1361. 引言三维数字工厂设计软件是近二十年来出现的先进的工厂设计软件系统，以三维参数化实体特征造型技术为基础，建立起参数化的工厂信息模型。欧美等一些国外工程公司在工程设计中都已大量采用了计算机三维设计技术[1]，国内石油、化工、船舶、电力系统在上世纪90年代后期先后采用了工厂三维设计技术。台塑河静项目根据业主的合同要求，室外地上管线采用单线图，即三维出图。2. 概述以往国内的设计行业大都在各自的专业领域内使用一些独立的绘图软件进行设计，所谓的计算机绘图，实际上只是把以前的图板转到了计算机屏幕上，并没有从根本上解决二维设计的弊端。三维设计技术以一种全新的概念对二维设计进行了彻底的变革。首先，三维设计建立在数据库的基础上，无论哪一种三维设计软件，都是以此为基础的，一个项目的所有工程数据都是从同一个数据库中提取的，数据库包括了设计所需要的各专业的标准数据库以及工程数据库，设计人员能够在同一个工程数据库中进行协同设计，而所需要的标准数据又都是从同样的标准数据库中提取的，从而保证了设计的准确性。其次，三维设计是一种建立在三维实体模型基础上的设计模式，无论是工厂中的设备、管道、结构、建筑等，都是以实体形式进行的设计和布置，方便快捷而且直观，便于设计人员布置和调整，避免了以往二维设计容易造成的错、漏、碰、缺现象。第三，三维设计大大减少了以往设计中大量的绘图和材料统计的工作量，所有的图纸和材料报表都是通过软件自身提供的功能自动抽取的，因而既保证了图纸和报表的准确性，又大大缩短了设计周期，提高了效率。第四，在工业建筑当中最大的优势就是能够重复利用现有的成果。民用建筑可以在每个项目之中发挥建筑师自己创意的能力，做出千变万化的东西来。但是工业项目不同，工艺的要求往往是一种固定的模式，里面的构件也是一种固定的构件，用的材料可能是现在通用的一些东西，关于中交第三航务工程勘察设计院有限公司：中交第三航务工程勘察设计院有限公司（以下简称三航院）是我国最大的交通、港口工程勘察设计测绘单位之一，上海市高新技术企业。具有国家颁发的工程设计综合资质甲级、工程勘察综合类甲级资质，工程咨询、总承包、工程造价等甲级资质和对外承包工程经营权。三航院专业设置齐全，技术力量雄厚，能独立承担国内外各类港口、航道、海洋工程、物流工程、河川枢纽、修造船厂、公路、桥梁、机场跑道等综合性大型工程项目及供水、输电、环保工程、工业民用建筑、工业计算机自动控制等项目的规划、咨询、勘察、设计、监理、造价及总承包等，具备国际工程咨询设计和总承包的能力。自1958年成立以来，三航院已承担了以长三角为中心的国内外大中型勘察设计项目4,000余项，包括上海国际航运中心洋山深水港区工程、东海大桥、澳门国际机场、缅甸国际集装箱码头等为代表的一大批境内外工程项目，并与亚欧美洲等地的多家公司进行了技术合作和交流。三航院一贯视质量为生命，全面推行质量管理，通过了英国劳氏公司“质量、环境、职业健康安全”体系认证。先后荣获国家及省部级优秀设计、科技进步等奖项共200余项，其中获国家科技进步一、二等奖3项，国家优秀设计金质奖5项、银质奖6项、铜质奖4项，国家优质工程银质奖5项和鲁班奖、詹天佑奖9 项，专利和软件著作权57项。所属行业：冶金摘要：以SmartPlant 3D为例，介绍了三维工厂设计软件在港口项目给排水设计中的应用，并分析了三维协同设计的特点，讨论了三维协同设计带来的设计模式变革以及这种设计模式对工程建设的重要作用。关键词：■三维工厂设计■SmartPlant 3D■给排水■管道■港口涉及的鹰图产品：■SmartPlant 3D郑瑞东（中交第三航务工程勘察设计院有限公司）三维工厂设计软件SmartPlant 3D在台塑河静钢铁码头中的应用

