數字化交付模型數據整合路徑探討及優化

孫冠華, 賀永金, 繆 云, 張澤果, 孫建斌

(1.航天長征化學工程股份有限公司,北京 101111;2.南京強思數字科技有限公司,江蘇南京 211899)

隨著中國數字經濟的不斷發展,其作為國民經濟“穩定器”“加速器”的作用更加凸顯。2022年中國數字經濟規模已達50.2萬億元,同比增長10.32%[1]。在數字化、智能化轉型的強大趨勢下,大型項目實施數字化交付已趨于常態。

保證工廠三維建模的完整性,是實施數字化交付、建立數字化工廠的基礎。部分數字化交付項目采用EPC總承包的形式,通常要求各參與方使用同一種建模軟件,由EPC裝置院通過正向建模或反向翻模、整合裝置界區內模型,設計總體院補充界區外部模型,最終形成完整廠區模型。對于非EPC項目,很難要求各參與方使用同一種建模軟件,模型的來源將變得更為復雜,種類也多種多樣。因此,如何保證數字化交付模型的完整性,成為一個必須考慮和解決的問題。

國內外對三維模型數據整合的研究高度關注[2-8]。郝大輝等[9]在澳門某口岸項目中對Revit,Tekla,Civil 3D,Rhino等建模軟件數據進行整合,進而將項目內多個單體建筑模型統一導入到Navisworks中,實現了項目建模預定目標;陳辰等[10]在某輸變電工程項目中,基于SuperMap平臺和行業通用格式,將包括Revit,CADworx在內的不同三維格式模型進行了整合,為電力仿真系統和電力數據協同分析打下了基礎;康凱[11]結合SolidWorks軟件在工程項目中的整合實踐,歸納了該軟件數據進行整合時的途徑及輕量化方法;曹方等[12]根據高鐵車站建設項目,將3DS MAX和Revit軟件模型轉換為支持格式并在Web平臺上發布,實現了車站的集成展示和全方位可視化管理;SZTIPANOVITS等[13]為了集成各類出自不同框架和計算機語言的信息,通過引入建模軟件間的接口和工具構建模型集成平臺,從而為構建網絡物理系統(CPS)建立基礎。

一方面,包括專利在內的現有文獻涉及公建、民建BIM方面的整合研究較多,但對包含專業更多、占地更大、建設對象更加復雜的工業項目涉及較少;另一方面,現有文獻對整合深度往往局限于模型拼合卻沒有屬性信息的傳遞,而屬性信息是模型數據的內在重要組成,它的完整接入也是實現數字化交付的重要一環。根據業內現狀,工業項目的數據整合需求大且完成難度大,這些問題亟待被解決。AVEVA AIM平臺(簡稱AIM平臺)是工業數字化交付項目中應用最廣的平臺之一[14],卻在整合方面的各類研究中鮮有提及。因此,本文以航天長征化學工程股份有限公司(以下簡稱航天工程公司)某化工氣化氣項目為例,對非EPC項目的數字化交付模型數據整合進行探討,提出解決方案及優化方向。

1 項目概況

本案例項目以煤為生產原料,采用粉煤加壓氣化技術生產粗合成氣;再通過變換、凈化、精制、壓縮、氨合成等工序得到產品液氨;液氨作為原料生產尿素;尿素繼續生產三聚氰胺和尿素硝銨溶液。項目總投資約53億元。目前,項目實施全廠性數字化交付,致力于打造數字工廠示范項目。

本項目除個別裝置(如氣化、零排放等)采用EPC或EP總包形式之外,其他均采用設計(E)、采購(P)、施工(C)分開招標的執行方案,因此項目涉及參與方更多更廣(多達數百家),數字化交付物的統一難度更大,涉及建模軟件眾多,具體如圖1所示。

圖1 項目裝置單元分布概況及涉及建模軟件Fig.1 Overview of the distribution of project equipment units and involving modeling software

2 模型數據整合流程

模型數據通常來源于各裝置EPC承包方。各承包方提供整個裝置范圍內的三維模型,但對于非EPC總承包項目來說,模型來源不限于設計院,還有部分設備供應商。模型數據應符合國家標準以及相關規范和規定,主要有GB/T 51296—2018《石油化工工程數字化交付標準》[15]、GB/T 40209—2021《制造裝備集成信息模型通用建模規則》[16],以及針對項目發布的《數字化交付三維模型統一規定》等。一般來講,項目統一規定的要求要嚴于國家標準。本項目中,設計院提供設計向建模的界面模型。所謂界面模型,是一種簡化的設備模型,用于專業之間相關信息的傳遞,并不用于設備的內部設計;其管口位置、方向、支座位置、連接尺寸等準確無誤,設備外觀為大致示意。與之對應的稱之為機械模型,屬于產品設計模型,能夠準確反映設備外形尺寸,并包含設備零部件及內部構造等信息,可用于指導機械制造加工和進行仿真培訓等。一般來講,設計方需要保證各類設備界面模型的完整性,而對于業主提出建模要求的設備,則由具備實施條件的廠家提供機械模型,由設計院和數字化總體院進行整合。

