康正華

惠生工程（中國）有限公司 （上海 201210）

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工程設(shè)計(jì)已進(jìn)入利用三維軟件輔助設(shè)計(jì)的階段，由美國鷹圖公司開發(fā)的SP3D（智能工廠三維軟件）是目前智能工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)領(lǐng)域中最新的主流產(chǎn)品。模塊化設(shè)計(jì)早在20世紀(jì)80年代由美國工程師提出并在中東的項(xiàng)目中得到實(shí)際運(yùn)用，發(fā)展至今已經(jīng)有30多年的時間。由于模塊化設(shè)計(jì)具有可以大幅降低施工現(xiàn)場人工消耗量、降低現(xiàn)場不利因素的影響、提高施工質(zhì)量和施工安全性、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)勢，已經(jīng)成為工程設(shè)計(jì)，特別是一些海外工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一個主要趨勢。

1 模塊化設(shè)計(jì)介紹

模塊是構(gòu)成系統(tǒng)的具有特定功能的、可兼容和互換的獨(dú)立單元。模塊既可以構(gòu)成系統(tǒng)，又是系統(tǒng)分解的產(chǎn)物，還可以組成新系統(tǒng)乃至復(fù)雜的大系統(tǒng)[1]。所以，模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于它不是面向單個產(chǎn)品，而是面向整個產(chǎn)品系統(tǒng)（產(chǎn)品族），能夠產(chǎn)生多種不同功能或功能相同、性能不同的系列產(chǎn)品[2]。

模塊化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于模塊的劃分，模塊間的連接，模塊的制造、運(yùn)輸和安裝。模塊大小的劃分取決于模塊的運(yùn)輸和吊裝條件，一般而言，模塊的陸上運(yùn)輸對其劃分影響較大。模塊間的連接需要重點(diǎn)考慮模塊現(xiàn)場安裝的條件和施工誤差等，應(yīng)盡量使相似模塊間的連接方式統(tǒng)一或標(biāo)準(zhǔn)化。模塊的質(zhì)量受到現(xiàn)場吊裝條件的制約。因此，模塊化設(shè)計(jì)受制于現(xiàn)場施工條件、運(yùn)輸條件、起吊條件等各種外部條件，且比常規(guī)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

根據(jù)Bechtel公司的項(xiàng)目文件要求，模塊化設(shè)計(jì)的原則如下：（1）充分考慮施工、檢修和操作要求；（2）模塊間的連接方式宜相同；（3）宜采用相似或相同的支架；（4）宜使用相同的方法控制偏差；（5）宜使用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和詳圖、設(shè)備，以簡化采購和材料控制工作；（6）各區(qū)域相似的模塊宜使用相同的現(xiàn)場安裝流程；（7）模塊設(shè)計(jì)文件列表應(yīng)包括足夠的海運(yùn)、陸運(yùn)及吊裝計(jì)劃的圖紙和數(shù)據(jù)；（8）明確和完善在模塊制造場進(jìn)行試壓和預(yù)試車的系統(tǒng)和部件。

2 SP3D在模塊化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 SP3D軟件發(fā)展概況

三維數(shù)字工廠設(shè)計(jì)軟件SP3D是面向數(shù)據(jù)、規(guī)則驅(qū)動的軟件，其集成整合的性能優(yōu)越，設(shè)計(jì)思想先進(jìn)。它使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)由以“圖紙繪制”為核心轉(zhuǎn)化為以“數(shù)據(jù)建?！睘楹诵?，通過將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則、程序和定型設(shè)計(jì)定制在集成設(shè)計(jì)軟件和系統(tǒng)中，強(qiáng)制約束設(shè)計(jì)行為，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，通過集成的平臺實(shí)現(xiàn)EPC項(xiàng)目（對一個工程負(fù)責(zé)進(jìn)行設(shè)計(jì)、采購、施工）不同階段、不同組織、不同專業(yè)之間信息的共享，并且可以實(shí)現(xiàn)工程全生命周期的數(shù)據(jù)移交，從而保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者看到的是三維的立體空間模型（如圖1所示），并可以實(shí)時地看到設(shè)計(jì)成果，了解各部分之間的空間關(guān)系，不必過多地考慮在平立面上的投影及畫線、畫弧等圖面表達(dá)方式，從而有更多的精力去思考工藝流程的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從計(jì)算機(jī)輔助繪圖到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的飛躍[3]。

