浮法玻璃工廠成形工段管路的數字化設計及應用

郭 飛

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

隨著工業互聯網(II)、大數據(BD)、人工智能(AI)、云計算(CC)等新一代信息技術(new IT)的迅猛發展，設計的數字化、網絡化、智能化特征日益顯著，其中最為矚目的是依托數據網絡構建起的智能制造(smart manufacturing)。我國作為制造業大國，擁有數目可觀的中小型制造企業，工程設計不單單是依靠經驗與已有圖紙進行翻版更新，更是對工程實體的全新定義以及數字化賦予工作，因此伴隨而來的是技術與設計理念的全新交互。設計工作的發展經歷過紙面繪圖、計算機CAD畫圖的“舊時代”，在新技術革命的引領下也迎來了新的時代。智能制造與數字化邏輯關系的正確建立成為解決此問題的關鍵。數字化工廠是實現智能制造的基本條件，工廠數字化是智能制造實現的核心引擎，構建真正的工廠數字化建設方案成為首要研究對象。

玻璃工廠成形工段作為玻璃生產車間最重要的工段，決定玻璃能否合格出廠，其中保護氣體管路的合理化設計成為玻璃成形的重要影響因素。傳統CAD工程圖的設計處于初期階段，現場土建施工與設計工作存在異步性，設計人員無法掌握其他施工流水作業面情況，進而無法判斷空間占用關系，導致前期設計與實際建設施工存在出入，不僅浪費大量的人力物力，耽誤工期，同時降低了設計質量。保護氣體管路的數字化設計是通過參數化、可視化、科學設計三個方面來建立設計思路，以三維數字化建模為手段，以浮法玻璃生產工藝中成形工段保護氣體管路設計為例，呈現了一套降本增效的解決方案，如圖1所示。

圖1 成形工段管路的數字化設計流程圖

基于模型定義(model based definition, MBD)的三維設計是當代設計的主要發展方向，是產品數字化定義的先進方法。MBD作為企業數字化推廣的核心要素，是指通過使用單一數據源建立起來的模型全生命周期描述工程實體的方法。MBD所具備的要素包括，在設計規則的基礎上充分利用原有工程體的幾何信息，物理信息在實際工況下的行為表達方式以及進行對應模擬分析實況反饋。涉及到樣品本身的屬性、材質、狀態等與制造裝配工藝共同結合到產品的三維模型中并全程作為設計參考的數字化手段。MBD的運用解決了傳統的三維模型孤立實際生產，僅作為樣板展示，以及設計生產中“華而不實”的問題，也突破了原本只能通過大量的二維圖紙描述工程體的局限性。能夠將形位公差、尺寸、安裝要求等繁瑣的制造信息與工程實體相結合，作為設計生產制造中的重要依據。

一、參數化設計

參數化設計是一種基于MBD的數據化、模塊化的設計方法，利用編程通過輸入具體參數改變產品特征和屬性得到建模實體，也叫程序建模。以保護氣體管路配氣室中SO2儲罐設計為例，其參數化設計界面如圖2所示，將罐體的長、寬、高、壁厚等外形特征作為基本參數變量，僅需輸入相應參數對應的具體數值，即可得到罐體的主體模型，以及對儲罐的進、出氣口等屬性信息進行相應的數據賦予，可一鍵生成本項目SO2儲罐的參數化模型。

圖2 SO2儲罐的參數化設計界面

通過建立參數化設計思想，可以極大提升目前設計體系的設計效率，輸入參數與輸出模型間有著精準可控的聯系，使得精準復雜形體的設計變得高效便捷。每個項目均有多種備選方案，傳統設計的背后是設計師無數次重復工作，利用參數設計能夠快速生成多個方案模型，在方案的修改完善中也可以直接根據需求快速進行迭代，滿足了不同專業間、設計與施工間的精準對接。每一個項目工程均有大量專業進行配合，傳統CAD圖紙在專業協作和設計與施工交底過程中存在信息更新不及時、部分信息缺失等多種問題，拖延整個設計施工的進度，在參數化設計的支持下，通過單一數據模型的傳遞，不僅滿足了設計精度的需求，同時讓施工與設計無差別，極大地減小了返工的概率。

二、可視化設計

建立在參數化模型的基礎之上，通過數據-設計-數據的工作模式，構建設計標準化的元件庫。此處以內螺紋截止閥為例，通過使用Solidworks基礎建模軟件，按照MBD的建模思路，對截止閥的尺寸、形狀、裝配關系等幾何參數進行編輯，使模型能夠通過已知經驗或物理規律模擬截止閥的實際工況。其次，賦予截止閥相關的制造信息，如圖3中示例的機床加工模塊，不同制造工藝的集合使得本模型可以將更多的物理行為在模型中顯示，以此類推描述內螺紋截止閥的加工、裝配、生產、原材料等諸多屬性。

圖3 基于MBD的三維建模實體(內螺紋截止閥)

基于已建成的成形工段保護氣體管路標準件庫、參數化非標準件模型庫，按照實際的工業管道組成，結合分部分項工程的劃分特點，以模塊化分區設計的方式，按照層級裝配的概念，從個體設備到管道子系統再到管道母系統，按照層層遞進、相互配合的方式進行裝配式設計。將保護氣體管道分為閥門管件、區域管道、總管道等分項工程模塊，待每個分項工程完成后，將其相互搭接，完成管道設計分部工程。管道的起點與終點以不同區域個體設備的預設接口為準，按照分項工程劃分原則，分解各區域管道，以區域管道內不同設備串聯起的管路為最小單元進行分段建模。以廠區氮氫站引管進入成形工段車間為起點，分別按照相關設計規范、人防規定、防爆等級要求，布置了如圖4所示的三維管路系統(圖4(a))、保護氣體配氣室及SO2室(圖4(b))和成形工段內的管路系統(圖4(c))。

