，助力流程行業(yè)邁向數字世界[DB/OL].數字化企 業(yè)2021-12-04.

[4]達美盛，工廠數字化交付過程全解析[DB/OL].達美盛.2020-05-20.

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