2.2 Rule Checker在模塊化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖1 SP3D界面

SP3D提供一項(xiàng)名為Rule Checker的服務(wù)，該服務(wù)是基于.Net的Windows系統(tǒng)服務(wù)。通過它可檢測模型中新修改或者創(chuàng)建的某些對象，并對這些對象運(yùn)行指定的規(guī)則。.Net規(guī)則用戶可以對每一個模型數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建一個服務(wù)的實(shí)例，從而對不同的項(xiàng)目運(yùn)行指定的規(guī)則，可以說該服務(wù)是為模塊化設(shè)計(jì)量身定做的。通過Rule Checker服務(wù)，SP3D的客戶端用戶可以在3D模型中按照項(xiàng)目模塊劃分的大小創(chuàng)建一個相同大小的Volume，并將其定義為Module Volume，如圖2所示。

圖2 Volume類型選擇

與普通Volume不同，Module Volume提供了3個新的參數(shù)：Design Area、Sub Area、Module No。在完成Module Volume后，在該Module Volume范圍內(nèi)的所有元素（包括管道部件、設(shè)備、結(jié)構(gòu)部件、儀表電氣部件等）都將通過后臺服務(wù)寫入這些Module信息（見圖3），同時新建的元素也將帶有這些Module信息。而在服務(wù)器端，Rule Checker服務(wù)會每隔一段時間自動檢測該Module Volume的變化（包括Volume本身及Volume范圍內(nèi)元素的變化）并及時更新，以保證SP3D模型中數(shù)據(jù)的實(shí)時更新。傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)中，Module信息多為工程師手動輸入，使用Rule Checker服務(wù)既節(jié)約了大量人工輸入時間也避免了人工輸入產(chǎn)生的誤差，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖3 Volume參數(shù)填寫

基于Rule Checker服務(wù)，設(shè)計(jì)者可根據(jù)Module Volume的參數(shù)進(jìn)行出圖及材料統(tǒng)計(jì)。在完成三維模型后，通過選擇指定的Module Volume和模塊化設(shè)計(jì)的定制出圖和材料統(tǒng)計(jì)模板，可自動生成所需要的平面圖、立面圖、剖面圖和三維立體效果圖。在材料統(tǒng)計(jì)方面，SP3D軟件不僅能按傳統(tǒng)的區(qū)域統(tǒng)計(jì)材料，更可按照Module Volume提供的Design Area、Sub Area、Module No三個參數(shù)來進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，使其更加靈活多變，也可以使每個模塊的材料需求一目了然，方便采購專業(yè)合理地制定材料采購計(jì)劃。

在EPC總承包項(xiàng)目中，巧妙地運(yùn)用Module Volume參數(shù)，可以簡單有效地將每個模塊的圖紙信息、建造材料分配給相應(yīng)的分包商，這樣不僅可以大量減少人工操作，而且可以將圖紙與材料一一對應(yīng)，提高項(xiàng)目文檔控制和材料控制的效率和準(zhǔn)確性。

此外，結(jié)合SP3D提供的模型碰撞檢查功能，工程師可以通過碰撞檢查快速地發(fā)現(xiàn)是否有部件超過模塊切分范圍，確保模塊整體尺寸符合項(xiàng)目對模塊大小的規(guī)劃，有效地解決了模塊化設(shè)計(jì)中模塊尺寸的控制問題。

2.3 Automation服務(wù)在模塊化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于模塊化設(shè)計(jì)不僅受到運(yùn)輸條件約束，也受到吊裝條件的影響。為保證吊裝的順利進(jìn)行，在模塊設(shè)計(jì)時控制好模塊總質(zhì)量及其重心位置，可以保證施工現(xiàn)場的吊裝作業(yè)順利進(jìn)行。