圖4 數字化三維管路(a)、保護氣體配氣室及SO2室管路(b)和成形工段管路(c)示意圖

所有管道子裝配體與設備模塊建立完成后進行總裝配，得到最終三維模型后仍需對模型進行包括管道碰撞檢查，管件數據屬性參數檢查，模型設計檢查等多方面的質量檢查。管道碰撞檢查是各專業協同設計的關鍵，以設定好的各類管件碰撞條件為基礎，對已經完成的三維管道建模與構筑物實體建模的空間關系數據分析后進行比對，對達到碰撞條件的部件進行可視化標識，及時提醒設計人員進行相關參數的修改或者模型的重建。管件數據屬性檢查主要是對管件數據進行核實，利用NEW IT技術，對數據不合理部分進行反饋監督，提醒相關設計人員；模型設計檢查是通過物理運行規則提供數據支撐，結合相關規范保證管件、設備之間連接邏輯的合理性、管件和連接件之間參數的匹配性以及墊片壓力等配管邏輯的檢查。圖5為利用Navisworks進行檢查碰撞的圖例，通過模塊化設計、相關專業參照、實際布管以及模型驗證，利用數字化技術對玻璃工廠三維管道布局及參數實現修正和改良，實現最終設計交付。

圖5 利用Navisworks進行模型檢查

可視化設計的實現為設計師在前期設計方案時提供了更直觀、清晰的空間關系，極大程度上減少了依靠想象進行空間位置上推斷的不合理設計，從而減少了在施工階段的返工工作。同時在項目前期方案階段，可以給第三方更為直觀的展示，對企業設計能力以及招投標階段的競爭力的提高有著巨大的幫助。

三、科學設計

傳統的工程設計主要由經驗豐富的設計師根據多年的從業設計經驗，結合實際生產線的建設運營情況，不斷摸索總結出設計規律。但隨著時代發展，對產品質量和種類也提出了更高層次的要求，傳統意義上依靠經驗設計的思想愈發不滿足現在的設計體系，隨著計算機技術的飛速發展，CAE技術下的仿真模擬成為主流設計的重要輔助工具，將數字化設計生產的各個環節有機地聯系到一起，貫穿于工程全生命周期。在本項目的前期實施中，同樣需要對管道類別、選型以及合理性進行分析，排除了以往依靠經驗設計的不準確性，所有的管道設計都基于科學的應力模擬分析，這是數字化設計體系構建的重要組成部分。基于科學應力分析，可以對設計計算結果進行驗證，對管道預生產階段的實際情況進行模擬，極大保證了設計與生產的相關性。從經驗設計到科學設計的轉變，數據的積累可以快速進行迭代，為之后項目提供更多數據分析，基于大數據可以進行更為準確的設計分析及應用分析。

四、數字化設計在施工建設方面的應用

(1)管道預制化技術發展，降低施工耗材損耗，節約成本。管道預制化技術是一種半成品加工技術，在縮短施工工期、提高工程安全、提升安裝質量、降低生產成本方面發揮著重要作用，具有廣泛的推廣空間和實用價值，其中設計人員提供準確的設計圖紙是實現這一技術的重要前提，本三維數字化設計導出的管段軸測圖、單線圖、加工圖分段合理(由小到大、由局部到整體)，管段配件編號、加工、焊接、檢驗信息、涂裝、存儲等工藝信息完整，相較于紙質圖紙，更易存儲，便于日后復核檢查，存檔更新，施工現場也根據準確的材料量計算節省了大量成本。

(2)三維數字化交付，便于現場施工時提升安裝效率。傳統施工現場要求能夠看懂工程圖紙，因圖施工，但是由于施工人員流動性大，從業素質參差不齊，對設計內容把握起來難度大，因而施工質量無法得到保障。三維數字化設計可以直接將設計模型發送至施工現場，模型尺寸與實際一致，施工人員可以快速高效地理解設計意圖，準確地進行無差別施工，對施工進度的加快、質量的提高有著極大的幫助。

(3)減少現場安裝碰撞造成的返工。用了三維數字化設計技術，設計人員在前期設計階段對整個工段布局及設計內容有更準確的把控，設計人員可以根據實際三維模型在“虛擬車間”內的布局進行可視化設計，不斷調整直至找到最佳的設計方案，讓原本考慮不周所造成的施工現場返工現象大大減少。

綜上所述，基于MBD原則的設計方法，從參數化設計、可視化設計、科學設計及在實際施工建設中的應用等角度進行分析，不僅能夠大幅提升現有的設計質量，同時可以作為企業數字化資產進行迭代優化，成為企業數字化轉型背后的核心競爭力。對實際施工安裝過程中的問題進行了有效的解決，提升了施工質量，縮短了施工周期，降本增效。在設計與工程實踐的基礎上進一步完善玻璃生產加工全生命周期的技術路徑，與上下游供貨商、業主之間等進行多維度的數字化合作，以推動“智能制造”的強大引擎在玻璃行業中提速增效。