管道預制設計在工程項目建設期的應用

鄭亞強，姜浩，馬慶，王新星，董強，蘇宇寧

(昆侖數智科技有限責任公司，北京 100000)

0 引言

管道的預制設計是項目前期技術準備中重要的工作內容，尤其大型項目軸測圖動輒幾千張到幾萬張不等，需要耗費大量的人力和時間對圖紙進行二次設計，且出圖效率低，出圖的質量也一般，無法達到交工標準，后續還得再次進行修改。此外，不能將現場實際的變動升版及時體現到二次設計圖中，從項目前期技術準備到后期交二次設計圖紙全過程中都需要施工單位內部的技術支持，影響項目前期建設進度和施工質量。本文提到的管道預制設計軟件采用線上實時的二次設計辦法，通過三維渲染引擎的支持，對設計院提供的IDF文件進行解析，還原出管道的三維模型，在三維模型中直接添加焊縫并進行自動編號，并且通過解析IDF文件，系統自動統計出每條管線的所有材料清單，并能導出excel表格文件，方便現場管理人員快速進行材料統計，極大節省了現場技術人員耗費的時間和精力。

1 管道施工前期準備階段軸測圖的二次設計的現狀

在施工過程中，現場完全依靠技術人員手工在設計圖紙上進行圖紙的二次設計，包括焊縫編號的標注、材料描述和數量統計、管線焊口整體寸徑量的統計等，目前管道的二次設計的準確性和效率完全依靠技術人員的技術水平。在一些圖紙中有不同的規格寸徑，造成人為計算統計比較繁瑣容易出現錯誤，如材料統計出現錯誤會影響到材料采購的準確性，從而影響項目的整體進度和成本管理。并且施工過程中設計會出現升級版圖紙，現階段需要技術人員手工對每張圖紙進行對比找到有變化的圖紙，且對新圖紙進行重新二次設計，造成現場耗費大量人力，非常容易出現現場圖紙替換不及時造成返工的情況發生。隨著技術的進步，加上輔助軟件的支持，施工單位在拿到設計院提供的pdf版圖紙后，技術人員使用pdf編輯軟件在電腦版上標注焊縫編號，或者將pdf格式的文件轉換成dwg格式文件，用軟件進行焊口編號的標記。但是焊口寸徑總量還是需要技術人員逐個摘錄到excel文件中進行統計匯總，摘錄過程需要很大的工作量。材料統計工作也是需要大量的粘貼復制操作，因有計算機的幫助，計算工程量和材料統計方面準確性得到了提升，但還是會耗費大量的人力和時間成本，造成前期技術準備壓力大，材料統計也有誤差，對后續的施工進度造成影響。

2 管道預制設計軟件技術調研與驗證

管道預制設計是管道施工的基礎，因此必須做到管道預制設計的準確性，才能保障管道后續的施工能夠有序進行。經過對多家施工單位的調研，了解到管道預制設計需求主要包括：焊縫位置標注、焊縫自動編號、手動插入焊口、預制管線/口和安裝管線/口劃分、圖紙版本比對、焊縫寸徑量統計以及每根管線的材料統計等。其中，重難點集中在焊縫位置標注與焊縫編號、升版圖紙與老版圖紙的對比等，因此本文主要對上述重難點作為研究對象。

管道預制設計軟件開發的首要條件，需要對設計模型及圖紙進行了解與研究。經過對多家設計單位的模型源文件進行調研，并進行了多次技術研究與驗證，最終確定通過解析設計軟件(PDMS/SP3D)在抽出管道軸測圖時生成的中間文件(IDF/PCF)。利用“數字孿生”及三維渲染技術，可完整還原出管道三維設計模型、工藝參數及材料信息，在三維模型上進行高效、半自動化的焊縫設計、編號及圖紙生成，降低施工單位操作難度和工作量，依托三維模型提高焊縫、工程量及材料等統計數據的準確性和可信度，提高工作效率，減少技術人員投入。經過研究管道預制設計需要獲取設計信息如表1所示。

表1 預制設計獲取信息

3 預制設計軟件的渲染技術

3.1 復雜三維場景實時渲染技術

對預制設計軟件，其面臨的核心挑戰之一是復雜場景、龐大模型數量與大數據量業務數據的渲染、顯示。在石油化工中較為復雜的生產場所，一個畫面所需要顯示的場景物件三角形數量經常達到幾百萬。為保障軟件流暢的三維運行效率與顯示效率，采用綜合影像金字塔模型、模型加載網格優化、可見性裁剪、自適應渲染等技術，并采用動態加載、分層次細節(LOD)等優化機制，構建三維可視化場景。

