三维模型cad技术在电站设计中的应用

'三维模型CAD技术在电站设计中的应用(核电专辑)马晓东（山东核电工程公司，深圳，）[摘要]本文介绍了PDS系统及其在岭澳核电站常规岛小口径设计方面的成功实践，对在电站设计中推广使用PDS系统有一定的参考价值。[关键词]工厂设计三维模型小口径设计Applicationof3-DemensionCADTechnicalinPowerPlantDesignMaXiaodong（ShandongNuclearPowerConstructionCompany,Shenzhen,）[Keywords]plantdesign;3-demensionmodel;small-borepipingdesign随着计算机软硬件技术的飞速发展，电厂三维模型设计技术逐步从局部的可行性探索走向成熟的全面应用阶段。早在二十世纪九十年代初，美、法、英、德等发达国家的工程公司就已经采用CAD技术进行主厂房三维模型设计，取得很好的经济效益。广东岭澳核电站的设计总承包商英法合营ALSTOM公司就是采用美国INTERGRAPH公司的PDS(PLANTDESIGNSYSTEM)三维设计软件包进行常规岛安装设计，获得较好效果。山东核电公司是岭澳核电站常规岛的主要施工单位，在与ALSTOM合作中，有机会参与了部分设计工作，较深入地了解了ALSTOM公司用三维模型技术设计岭澳核电站的过程。 下面，就三维模型设计在岭澳核电工程的应用进行介绍。1设计组织结构要了解三维模型设计在岭澳核电站的应用，就有必要介绍一下ALSTOM设计部门的组织结构（见图1）。ALSTOM设计办公室组成十分精简，设计经理总负责，下设两名主任设计师，负责各设计组的技术协调。与主任工程师并列的是一个投标小组，该小组同时也负责系统流程图（P&ID）设计，具体设计工作分配到各设计小组完成。设计经理投标和P&ID组10人行政秘书1人主任工程师1人主任工程师1人管道组2人设计人13人应力分析2人土建协调5人支吊架组3人规范组2人 图1ALSTOM设计组织结构图需要说明的是，由于三维模型设计技术对设计人员的素质要求更高，与我们传统的设计人员安排不同，ALSTOM的设计任务不是按系统划分，而是根据三维模型设计的特点按工作性质安排下列专项设计人员：项目负责人、软件系统管理人、结构模型建立人、设备模型建立人、电缆托架模型建立人、通风模型建立人、管道模型建立人、组装模型及碰撞检查人、管道应力计算人、轴侧图（ISO）及材料表（ BOM）提取人、形成二维布置图及尺寸标注人、管道支吊架设计人、钢结构与平台设计人、校核人和质量工程师。各种设计技术接口和互相间的提资采用“请求问答（RequestforInformation简称RFI）方式，配合以“周报表”和“月报表”形式体现的设计进度接口，各个环节互相监督。2PDS的应用下面我们来熟悉一下三维设计软件包PDS。ALSTOM采用的计算机辅助设计软件是INTERGRAPH公司软件产品。包括能产生管线列表和阀门列表的流程图设计软件，支吊架设计软件及应力分析软件，其核心产品是三维工厂设计软件PDS。通过PDS软件可以建立包括土建、钢结构、管道及支吊架、设备、电缆桥架、通风系统的三维模型,各系统模型组装后可进行碰撞检查，也可进行三维漫游。下面结合设计过程来看看PDS的应用。2.1设计准备阶段(1)明确设计范围后，用‘2DIntelligentDrawings’软件设计系统流程图，给所有设备、管线、管件编号；(2)根据参考电厂布置图初步拟定三维模型方案，本工程的参考电站是大亚湾核电站；(3)根据参考电厂布置图给土建专业提重要建筑的定位、大概尺寸及孔洞、荷重资料。2.2提出质量保证要求 编写质保手册和质保程序文件。(a)对三维模型提出质量保证要求。(b)对设计安全保证提出要求，制定计算机备份安全保证措施。(c)对图纸输出提出质量保证。用图纸质量保证工作流程图（图示）为例说明以上质保要求：修改，直到校核清单中所有‘x’都改正(6)签字出版(5)校核清单(4)校核，用红蓝黄绿四色标识(1)输入模型(3)未签字原件(2)PDS图2图纸质保工作流程图图纸出版步骤按上图中1-2-3-4-5-6步顺序进行。（1）设计输入。（2）在PDS工作站输入模型或绘管线图。 （1）从PDS工作站输出图纸原件，待校核。（2）校核人对原件校核，用红蓝黄绿四色笔标注。涂上红色的数据（图纸中的任何信息都称数据）表示需增加的数据，兰色表示需删除的数据，黄色表示正确不需修改的数据，绿色表示应修改成此数据。