137这些东西都可以在三维软件里面定义，这样可以在以后的工作当中重复地利用，提高工作效率。目前的三维设计软件主要包括鹰图公司的PDS、SmartPlant系列软件，英国AVEVA公司的PDMS，美国BENTLEY公司的AUTOPLANT和PLANTSPACE，Autodesk公司的AutoCAD Plant 3D以及Autodesk Revit MEP等。本文以SmartPlant 3D软件为例进行介绍。SmartPlant系列软件是一款基于数据库的设计软件，该软件以区域或系统划分工厂结构（WBS），统一按照设计院的设计规则及工作流程来进行设计，并可进行各模块之间的集成，便于设计信息的查询和管理，贯穿于设计、施工到运营等完整的工厂生命周期[2]。SmartPlant 3D（以下简称SP3D）是面向数据、规则驱动的软件，是基于数据库基础上的一体化多专业集成布置数据库平台。极大简化了工程设计过程，有效使用并重复使用现有数据生命周期。SP3D还可以通过SmartPlant系列软件中的SmartPlant Foundation接收SmartPlant P&ID发布的数据．将3D中的模型与P＆ID图纸中的对象进行对比验证，实现设计数据从二维到三维的传递、设计的集成及与P&ID图纸的一致性校验[2]。3. 三维建模流程3.1 数据库的开发和建立所有的三维设计软件都离不开数据库服务器。设计者建模时的数据都得通过访问服务器而获得，这样可以保证协同作业时数据的同时性、唯一性和准确性。SP3D软件是国外开发的，默认的只有美标数据库，没有针对国内标准（如GB标准、HG标准、SH标准）的数据库，需要进行二次开发工作。项目在建模之前，要根据项目的需要，建立等级库。首先要进行相关资料的收集准备工作。收集准备的资料包括：设备外形图纸及相关属性资料、主厂房及厂区建（构）筑物资料、管道及其管件资料等[3]。以下是台塑的管材要求[4]。表1 管道材质选用表流体管材配管等级消防水内外镀锌碳钢管A030/A030U工业水内外镀锌碳钢管（钢厂码头槽区）A030/A030U不锈钢管（码头槽区用水点）A210自来水外镀内不镀锌碳钢管A012工业废水内外镀锌碳钢管（钢厂码头槽区）A030不锈钢管（码头槽区用水点）A210生活污水内外镀锌碳钢管（钢厂-码头槽区）A030不锈钢管（码头槽区用水点）A210SP3D支持ORACLE、SQL SERVER数据库。建库工作是一项长期且繁重的任务[5]。需要在项目正式建模前预留充足的时间建库、测试。3.2 管架、厂房结构建模SP3D在结构建模方面最大的特点就是其杆件之间的关联性。失去关联意味着失去基础．对往后的复制、镜像等操作以及输出文件都会造成很大的影响。根据确定的主厂房柱距跨度，按照工程师设计的柱梁断面及布置形式，利用集成系统的Structure 模块建立初步的主厂房的建筑结构三维模型，以供工艺专业的三维设计者参考使用。3.3 设备建模在SP3D中用户可以放置参数化设备，也可根据需要放置非参数化设备。设备模型的建立，实际上是建立本项目工程的设备库。设备模型上要求带有一定的属性（参数）。根据所收集到的设备资料（包括外形尺寸、进出口尺寸等）利用系统中的Equipment模块建立全厂布置所需的各专业设备模型。应该注意的是：在实际工程设备建模时，我们应注重设备的进出口位置及尺寸、设备的外形空间占位。此外，用户还可以导入外部文件来插入设备外形体，但必须是SP3D支持的软件，如SAT格式的文件或是DGN格式的文件[2]。3.4 管道建模参考主厂房结构建筑三维模型，进入集成系统中的Piping模块，利用智能线布置方式或者布置管件实体方式进行管道的建模。当确定采用某种布置方式后，根据P&ID图按照管线特性选取管道的设计参数，进行管道的实体布置。图1是管道模型建好后的截图。图1 管道模型图三维工厂设计软件SmartPlant 3D在台塑河静钢铁码头中的应用