3.2 三維模型的輕量化技術

在體量大、精度高的三維模型的處理上，對電腦的要求很高，這就要求在同質量情況下模型的輕量化，渲染速度快。

動態模型加載：不是所有模型都在內存里，而是根據當前觀察場景的需要動態加載模型，可以降低內存的壓力。

多級精度模型：如果模型在較遠處顯示很精細的模型是沒有必要且浪費的。所以依據視點位置決定需要顯示的是什么等級精度的模型。

二叉樹場景組織：可以快速找到交互對象及需要顯示的模型。

3.3 云渲染技術

三維軟件往往需要較高的硬件(GPU、內存、CPU)配置，而企業的電腦配置普遍達不到該要求，若全面推廣，需對企業電腦進行大批量的更新換代，導致成本提高。

云渲染是在云計算的基礎上加上圖形渲染，把對硬件要求最高的三維渲染部分抽離到服務器，即將三維軟件中需要進行三維渲染的部分移到遠程圖形工作站進行渲染，指令從用戶終端中發出，服務端圖形工作站根據指令執行對應的渲染任務。渲染完成之后，再將渲染結果畫面傳送回用戶終端顯示，這樣就不需要對工廠企業現有電腦的配置進行升級。

由于行業資產密集，管道元器件數量龐大，對渲染引擎的性能要求極高。密集模型的渲染極其消耗算力，在硬件設備性能不足時，往往會出現加載緩慢、操作卡頓等問題，難以實際應用。目前市面上的三維引擎或是基于國外商業引擎進行二次開發，技術上難以實現自主可控；或是受限于自研引擎的周期過長，投入不足，性能上不盡人意，難以支撐流程行業大規模場景的渲染需求。投入數百名研發工程師，花費上千萬資金，自主研發出一款為流程行業量身打造的超高性能三維渲染引擎，引擎具備以下優勢。

為解決硬件依賴問題，將三維渲染、復雜計算等工作置于后端高性能服務器上進行。因此渲染需求雖高，但對客戶端設備卻無任何要求，配置再低的電腦都可以做到網頁端極速瀏覽。而相對于市面上主流的前端渲染技術路線，后端渲染的方案無需大范圍升級用戶電腦，極大節省升級成本，也為用戶實際操作提供了相當大的便捷。

為更好適配流程工廠的建模需求，基于長期研發經驗，開發出一整套流程行業專用的三維圖形庫。圖庫中包含了設計文件中需求的所有三維體元，擁有完整的三維表達能力，能夠真實反映出工廠中每一個零部件實體的幾何尺寸和物理性狀，覆蓋全專業的三維渲染需求。

4 管道預制設計的基本方法

管道預制設計通過解析設計IDF或PCF文件，后通過對模型文件添加焊口等操作對模型進行二次加工后，生成滿足施工需要的圖紙，流程如圖1所示。

圖1 預制設計流程

管道預制設計通過解析IDF/PCF等格式設計文件，獲取預制設計所需三維設計模型，以及管線的設計信息，作為相應的數據庫文檔，并作為預制設計的基礎。IDF接口工作流程如圖2所示。

圖2 IDF接口工作流程

焊縫點插入：通過解析的IDF文件，設計已經對管件與管線端口位置、管件與管件端口位置插入了焊縫點。通過分析設計模型上長距離管線設計并未做分段處理，需要輸入單根管線的長度對長管段進行分段并在兩根管線的端口插入焊縫點。

焊縫編號插入：焊縫的編號規則確認，根據現場調研和規范要求，焊縫大致分為對接焊縫其焊縫編號按阿拉伯數字流水編號、管道支管連接接頭其焊縫編號用“D”標記加阿拉伯數字流水號后綴表示、管道角接接頭其焊縫編號用“C”標記加阿拉伯數字流水號后綴表示。設置好編號規則系統通過識別設計信息中的介質流向，按流向方向統一進行編號。

在三維模型中直接添加焊口編號，在視覺效果上更加直觀，技術人員還可以依靠三維模型進行更深層次的焊口二次設計，劃分更詳細的預制管段。預制設計軟件還能快速自動統計工程寸徑量，且可以按照不同的管線材質類型詳細統計工程量，節省了技術員統計的時間并提高了數據準確性。通過解析IDF文件，系統自動統計出每條管線的所有材料清單，并能導出excel表格文件，方便現場管理人員快速進行材料統計，極大節省了現場技術人員耗費的時間和精力。

5 管道預制設計軟件的功能特點和優勢

基于設計院提供的管道軸測圖的IDF/PCF模型源文件，管道預制設軟件專業的二次深化設計，更好地在工程建設期間為重難點管道安裝工程提供優質高效服務，大幅減少了管道安裝工程在前期的扒圖扒料技術準備的時間和專業技術人員數量和精力，為現場施工單位減負增效，為加快工程項目建設提供技術支持。