為了進行項目三維模型的數據整合,根據設備的復雜程度和重要性高低,將業主采購的設備供應商分為2類:一類是常規(非成套)設備,其主要包括單體設備及工藝流程不復雜、重要程度不高的撬裝設備(如泵、罐體、加藥裝置等)。另一類是成套設備,主要指工藝流程復雜、重要程度較高或涉及專利、專有設備的設備機組,如壓縮機組、脫硫脫硝裝置等。

常規(非成套)設備,除特殊要求外,由設計院提供界面模型,各設計院模型最終由數字化總體院在數字化交付平臺進行整合,供應商無需提供三維模型。對于業主提出機械建模要求的常規設備,則由設計院在PDMS中用機械模型替換原有界面模型。如無法導入PDMS軟件,則機械模型通過相關設計單位校核無誤后由數字化總體院在AIM平臺中進行整合。成套設備供應商提供的三維模型由關聯設計院校核工廠對象位號、總體坐標及對接點方位等信息,無誤后由數字化總體院在AIM平臺進行整合。對于無法最終進入平臺的模型,則通過Review軟件單獨進行瀏覽,本研究通過實踐優化,使模型數據展示于統一平臺,避免數據需單獨瀏覽的情況發生。項目模型數據整合流程如圖2所示。

圖2 各參與方模型數據整合流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of model data integration process for each participant

3 模型數據整合方法

3.1 項目涉及模型數據類別

隨著這些年計算機軟件的不斷完善和專業人員技術能力的不斷提高,三維建模在各個行業應用廣泛。各類軟件不僅可滿足設計需求,同時不斷完善可視化效果、校核計算、快速出圖等功能,大大提高了設計效率及準確性[17]。由于本項目為非EPC項目,既有裝置設計院,又有設備供應商,同時還有個別總承包單位,因此三維建模軟件類型更為多樣。對于裝置設計院,項目要求統一采用PDMS軟件;設備成套供應商所采用的建模軟件主要有SolidWorks,CADWorx,Pro/E,UG,3DS MAX等;而總承包單位則主要采用Revit及PDMS軟件。

上述軟件不單涉及化工行業,還包括公建、民建、動畫渲染、機械制造等各個領域,能夠導出的模型數據格式不一,各格式數據不能直接連通。表1列出了項目涉及的三維建模軟件需導出格式及配套數據要求。打通各自的信息孤島,是保證數字化交付信息完整性的重要一環。本文通過對各類模型數據的測試驗證,力求探索出一套包含上述數據類型的完整的整合方法。

表1 項目涉及三維建模軟件及相應整合需求

3.2 各類別數據整合方法

將表1中各類數據進行整合,需完成2個方面內容的導入,即模型文件和屬性信息。各類建模軟件出自于不同廠家,可導出的格式類型各不相同,需要思考如何順利導入到AIM平臺并保證模型數據不產生偏差和缺失,解決該難點的核心思路是將各類模型轉換為平臺可直接處理的格式(包括RVM,IFC,DWG,等),再導入平臺。屬性數據主要包括模型的位號、類別、從屬關系、設計參數等,主要通過AIM平臺相應Gateway對模型自帶信息進行提取處理,得到平臺可用的XML格式屬性文件,當模型屬性信息無法被平臺提取時,采用建模軟件中參數賦予或單獨填寫數據模板等形式,間接形成屬性文件,再將相應數據導入平臺。簡而言之,最終需要得到的是RVM/IFC/DWG+XML的模型數據,其整合流程如圖3所示。

圖3 各類型模型數據整合流程圖Fig.3 Flow chart for data integration of various types of models

3.2.1 PDMS數據整合

由于PDMS與AIM平臺同屬AVEVA公司旗下產品,因此將PDMS數據導入AIM平臺相對便捷。數據主要包括RVM格式的三維模型及XML格式的屬性文件,其中,前者可在PDMS中直接導出,后者通過Gateway進行處理,數據導出為可以直接導入AIM平臺的XML文件。導出數據前應保證PDMS中PBS層級結構及位號嚴格按照數字化統一規定要求,保證位號能夠順利被平臺提取。PDMS建模數據及進入AIM平臺效果如圖4所示。

