濮宇凌

(杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

CADWorx在小型化工EPC項(xiàng)目中的應(yīng)用

濮宇凌

(杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

概述了應(yīng)用三維工廠設(shè)計(jì)軟件的必要性和不同軟件的比較。著重介紹CADWorx在某硫化氫提濃EPC項(xiàng)目中的應(yīng)用，包括設(shè)備建模、碰撞檢查、材料管理、模擬培訓(xùn)等工作，體現(xiàn)了該軟件對(duì)EPC總承包項(xiàng)目的重要作用。同時(shí)，筆者提出一些深入應(yīng)用的前景，供類似項(xiàng)目參考。

CADWorx 三維工廠設(shè)計(jì) EPC項(xiàng)目

近年來，在建設(shè)主管部門的大力推廣下，EPC(設(shè)計(jì)采購(gòu)施工)工程總承包發(fā)展十分迅速，已成為工程承包的主要實(shí)施模式。采用EPC承發(fā)包方式和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工分開承發(fā)包相比具有許多優(yōu)勢(shì)：比如更有利于建設(shè)責(zé)任的追索；更有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、試運(yùn)行等各階段工作的深度融合，提高工程建設(shè)效率，優(yōu)化工程建設(shè)周期等等。在EPC工程總承包模式下，設(shè)計(jì)在整個(gè)工程建設(shè)過程中占主導(dǎo)地位，在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮采購(gòu)和施工，提高設(shè)計(jì)的可建造性。這也促使各專業(yè)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中逐漸引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件。對(duì)化工項(xiàng)目而言，在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)采用三維工廠設(shè)計(jì)軟件是有效提高設(shè)計(jì)和工程質(zhì)量、有效控制項(xiàng)目成本、適應(yīng)EPC工程總承包模式的必由之路。

1 三維工廠設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用的必要性

隨著工程復(fù)雜程度提高，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的普及，新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)深度融合，引發(fā)影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革，形成新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)。對(duì)工程建設(shè)領(lǐng)域來說，三維技術(shù)的應(yīng)用、數(shù)字化交付的推進(jìn)，使得勘察設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，EPC工程總承包企業(yè)可以借力信息化建設(shè)，促進(jìn)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工等各階段工作的深度融合，實(shí)現(xiàn)技術(shù)、人力、資金和管理資源的高效配置，提高工程建設(shè)效率和水平。這就要求設(shè)計(jì)文件不能停留在以往的用2D方式呈現(xiàn)設(shè)計(jì)文件，而是要具備可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性等特點(diǎn)。而三維工廠設(shè)計(jì)軟件可以把擬建設(shè)工廠的所有元素以三維立體的形式呈現(xiàn)出來，形成一個(gè)完整直觀的虛擬工廠，提高設(shè)計(jì)過程的人機(jī)界面友好程度和設(shè)計(jì)成果的可視化效果，提升設(shè)計(jì)工作的數(shù)字化程度，大大提高EPC項(xiàng)目的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性。但是，當(dāng)前國(guó)內(nèi)比較普遍的情況是：三維軟件在大型化工項(xiàng)目中的應(yīng)用已非常普遍，建設(shè)單位甚至?xí)诤贤忻鞔_要求采用某個(gè)三維軟件；但當(dāng)項(xiàng)目的規(guī)模較小時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常仍按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與習(xí)慣，采用非智能CAD工具完成。事實(shí)上對(duì)于EPC項(xiàng)目而言，工程質(zhì)量、成本、進(jìn)度的控制并不會(huì)受限于項(xiàng)目規(guī)模的大小[1]。碰撞檢查、精確的材料清單、自動(dòng)單線圖、雙向鏈接分析等應(yīng)適用于所有項(xiàng)目。

2 不同三維工廠設(shè)計(jì)軟件的選擇和CADWorx的優(yōu)勢(shì)

因?yàn)閲?guó)內(nèi)工程建設(shè)行業(yè)的高速發(fā)展，目前在國(guó)內(nèi)有應(yīng)用的三維工廠設(shè)計(jì)軟件多達(dá)十余種，絕大部分為國(guó)外公司研發(fā)。其中應(yīng)用比較廣泛的有：美國(guó)Intergraph公司的PDS、Smartplant3D、CADWorx；美國(guó)Autodesk公司的AutoCADPlant3D；英國(guó)AVEVA公司的PDMS[2]；美國(guó)Bentley公司的Bentley PlantWise、AutoPLANT等。此外還有國(guó)內(nèi)公司開發(fā)的SPDA,PDSOFT等。每款軟件各有優(yōu)劣，需要根據(jù)公司情況和項(xiàng)目特點(diǎn)具體選擇。