同时，校核人填写校核清单，逐项打‘x’或‘Ö’，校核完后，项目负责人盖‘CHECKPRINT（校核件）’印章。（3）将盖‘CHECKPRINT’印章的图纸和校核清单返回设计人，重复步骤2-3-4-5-2，直到清单中的‘x’都改正。（4）从PDS工作站中出正式图纸，盖‘ORIGINALPRINT（原件）’章，确定图纸的版本号。2.3设计阶段2.3.1建立三维模型内容包括：结构模型（钢、混凝土结构，平台、扶梯），设备模型，电缆托架，通风装置模型，管道模型。其中管道模型的建立过程为：首先绘制管道走向，就是一条带有设计参数和管材、管径的中心线，然后插入管件、阀门和逻辑支吊架，最后计算机自动配置管段、弯头、大小头和三通等。2.3.2组装模型及碰撞检查所有模型建好后，把它们参考到一起进行碰撞检查，输出检查报告。根据报告情况参考三维漫游实体查看，对相关模型作出设计调整或变更。2.3.3中间评审评审内容包括：是否满足合同要求，设计输入的原始资料是否准确，是否满足设计综合进度，接口资料是否都关闭，三维模型中的碰撞是否已消除，设计深度是否满足要求等。 2.3.4管道应力计算设计人填写“应力计算原始数据表”，连同需应力计算的管道走向图交专人计算。设计人根据计算结果调整管道设计。2.3.5轴侧图及材料表提取用计算机批处理方法可提取所有管道的轴侧图和材料表，提取出的图纸和材料表经校核修改后送交上一级部门审批。2.3.6二维图纸的提取PDS软件可将三维模型转换成任意剖切的二维布置图，供施工参考。2.3.7管道支吊架设计支吊架由专人设计并建立实体模型用于三维碰撞检查。支吊架图纸为两视图，每个支吊架单独出图。2.3.8钢结构和平台设计图将钢结构和平台模型转换成二维图标注尺寸。在2.3.5至2.3.8步中的图纸处理过程见“图纸质保工作流程图”。2.3.9最终评审评审组对整个项目、整个设计过程和设计结果进行评审总结。此时，通过PDS软件包得到的设计成品有：系统流程图，管线清单，阀门清单，管道轴侧图，支吊架组装图，总平面布置图，钢结构组装图等。配合其他与PDS接口的设计软件可以输出土建图、电缆桥架图和通风装置图纸。3PDS在施工过程的应用PDS在设计阶段的任务已经完成了，它的另一个任务却刚刚开始。PDS可与材料控制软件包COMDACE 接口，通过共享数据库把所需材料的规格数量等数据直接用于定货、供货。COMDACE软件包包括能提供材料汇总和提出采购申请的材料控制软件COMPIPE,控制定货、发货的工程管理软件CBPMS,能进行现场到货登记、仓库清点、转运、发料控制的多功能现场材料控制软件COMSITE。与这些软件配合使用，PDS中的数据从工程设计阶段直到工程施工结束都一直发挥着作用。从PDS中得到的焊接统计报告与相应的焊接管理软件配合，更是直接为现场施工提供了第一手资料。另外，PDS还提供了强大的三维漫游功能。由于在施工前就可以预先看到完工后的状态，便于施工组织者制定合理的施工方案。岭澳核电站施工中，在处理狭小区域内密集复杂布置和交叉作业方面，三维漫游为施工组织者迅速准确的拟订施工组织措施提供了极大的方便。遇到设计变更时，三维漫游也可以帮助技术人员确定合理的修改方案，避免影响后期施工。目前，随着施工的进展，施工技术人员和管理人员对三维模型设计的利用也越来越充分。4用PDS进行小口径管道现场设计按合同规定，岭澳工程的小口径管道由安装承包商现场设计。根据一核的施工经验，在岭澳项目开工前，成立了小口径设计室，两名有设计经验的机务工程师专门负责小口径管道设计。为了提高现场设计水平，同时满足设计承包商ALSTOM在电厂建模和材料定货方面的需要，小口径管道采用先进的三维模型设计方法。4.1PDS工作室的软硬件配置ALSTOM为小口径设计提供了两台PDS工作站和相关软件、BS标准数据库及建成部分的模型数据。SEPC使用的PDS系统硬件组成是这样的：1台服务器，基本配置为PII400双CPU、128M内存、9.1G硬盘、光驱、备份用磁带机；1台工作站，基本配置为PII400CPU、64M内存、4.3G硬盘、光驱。以上硬件设备都是美国Intergraph公司产品。为运行安全，两台机单独联网，共用一台HP5000型A3打印机和一台HPA0彩色喷墨绘图仪。2001年4月又增加两台旧工作站。 4.4.2PSD的设计和施工培训99年初两名设计工程师到ALSTOM英国总部的设计办公室进行了为期4个月的培训。