圖4 PDMS模型數據整合效果Fig.4 Diagram of PDMS model data integration effect

3.2.2 Revit數據整合

使用Revit建模的參與方,需將模型導出為IFC格式,通過AIM平臺專用的IFC Gateway進行處理后導入平臺,同時,模型所對應的位號信息統一填入“Object ID”欄中,通過參數賦予由Gateway進行提取,再由交付平臺建立位號與相關數據的關聯關系。其中,設備類可直接選中設備,在屬性框中“Object ID”欄定義位號;土建類需定義位號的土建內容 → 創建組 → 確定 → 選中組 →屬性框中“Object ID”欄定義位號。Revit建模數據及導入AIM平臺效果如圖5所示。

圖5 Revit模型數據整合效果Fig.5 Diagram of Revit model data integration effect

3.2.3 SolidWorks,UG及Pro/E數據整合

PDMS支持導入STEP格式文件,用SolidWorks,UG及Pro/E導出STEP格式文件,然后依托PDMS的MEI接口將STEP格式的模型導入PDMS,再通過自研插件自動將每個sube層級轉換為equi層級,并將成套設備拆分成單個的管道、設備、儀表等。轉換完成后,在PDMS內對其進行方向和位置的校對調整,再將模型導出為RVM格式。位號屬性則由參與方填寫總體院統一制定的表格,由專用插件處理后形成config文件,形成位號信息清單并建立工廠對象間的從屬關系。SolidWorks模型數據整合前后效果如圖6所示。

圖6 Solidworks模型數據整合效果Fig.6 Diagram of Solidworks model data integration effect

3.2.4 CADWorx數據整合

CADWorx常用導出格式為DWG,針對該格式的模型數據,通過AIM平臺專用工具GCT(gateway configuration tool)進行處理,將DWG格式三維模型轉換為XGL文件,然后導入平臺。CADWorx中包含的位號信息則需要將塊名稱定義為相應的位號名稱,通過配置GCT中mapping files文件對相應塊內容進行提取,最后由Gateway處理后形成XML屬性文件。CADWorx模型數據整合前后效果如圖7所示。

圖7 CADWorx模型數據整合效果Fig.7 Diagram of CADWorx model data integration effect

3.2.5 3DS MAX數據整合

將3DS MAX繪制模型以ascii編碼的形式導出為STL格式文件,然后導入至AVEVA E3D中,在macro file路徑下面生成相應的MAC格式文件,再將MAC文件拖入E3D或者PDMS的commond窗口進行導入,并執行2項操作:一方面通過移動對模型進行重新定位,賦予其絕對坐標值;另一方面在E3D或PDMS中對各工廠對象定義位號,并定義從屬關系。接下來,將完善好的模型導出為RVM文件,同時通過Gateway處理形成XML屬性文件。3DS MAX模型數據整合前后效果如圖8所示。

圖8 3DS MAX模型數據整合效果Fig.8 Diagram of 3DS MAX model data integration effect

3.2.6 Navisworks數據整合

Navisworks并非建模軟件,但通過該軟件可以重新整合NWD及NWC格式的模型數據。首先,通過插件Codemill IFC Exporter將上述2種格式文件導入Navisworks(schema version選擇IFC2×3),然后再將其以IFC格式導出。由于此時文件中沒有相應位號信息,因此不能如Revit一般進行屬性提取,而是需要將IFC再次導入至E3D中,余下所需步驟與上文STL文件導入E3D后操作相同,最終形成可導入平臺的RVM和XML文件。Navisworks模型數據整合前后效果如圖9所示。

圖9 Naviswork模型數據整合效果Fig.9 Diagram of Naviswork model data integration effect

3.3 整合效果

本研究通過直接或間接導入平臺的形式,將本項目涉及的所有類型模型數據進行了整合,尤其是如圖10 a)所示的各類無法直接導入平臺的數據,通過模型數據的轉換和調配,讓項目中的廠前區、中水回用、污水處理、煙氣脫硫、硝銨裝置、循環水場等區域及裝置的模型完成整合,同時也讓諸多成套設備(磨煤機組、壓縮機組等)的機械模型導入到平臺。據AIM平臺模型匹配數量的報表顯示,全廠設備類的模型匹配量由70%提升至95%以上,全廠模型整合效果如圖10 b)所示。剩余需單獨瀏覽模型為勘察單位地基建模,導入后失去分層展示的功能性。與此同時,模型屬性信息也通過各種形式導入至平臺,有效解決了數據完整性的問題。通過整合,現全廠有效模型數據量已達89 000余條,包含設備、管道、儀表、特殊管件及建(構)筑物等重要工廠對象,單一對象具備唯一位號及參數屬性,這些靜態數據一方面可以方便業主進行運維管理,同時還可以對接AVEVA公司的PI,ERM等系統的動態數據,形成數字工廠的數據底座,實現一系列智能應用[19]。