AutoPLANT和PDS屬于老一代的三維設(shè)計(jì)軟件，紅極一時(shí)，但目前均已停止更新。PDMS和SmartPlant 3D則是目前的兩個(gè)領(lǐng)軍軟件。其中PDMS在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率很高，適合大中型項(xiàng)目。CADWorx是美國(guó) Intergraph公司開發(fā)的基于AutoCAD平臺(tái)的產(chǎn)品，采用參數(shù)化繪圖，模型由2部分組成：1部分是dwg格式的模型文件，1部分是項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)文件和模型文件關(guān)聯(lián)，可以做到自動(dòng)更新。軟件帶有國(guó)標(biāo)Catalog，容易上手，兼具靈活性和便捷性，性價(jià)比較高，目前在國(guó)內(nèi)中小項(xiàng)目上的應(yīng)用很廣。

考慮到CADWorx三維工廠設(shè)計(jì)軟件發(fā)展較早，技術(shù)成熟，在國(guó)內(nèi)占有較大的市場(chǎng)份額，成功應(yīng)用的案例很多。它在國(guó)內(nèi)的代理公司——北京市艾思弗計(jì)算機(jī)技術(shù)有限責(zé)任公司，是一家專門從事軟件代理及技術(shù)服務(wù)的專業(yè)公司，成立多年，它的培訓(xùn)和支持服務(wù)在業(yè)內(nèi)有良好的口碑。再結(jié)合產(chǎn)品的采購(gòu)、運(yùn)行、培訓(xùn)等費(fèi)用，從項(xiàng)目的投資回報(bào)率來看，CADWorx無(wú)疑是中小型項(xiàng)目開展三維工廠設(shè)計(jì)的首選。該軟件三維模型設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)上可動(dòng)態(tài)、直觀地展示出工廠或單元裝置建成后的實(shí)際情景；還可自檢并發(fā)現(xiàn)模型設(shè)計(jì)中的錯(cuò)、漏、碰、缺，以保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，有利于業(yè)主更客觀、準(zhǔn)確地作出決策，有利于施工控制及生產(chǎn)維護(hù)；此外還實(shí)現(xiàn)了3D管道模型與管道應(yīng)力分析之間的雙向可接。比如在某硫化氫提濃項(xiàng)目中的應(yīng)用，就很好的體現(xiàn)了CADWorx的信息化、數(shù)字化優(yōu)勢(shì)。

3 CADWorx在某小型EPC項(xiàng)目中的應(yīng)用

某硫化氫提濃建設(shè)項(xiàng)目，以上游裝置產(chǎn)生的含硫化氫酸氣作為原料氣，以低溫精餾分離法作為主要工藝，設(shè)計(jì)處理能力為～3000Nm3/h，并配套建設(shè)氨蒸發(fā)制冷系統(tǒng)。該工藝的主要缺點(diǎn)是設(shè)備較多，為了節(jié)約用地，使整體布局緊湊，占地面積小，采用低溫冷箱形式將相關(guān)的換熱器、氣液分離器、精餾塔等設(shè)備組合到一起。該項(xiàng)目采用EPC總承包模式，考慮到項(xiàng)目建設(shè)周期、設(shè)計(jì)深度等因素，決定選用CADWorx三維工廠設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 利用Equipment和Box模塊搭建冷箱模型

本項(xiàng)目所用冷箱上不同規(guī)格工藝管口多達(dá)50余個(gè)，儀表管口多達(dá)20余個(gè)，且主要集中在某些區(qū)域。比如在EL+3700平臺(tái)上，就集中布置了12個(gè)各種規(guī)格管口，部分管口中心距不足400 mm。這就導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)施工單位自主調(diào)節(jié)的裕量很小，要求設(shè)計(jì)文件盡可能準(zhǔn)確。利用CADWorx的Equipment模塊，可以準(zhǔn)確定義管口的各項(xiàng)參數(shù)，精確定位管口位置，真實(shí)反映管口形式和尺寸。

但Equipment模塊不足之處在于采用的是參數(shù)化模型拼接與調(diào)整尺寸模式，對(duì)難以簡(jiǎn)單參數(shù)化的設(shè)備支持不好，用該模塊對(duì)冷箱建模較為繁瑣。事實(shí)上對(duì)于冷箱而言，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，真正用到的往往是設(shè)備的極限尺寸和管口信息，對(duì)于設(shè)備局部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)尺寸關(guān)注不多，在建模時(shí)可以做適當(dāng)簡(jiǎn)化。因此，考慮到該冷箱整體上近似為長(zhǎng)方體，故模型以細(xì)長(zhǎng)型長(zhǎng)方體+多層操作平臺(tái)呈現(xiàn)。利用CADWorx的Equipment模塊結(jié)合AutoCAD的Box模塊，可以快速準(zhǔn)確的建立冷箱三維模型，為后續(xù)高質(zhì)量配管工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 利用ClashView模塊檢查碰撞