整个培训只有一周时间学习PDS的基本操作，其它时间都是在实际工作中边学边干，逐渐掌握了PDS的使用，同时对小口径设计工作流程和具体环节逐渐熟悉。ALSTOM科学的管理方法和良好的工作习惯对后来小口径设计工作产生了较大影响，特别是逻辑严密的各种进度管理报表在各设计阶段一直发挥着很好的作用。小口径管道现场施工前，针对施工人员对国际通用的管道轴侧图不习惯的问题，专门组织工程技术人员和管理干部进行了培训，使设计和施工人员在设计标准和格式上有统一的认识，双方在图纸信息的理解和沟通也更充分。4.3编制并严格执行程序设计开始前，编制了管理程序《小口径管道现场设计》，明确各相关部门的职责、图纸制作标准和图纸审查程序。小口径管道设计从1999年8月PDS工作站在小口径设计室正常运行开始。在施工图设计初期，为充分发挥PDS三维漫游功能，设计人员对每条管线进行碰撞检查，耗费了相当大的精力。由于ALSTOM提供的三维模型不完整，而且用于参考设计的一核竣工图不准确，结果现场小口径管道施工没有达到预期效果，后来管线碰撞检查取消，设计人员主要参考分项工程师绘制的管道走向草图做施工图，出图速度有较大提高。管道分项工程师绘制的竣工草图是小口径管道竣工图制作的依据。经SEPC两级QC、业主QC及焊接QC签字认可的管道竣工草图可确保竣工图真实反映现场竣工状态，而竣工图也须得到各级QC的审查认可后才能正式出版。 2001年上半年设计室人员和设备都进行了调整，设计工程师逐渐增加到5人，PDS工作站也由原来的2台增加到4台，#2机施工图和#1机竣工图穿插进行，2001年11月基本完成了#1机竣工图制作，出版竣工图纸2780张，#2机竣工图到目前已完成81%，出版竣工图2133张，预计可在2002年初全部完成。4.4小口径设计进度管理主要借鉴了ALSTOM的周报和月报的管理模式。进度管理的中心是月度报告，在施工图设计阶段和竣工图设计阶段分别编制了月度报表。月度报表用EXCEL制作，按系统记录各设计项目的完成情况，每周更新，统计结果可显示完成进度及各项目占总工作量的百分比。这些一目了然的数据可使工作条理清晰、连贯，便于对工作的监督，提高工作效率。根据业主要求增加了季度计划，对较长时期的工作做出规划，由于客观条件变化大，季度计划仅作参考。4.5问题与建议由于小口径管道施工的特殊性，在施工图设计阶段，不应强调管线走向和尺寸的准确性，而重点在于给出必要的技术参数、连接信息、材料的规格和数量等。竣工草图的质量应提高。准确的管线走向和尺寸是真实反映竣工状态的基础，也可为以后的工程留下宝贵的数据。组织结构和人员配备应保持相对稳定，这是保证设计质量和进度的根本。CAD设计的硬件配置应有一定的超前性。PDS服务器配置较低导致工作站运行慢、扩容困难，影响软件功能的发挥。5对三维模型设计的几点认识可以看出，三维模型设计技术不仅是工厂设计手段上的重大变革，同时也会引起一系列设计管理、施工组织的重大变革。三维模型设计的重点在立体空间的分配，避免了传统设计费时费力的三维到二维，二维再到三维的转换过程，提高了效率，减少了出错机会。图纸包含的信息更丰富，更直观，能够直接指导定货、加工和安装，减少了中间环节，设计与施工的联系更加紧密，符合将来工程总承包的发展趋势。 三维模型设计技术将整个工厂设计水平提高了一大截，它不仅对设计人员提出了不同要求，还要求设计的组织管理更科学、更高效。流水线式的工作程序要求设计人员更加专业化。只需少数人对工程项目的理解十分深刻，由他们处理技术性较高的问题，大部分设计人员只要求对自己负责的环节十分精通，保证产品在自己这道工序中高质量的完成，则最终的产品也将是高质量的产品。在未来的设计部门中，大部分设计人员将由经过基本培训的较低学历的知识工人担任，少数具备较高专业素养的人担当高级技术职务，负责诸如投标、系统设计、计算、研究和开发等工作。在岭澳核电站的设计与施工中也暴露了三维模型设计技术上不完善的地方。例如：不能生成设备安装图，设计承包商只得另外绘制设备定位图和安装说明表满足施工要求，给设计和施工都造成不便。与PDS接口的焊接管理软件WELDPRO与现场实际工作出入较大，需做修改等。由于习惯上的差异，施工人员对三维模型设计图纸还有不适应的地方，国外工程公司的工作方法和习惯也不尽合理。但是，通过双方合作，互相了解，沟通融合，积累经验，学习先进是我国电力工程设计和施工企业走向国际市场，参与国际竞争的必由之路。'