圖10 各類模型數據整合效果Fig.10 Integration effect of various types of model data

4 模型數據整合優化點

1)通過類比實測摸索最佳途徑

在對本項目整合路徑探討的過程中,并非事先知曉轉換效果是否合乎預期、是否屬于最佳解決方案,因此需通過不斷嘗試摸索,尋求最佳途徑。比如3DS MAX可以導出SolidWorks (.SLDPRT,.SLDASM)、STEP(.STP,.STEP)、StereoLitho (.STL)、Pro/E (.PRT)等軟件兼容的中轉格式,通過實測發現,轉換為STL格式后視覺效果最好、文件大小適中,且不存在數據丟失的問題,因此選用STL格式而不選取應用更多的STEP格式。再如SolidWorks導出的STEP及SAT格式均可被PDMS接收,通過實測,STEP較SAT格式大小相差很小,且導入效果相同,因此通過綜合考量選用更為廣泛的STEP格式作為整合的中間格式,這與文獻[11]中的建議相左,但更適用于本項目的執行。通過上百次的橫、縱向測試,得出最佳途經,將所執行的具體操作匯總編制成本項目數字化交付《模型數據處理操作手冊》,供相關參與方參照執行。

2)使用插件及接口實現格式轉換

在模型數據相互轉換的過程中,信息孤島間需要一座連接的橋梁,而各類插件和接口就能起到這樣的作用。比如STEP文件導入PDMS,通過采用MEI export接口完成,無需使用E3D軟件(E3D支持導入STEP文件)來進行這步操作,讓沒有E3D軟件的供應商亦能實現整合工作;同時,通過MEI export接口導入后,STEP模型是作為整體在PDMS中顯示的,利用自研插件將模型進行拆分并命名,將模型子部件與位號建立一一對應關系,從而使數據完整性和一致性得以實現;再如NWD及NWC格式的模型數據,則采用Codemill IFC Exporter插件導入Navisworks,完成格式轉換后方可導入E3D,實現整合工作。

3)運用數據導入完成屬性賦予

屬性信息和模型文件同等重要[18]。對于AIM平臺來說,除AVEVA公司旗下PDMS,E3D以外,其他大多數建模軟件的屬性信息無法直接提取,因此,需要設計方探索有效途徑解決該問題。通過測試實踐得到:對于Revit和CADWorx,可通過參數賦予的方式,在原建模軟件中指定位置填寫屬性,再將平臺數據處理工具進行針對性配置,讓模型與屬性信息建立的關聯關系能夠被提取;對于SolidWorks,3DS MAX等軟件,由總體院提供屬性填寫模板,供應商按要求填寫后處理為Config文件,將該文件導入平臺后,得到位號及模型間的關聯關系。

4)利用CAD轉三維坐標點快速校對模型位置

快速校對各方所提供模型定位的工作十分重要。在CAD中,將道路輪廓線及裝置區紅線定義為單一圖層,并稍加完善,使道路及裝置區線條封閉,定義其中2個點的坐標實現定位,再通過Netload命令加載二、三維轉換插件生成txt文件,導入PDMS生成對應的Pannel模型,保存的RVM格式模型導入到Navisworks中即可形成可快速校準其他模型的總圖模型。

5 結 語

為了擴大數字化交付項目可接納建模軟件類型,降低投標方準入門檻,降低項目實施費用,本文基于AVEVA AIM平臺,對整合多行業、多類型三維模型數據的技術方法進行研究,主要結論如下。

1)對Revit,SolidWorks,CADWorx,3DS MAX,Pro/E,UG等在內的近10款主流軟件整合效果進行對比分析,得出最佳路徑。并在3DS MAX和SolidWorks的整合實踐中對原有文獻論述進行了驗證并提出優化意見。

2)利用插件及接口實現格式轉換,從而使某些沒有特定軟件的供應商亦能實現整合工作,使模型數據的信息孤島得以打通;同時可使整合工作的部分繁瑣步驟得以簡化,減少大量人工工作。

3)借助數據導入實現屬性賦予,保障了模型文件轉換整合過程中位號及模型間的關聯關系,同時,運用自研插件,提高了轉換后屬性數據的保真效果。

4)項目模型數據完整度由70%提升至95%以上,提高了交付效果,減少了參與方的翻模工作。

本文所提優化方法提高了數字化交付的可行性,可供業內公司參考借鑒。目前,項目還處于建設階段,仍需要提升數字化交付平臺自身的兼容性,并在數據整合過程中發現問題、解決問題,進一步提高整個行業的數字化交付能力水平。