本項(xiàng)目采用的冷箱較小，水平方向長(zhǎng)和寬均不足4m，高39m，冷箱上不同規(guī)格工藝管口眾多，并且主要集中在冷箱正面，而冷箱操作平臺(tái)僅有1.2m寬。這就導(dǎo)致操作平臺(tái)上的管線數(shù)量眾多，互相穿插，布置錯(cuò)綜復(fù)雜，設(shè)計(jì)中極易出現(xiàn)碰撞。如果采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方式，依靠設(shè)計(jì)、校核人員目視和空間想象檢查碰撞，無(wú)疑是低效的，而且會(huì)有遺漏。三維設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢(shì)在于可以讓工程師在計(jì)算機(jī)里完成模擬施工，提早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，使項(xiàng)目施工過程中出現(xiàn)的碰撞問題能在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)并得到解決。CADWorx提供了強(qiáng)大的碰撞檢測(cè)模塊——Clash View，能夠快速準(zhǔn)確檢測(cè)出內(nèi)部實(shí)體模型的干涉碰撞及不連續(xù)等，保證模型的準(zhǔn)確性。通過設(shè)置碰撞檢測(cè)規(guī)則，可以實(shí)現(xiàn)管道與管道、管道與設(shè)備、管道與建筑結(jié)構(gòu)等專業(yè)之間的碰撞檢測(cè)。

圖1 冷箱三維模型Fig 1 Cold Box 3D Model

除了三維模型中各實(shí)體的碰撞外，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，很多碰撞往往出現(xiàn)在管道和設(shè)備絕熱施工時(shí)，即管道本身沒有與其它實(shí)體發(fā)生碰撞，但管道的絕熱層與其它實(shí)體發(fā)生碰撞?，F(xiàn)場(chǎng)施工碰到此類問題時(shí)，會(huì)非常頭疼，因?yàn)樵谶M(jìn)行絕熱施工時(shí)，管道的安裝、試壓、吹掃均已完成，施工已經(jīng)接近尾聲，調(diào)整管線的成本高昂。而二維設(shè)計(jì)又很難發(fā)現(xiàn)此類問題。CADWorx自帶Insulation View模塊，可以配置管線的各項(xiàng)絕熱信息，Clash View模塊中可以設(shè)置相應(yīng)規(guī)則，決定絕熱信息是否參與管道碰撞檢查。通過碰撞檢查，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的碰撞問題，避免這些問題在施工過程中出現(xiàn)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了項(xiàng)目成本，提高項(xiàng)目管理效率。

圖2 碰撞檢查結(jié)果Fig 2 Results of Clash Check

3.3 利用BOM模塊優(yōu)化EPC項(xiàng)目材料管理

EPC總承包項(xiàng)目往往工期要求短，設(shè)計(jì)與采購(gòu)必須交叉進(jìn)行。比如本項(xiàng)目在實(shí)施過程中，為加快進(jìn)度，當(dāng)詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行到70～80%時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員提供主要材料匯總表供施工和采購(gòu)招標(biāo)。大多三維工廠設(shè)計(jì)軟件均可以高效的統(tǒng)計(jì)材料并輸出為dwg、xlsx等格式。之后詳細(xì)設(shè)計(jì)完成，出版施工圖材料表，相比招標(biāo)材料表必然存在一些變動(dòng)，此時(shí)如能提供這兩個(gè)版次材料的增減變化一覽表，將會(huì)有效提高采購(gòu)效率，減少采購(gòu)差錯(cuò)。如果采用手工對(duì)比，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易出錯(cuò)。此時(shí)可以利用CADWorx的Custom Data給元件添加需要的字段(相比ISOGEN Data，Custom Data可以添加到模型和數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可以體現(xiàn)到單線圖和材料表里)，然后在BOM模塊中設(shè)置所需的BOM Columns，把字段添加到材料表中，再利用excel的index、lookup等函數(shù)，就能快速得到對(duì)比結(jié)果。

此外，根據(jù)需要還可以在該表的基礎(chǔ)上增加合同采購(gòu)量、一批到貨量、二批到貨量、實(shí)際施工缺料量等欄目，或者結(jié)合采購(gòu)管理系統(tǒng)，利用前述的Custom Data為每個(gè)材料設(shè)置采購(gòu)編碼[3]，做到隨時(shí)掌握各種材料的到貨情況，提高施工和采購(gòu)效率，避免材料浪費(fèi)。