1383.5 暖通与电缆桥架建模布置方式与管道类似。3.6 碰撞检查碰撞检查是大型工程设计过程中的一个主要难题，不仅本专业之间要相互检查还要进行跨专业之间的相互检查，以往只能通过手工计算和二维CAD软件肉眼检查，不仅效率低下而且容易顾此失彼很难确保在工地现场不发生碰撞。利用SP3D中的碰撞检查功能可以很方便地检查细节的碰撞，碰撞部分在模型中以醒目的高亮红色显示并且可以生成文字说明分析碰撞原因保证设计的无差错，所以在设计的同时设计人员可以很直观地看到实际的效果论证决策方案的合理性与正确性，在实际三维模型的基础上进一步的修改原设计方案。3.7 平剖面图提取和管道轴侧图提取数字化工厂最终转化为实际物理工厂需要将三维模型转化为二维图纸，从而直接用于施工方的现场指导。当模型的各项检查完成并修改后，建立合适的Space模块，选取一定的图纸模板。SP3D可自动生成施工所需的管道平面布置图。根据不同的项目要求，SP3D可以设置不同的自动标注类型．大大减少了手工标注的工作量。当整个模型建立完成后就可以提取平面图和单管图（见图2）。可以从不同方向投影平面图，自动抽取单管图。这些二维图纸都可以自动标注尺寸，缩短了设计周期。图2 管道单线图3.8 审核设计审核贯穿在三维模型设计过程的设计全过程全方位，校审人员可以随时在模型中进行校审，直观方便。可以是配管专业内部校审，也可以是阶段性进行多专业共同审核，以及有业主参与的审核等多种方式。业主参与的审核，增强了设计承包商与业主的沟通，形象直观地了解未来工厂。3.9 材料报表提取实际项目中材料统计对于采购和施工影响重大。3D的材料统计是其最为节省人力的功能之一，它可以按照设计者所定义的统计规则统计报告用户所需要的内容，不仅可以统计出全厂设备报表，也可以根据各个单元分区统计材料，甚至生成单根管道材料．从而满足项目的不同需要。3.10 动态漫游SP3D软件不仅可以完成三维静态模型，还可以使用其中的REVIEW模块制作动态模拟安装演示，观察者可以从不同的角度观察模型，仿佛身临其境，非常直观。4. 问题与建议4.1 数据库的建立与维护三维配管设计是一件非常耗时的工作，在建立二维工厂信息模型时，针对不同的工程项目，有不同的工艺要求，就需要配置相应的材料数据库，而三维工厂设计软件所提供的只有一些外国标准数据库，要建立可管理的三维工厂模型，首先要建立适合本设计行业的管道数据库、参数化设备和非参数化设备，这是是一项长期且复杂的工程，需要投入大量的人力和物力，在缺少配套材料库的情况下，建立一个可全生命周期管理的三维工厂模型是不现实的。因此，应制定计划，逐步建立起基于国标的数据库。4.2 材料编码库的建立材料编码（Commodity Code）没有国家标准或行业标准，它是材料代码，每个公司都是根据自己的要求和理解，通过定义材料的分类、属性以及编码规则，编订材料编码，同样的东西如一个阀门，在不同的公司基本上是有不同的 Commodity Code，除非两家公司使用了同样的编码规则。但在同一个公司内部，同样的东西应该有同样的Commodity Code.在工厂的设计施工和运行管理的过程中，每一根管道、每一个阀门、每一个设备、每一个仪表都必须具有一个唯一的代码，即材料编码。只有有了这样一个编码，才能在所建的总模型中抽取到用户所想提取的内容，否则会造成设计混乱。因此，在工厂的设计、施工和运行管理的过程中采用三维设计系统，就必须有套完整的设计编码命