5.1 支持解析不同設計院的IDF/PCF源文件

在系統中按不同設計單位的IDF/PCF源文件格式要求，編輯配置數據解析包，全廠不同設計單位設計的其他裝置單元的IDF/PCF源文件的解析所有施工單位都可以直接使用，PCF文件配置如圖3所示。

圖3 PCF文件配置

5.2 二次深化設計簡易快捷

在管道預制設計功能中先對較長管段根據材料實際采購長度進行一鍵批量分段，系統自動在較長管段中按照分段的長度插入焊縫，然后一鍵點擊對應的焊縫編號功能，系統會快速地在管線模型中插入焊縫，并根據行業規范同時生成帶有不同焊口類型前綴的二次設計的焊口編號。根據施工單位不同程度的預制加工深度，在系統中點選預制或安裝焊口/管線功能，系統自動在焊口編號后面添加固定口標識。二次設計功能如圖4所示。

圖4 二次設計功能

5.3 自動識別、追溯變更

當遇到設計升版變更時，在上傳IDF/PCF升級版本功能上傳設計升版變更源文件，系統會進行設計文件的數據核查和比對，將空間位置未發生變化的焊縫覆蓋到升版IDF/PCF文件中，并對舊版本文件進行全新的繼承與替換。空間位置發生變化的管段系統支持延續上一版最后一個編號順延補全其他的焊口編號。

5.4 多方面利用源文件解析后數據

通過解析設計單位的源文件數據，提取出管線的材料統計表，配合預制設計生成管段材料表，針對焊縫生成焊縫兩側元件明細清單，并生成管線和焊口數據基本信息，為現場管道施工工程焊接、熱處理、焊口無損檢測、生成資料等其他工序提供數據支持。

6 實踐應用

本文從天津石化某乙烯項目的建設中，對設計單位和施工單位進行調研，并收集設計原模型文件，從設計模型中選取比較典型的IDF文件進行了上傳，并進行了管道預制設計。

首先對焊口編號規則進行設置，根據不同行業對焊縫編號規則的要求，可以在系統中進行自定義的配置，滿足不同行業規范要求。焊口規則設置如圖5所示。并且根據最長管段提示，決定是否需要劃分管段。

圖5 焊口規則設置

其次對導入的IDF文件進行焊口設計，點擊重新編號功能，系統自動插入焊縫圖標和生成焊縫編號，輔助施工單位進行不同深度的二次設計。并且施工單位可以根據實際需求手動更改焊口編號。根據源文件大小，每條管線生成焊縫編號的時間在3～15 s時間不等，而且對管線中管段較長和比較復雜的管線，生成的焊縫數量和類型準確，還可以批量對管線進行焊縫編輯，提高了工作效率和準確率，減少專業技術人員的投入，減少后續施工過程中增減焊口的影響，提高裝置工程統計算量的精確度。自動標注焊口如圖6所示。

圖6 管線自動標注焊口號

管線二次設計完成后，對快速、批量出圖進行了測試，每條管線生成圖紙的時間不超過30 s，而且還可以根據項目要求自行設置出圖的分圖點，滿足項目個性化使用需求。經過計算解析，增加了材料下料尺寸這項重要信息，更加方便現場操作班組的實際操作。自動生成施工圖如圖7所示。

圖7 施工圖管理

通過對收集到的變更圖紙進行導入測試，將變更后的源文件上傳到管道預制設計系統中，利用版本比對功能，能快速查找發現有變更的位置，并且繼承變更前的焊口編號。對變更前后的材料進行了對比，并標出變更前后減少、增加的材料，不需要專業技術人員逐張圖紙的比對，減輕人員負擔，提高工作效率。變更圖紙對比如圖8所示。

圖8 變更圖紙對比

通過項目的應用，管線施工中的信息已全部獲取，并可以指導施工，經過測試出圖速度可達1 min 1張。通過現場簡單培訓一名技術人員一天可以完成500張的圖紙預制設計工作。比傳統的方式效率大大提高。

7 結語

管線詳圖二次深化設計是現場管道安裝工程的基礎。相較傳統用手工在PDF版設計圖紙上標記焊口，或用CAD軟件逐個配件逐張繪制單線圖的深化二次設計，工作量過大，而且需要投入相當多的人力，加之現場施工單位要二次設計單線圖比較緊急，以前的管理辦法已經無法滿足現在的施工進度要求。因此，采用管道預制設計系統輔助施工單位完成管線的二次深化設計，能極大提高施工單位的工作效率，減輕專業技術人員的壓力負擔，為在項目上的管理人員節省技術上投入的時間，能有更多的時間投入到項目的管理協調上，為項目工程建設提供良好的技術支持，加快推動項目的建設。