表1 材料增減變化一覽表Table 1 Materials Change Table

3.4 利用三維動(dòng)態(tài)漫游進(jìn)行模擬培訓(xùn)

本項(xiàng)目為新建項(xiàng)目，建設(shè)單位此前沒有此類裝置的操作經(jīng)驗(yàn)，加之本項(xiàng)目采用EPC工程總承包模式，建設(shè)單位在建設(shè)過程中的參與度較低，由此導(dǎo)致了建設(shè)單位的操作、管理人員對(duì)整個(gè)裝置的熟悉程度偏低，為今后的培訓(xùn)、開車、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)工作帶來諸多困難。而隨著項(xiàng)目的三維化，在裝置實(shí)際建成前，就可以利用三維動(dòng)態(tài)瀏覽等功能，對(duì)操作、管理人員進(jìn)行互動(dòng)式模擬培訓(xùn)，使他們快速掌握裝置內(nèi)設(shè)備、管道、儀器、儀表等的布局、構(gòu)成、功能及操作、維護(hù)的通道及步驟。不必再等到裝置基本建成后才開展，大大縮短了人員培訓(xùn)周期；直觀的模型也能快速提高認(rèn)知度，減少培訓(xùn)時(shí)間。

4 結(jié)論與展望

三維工廠設(shè)計(jì)軟件不但極大的提高了設(shè)計(jì)文件的準(zhǔn)確性和深度，還能為設(shè)計(jì)師完成一部分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的定制工作，讓設(shè)計(jì)人員從繁瑣的重復(fù)工作(比如傳統(tǒng)的二維平面立面管道布置設(shè)計(jì)、人工統(tǒng)計(jì)管道材料、人工匯總綜合材料等)中解脫出來，把注意力的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到項(xiàng)目本身的技術(shù)性問題和需要與其他專業(yè)協(xié)調(diào)的方面上去，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。最終的帶來是整個(gè)EPC項(xiàng)目的質(zhì)量提升、進(jìn)度縮短和成本降低。

三維工廠設(shè)計(jì)的發(fā)展前景十分廣闊。首先，目前三維工廠設(shè)計(jì)軟件在較多項(xiàng)目上還停留在工藝專業(yè)一家獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的位置。事實(shí)上，在工程設(shè)計(jì)的其他專業(yè)，比如建筑結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、自控、暖通等專業(yè)，完全可以實(shí)現(xiàn)三維化，并朝著多專業(yè)的設(shè)計(jì)協(xié)同發(fā)展。其次，因?yàn)樵O(shè)計(jì)文件是整個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，三維工廠設(shè)計(jì)軟件也可以應(yīng)用到工程建設(shè)的其他方面。比如三維設(shè)計(jì)完成后，項(xiàng)目涉及的各個(gè)分部工程也相應(yīng)確定，利用軟件內(nèi)置的統(tǒng)計(jì)匯總功能和二次開發(fā)可直接生成各類建構(gòu)筑物、設(shè)備、材料的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，為確定工程量清單提供了明確的依據(jù)，進(jìn)而可對(duì)項(xiàng)目的工程造價(jià)進(jìn)行有效控制。此外，在施工管理等方面也能發(fā)揮相當(dāng)大的作用[3]。

[1] 把握機(jī)遇，掌控未來，大中華區(qū)迅速發(fā)展的CADWorx及分析軟件解決方案[J]. 石油化工建設(shè)，2013.3：24～26.

[2] 張樹森. Autoplant三維軟件在選煤廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 煤炭工程，2013，(7)：20～22.

[3] 梁亞棟，劉三軍，羅智平.PDMS 3D 的工程化應(yīng)用[J]. 山東化工，2014，43(7)：157～158.

ApplicationofCADWorxinSmallChemicalEPCProject

Pu Yuling

(Hangzhou Hangyang Chemical & Medical Engineering CO.,LTD.，Zhejiang Hangzhou 310014)

The necessity of applying 3D Plant design software and the comparison of different software were summarized. CADWorx application in a hydrogen sulfide concentration EPC project, including equipment modeling, clash detection, material management, simulation training, etc. was introduced. Meanwhile, Some prospects for further applications were put forward, as reference for similar projects.

CADWorx 3D Plant design EPC project

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.03.011

2017-02-21

濮宇凌(1985～)，男，本科，工程師，目前從事化工工藝及管道設(shè)計(jì)工作。E-mail：yulingpu@163.com