139名体系。工厂设计编码体系在国外的大工程公司中应用十分成熟和广泛，而在国内，石化、电力行业的工程公司都在逐步建立起企业的材料编码体系。本项目根据业主的要求，直接采用的台塑企业内部编码体系。以后3D应用于其他项目，将缺少相应的编码库，这将是制约三维设计系统应用的一个因素。因此台塑项目结束后迫切需要建立一套规范的编码体系。4.3 设计流程问题软件掌握程度不够。由于种种原因，国内许多设计院和工程公司在三维工厂设计软件的应用上技术和经验积累不足，往往是拿到项目后，由于业主和合同要求，不得不勉强采用，操作起来困难层出不穷。过程中因为技术、人员和进度等种种原因，甚至不得已采用传统CAD等先出图、再输入3D中补充建模，失去了模型的最关键优势，走了许多弯路，浪费大量时间和人力[6]。4.4 专业人才培训人才培训不足、专业细化和衔接不够。三维工厂设计软件是整体化模型，要求工艺、消防、土建、结构、道路及机械等各专业均需建立模型并互相衔接匹配，但实际设计中，往往只有工艺等少数专业配管用3D建模，其它专业仍按常规做法CAD出图，失去了各专业间碰撞检查功能。此外，还需要有数据库维护经验的计算机管理员以及系统管理员支持。三维设计还存在一系列的管理问题，比如采用什么手段校核？怎样才能够使校核者控制所校核的内容已经修改？由于许多校审人员培训不够，不能同步跟踪审查三维工厂模型，往往使得配管设计成为脱缰之马，成败均取决于个别配管设计人的个人素质，与现有的内部质量控制体系脱节。5. 总结多专业三维协同设计带来的是工程公司设计水平的提升，带来的是设计质量的提高，使得工程承包商、施工单位、业主多方受益。信息技术正在改变着当前的设计模式，我们必须适应这种新技术，同时，多专业三维协同设计也是工程公司与国际接轨的有效载体。台塑河静项目管线系统众多，各个专业交叉复杂，三维协同设计很好的解决了这些问题。工程设计领域的三维设计软件应用目前还处于起步和初级阶段，以后的发展前景是十分广阔的。三维软件的应用方向将在不断提高各专业设计能力的同时，在工程项目的概预算、施工管理以及各专业间三维协同设计等方面与建设单位、工程总承包单位以及施工企业等实现更好地紧参考文献：[1] 庄叶凯. Bentley三维工厂软件在工程设计中的应用. 有色冶金设计与研究，2009,30(6):108~109[2] 耿晶晶. SmartPlant 3D概述及其在化工设计中的应用. 石油化工建设，2011,33(3):48~51[3] 王成立. PLANTSPACE用于信阳火电厂三维整体设计. CAD/CAM与制造业信息化，2001,5(4):21～24[4] 中交第三航务工程勘察设计院有限公司. 台塑河静钢铁码头装卸输送及港勤设施设计基本设计报告. 2011.10:197~208[5] 刘强. SmartPlant 3D在镍钴设计院中的应用. 土木建筑工程信息技术，2009,1(1):103~107[6] 万秀华. 对外工程项目中三维工厂设计软件的应用.油气田地面工程，2007,26(1):45~47作者简介：郑瑞东（1980-），男，工程师，从事港口给排水、水处理设计工作。密结合，朝着多专业的设计协同和设计完成后对投产项目的管理方面发展，最终真正实现具有生命周期的信息化三维设计软件。三维工厂设计软件SmartPlant 3D在台塑河静钢铁码头中的应用