SP3D中的Automation服務(wù)能夠使設(shè)計(jì)者快速且準(zhǔn)確地計(jì)算出現(xiàn)有模塊的質(zhì)量及其重心所在。設(shè)計(jì)者可以通過Module Volume全選整個模塊，也可以通過SP3D的過濾器功能選擇單個或者多個設(shè)備、管部件、結(jié)構(gòu)部件等元素，點(diǎn)擊命令后便可得到需要的質(zhì)量和重心位置，具體操作如圖4所示。當(dāng)然，該功能的實(shí)現(xiàn)離不開SP3D強(qiáng)大的后臺數(shù)據(jù)庫。在使用Automation服務(wù)來計(jì)算模塊或者部件的質(zhì)量及重心位置之前，需要建立一個完善的數(shù)據(jù)庫，其中的標(biāo)準(zhǔn)管部件、設(shè)備、結(jié)構(gòu)部件等都需要帶有自身質(zhì)量和重心位置。對于非標(biāo)準(zhǔn)的管部件、設(shè)備、結(jié)構(gòu)等，設(shè)計(jì)人員需要按照要求及供應(yīng)商圖紙，給出正確的質(zhì)量和重心位置。否則，Automation服務(wù)將由于缺少數(shù)據(jù)而無法完成計(jì)算。

圖4 模塊質(zhì)量計(jì)算結(jié)果展示

Automation服務(wù)的運(yùn)用，有效地解決了模塊化設(shè)計(jì)中模塊質(zhì)量和重心位置的控制問題，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

2.4 SPP&I D（智能工廠管道儀表流程圖）在模塊化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

SPP&I D同樣是由美國鷹圖公司開發(fā)的，用于實(shí)現(xiàn)工藝流程圖數(shù)字化的智能軟件。與用AutoCAD等所繪的二維流程圖不同，SPP&ID中的管線、設(shè)備等都帶有自己的參數(shù)，工藝工程師在SPP&I D中輸入相關(guān)數(shù)據(jù)（如設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、管道等級等）后，軟件會將這些數(shù)據(jù)定為數(shù)據(jù)源。SPP&I D通過后臺服務(wù)器的Smart Plant Foundation連接到SP3D，當(dāng)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行這些管線、設(shè)備的建模時，相應(yīng)的數(shù)據(jù)會自動傳遞到SP3D中，避免了三維建模人員手動輸入可能產(chǎn)生的誤差，工作原理如圖5所示。

圖5 Smart Plant Foundation原理介紹

對于已經(jīng)完成的三維模型，SPP&I D與SP3D還能進(jìn)行聯(lián)動互校驗(yàn)，可以通過對比SPP&I D和SP3D模型，檢查兩種模型中的工藝數(shù)據(jù)是否一致，還可以檢查管道系統(tǒng)是否符合工藝要求，管部件類型是否一致，若不一致將按照SPP&I D的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，以保證工藝數(shù)據(jù)的唯一性。如此，不僅降低了人為誤差，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，還可以大大降低模型校審人員的工作量，提高工作效率。

3 結(jié)束語

SP3D作為新一代的三維設(shè)計(jì)軟件，不僅操作更簡單、界面更友好，而且其提供的一些新的服務(wù)可以很好地運(yùn)用到模塊化設(shè)計(jì)項(xiàng)目中去，幫助設(shè)計(jì)人員控制模塊的尺寸大小和重心，大幅提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時降低設(shè)計(jì)人員和校審人員的人工耗時，進(jìn)而大幅提升設(shè)計(jì)效率、降低項(xiàng)目成本。

[1]張林青,王欣雨.基于PDMS的煉油化工裝置管道系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)探討 [J].煉油技術(shù)與工程,2010,40(4):49-52.

[2]張帆,李和慶,王永,等.長輸管道站場建筑模塊化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].油氣儲運(yùn),2012,31(10):743-745.

[3]張鶴.三維設(shè)計(jì)軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].燃料與化工,2011,42(2):28-29.

[4]李其銳.淺談SP3D軟件在撬裝化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國勘察設(shè)計(jì),2013(1):75-79.