关于选矿厂三维设计的认识和应用实践

徐金光，熊峰，李宏建，张勋，王鑫

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

关于选矿厂三维设计的认识和应用实践

徐金光，熊峰，李宏建，张勋，王鑫

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031）

针对选矿厂设计，对比分析三维设计与二维设计的工作模式，并结合三维设计在选矿厂项目中的应用实践，和矿浆管道三维设计中存在的问题，探讨了选矿厂三维设计应用的最佳方式和改进方向。

选矿厂；三维设计；Bentley软件；管道建模

随着矿业开发的国际化发展，矿业投资面临着越来越多的风险，这促使业主更加关注选矿厂设计效率和质量的提高。选矿厂的设计方式目前仍以二维为主，二维设计在展现细节方面具有一定的优势，但其效率水平不能得到进一步提高，并会逐渐落后于时代要求。三维设计在软件、模型、数据和协同设计等方面具有明显优势。利用三维设计平台，可实现集成设计，也可参与碰撞检查、施工模拟和全生命周期的维护。三维设计表现出比二维设计更高的设计效率，并更能保证设计质量。本文针对选矿厂设计，对比分析三维设计与二维设计的工作模式，并结合三维设计在选矿厂项目中的应用实践，探讨选矿厂三维设计应用的最佳方式和改进方向。

1 选矿厂设计工作模式分析

与以往工程设计“甩图板”革命有所不同，二维设计到三维设计更新的不仅仅是软件、模型和数据，而更多的是一种工作流程和模式的变化。

在传统二维设计中，各专业根据上游专业提交的接口条件进行各自设计，设计成果由各专业汇总而成。工作流程一般是：首先，工艺专业依据相关初始资料确定工艺流程、工艺指标和设备明细，并采用CAD二维软件绘制设备配置图、建构筑物联系图、设备基础图及包含公辅专业信息的图纸。然后将相关数据和图纸作为接口条件分别提交给总图、土建、电力、给排水、技经、报价等公辅专业[1]。上述专业收到接口条件后进行各自设计，同时根据需要彼此互提接口条件。这种工作模式属于线性流程，其特点是必须等上游专业的工作基本完成后，下游专业才能开展工作；而且一旦出现设计冲突或变更，就必须通过补提接口条件进行修改，造成设计周期长，易出现专业衔接失误，难免造成项目成本的增加。这种工作模式局限于接口条件和设计人员之间的语言沟通。主要原因是接口条件中的工艺数据不能保证唯一性，一张图纸不能完全展现所需的设计数据，语言沟通也无法保证信息的高效传达。例如，在施工图设计阶段，厂房和平台往往含有许多柱间斜撑和次梁，与设备、管道之间不免出现碰撞；虽然在设计收尾阶段会按要求进行“对图”，但由于图纸信息不能完全展现，设计人员往往不能做到一一核对[2]。

三维设计模式是在同一平台、同一模型和同一数据下进行设计，设计人员可实时存储和发布设计成果。在三维设计中，各专业结合上游专业发布的三维模型和接收的相关工艺数据进行设计；设计成果除说明书需要撰写外，其他内容基本可通过三维模型自动提取。工作流程可描述为：首先，工艺专业依据相关初始资料确定工艺流程、工艺指标和设备明细，并用三维软件绘制设备模块及定义属性、确定设备配置、粗略搭建所需厂房及平台等。然后存储和发布，同时将相关工艺数据提交给相关公辅专业[2]。各专业通过平台将工艺专业模型参考到各自模型中，结合工艺数据即可进行设计。这种工作模式不完全属于线性流程，因为各专业是基于同一模型进行设计。其特点是可有效避免设计差错和设计冲突，专业之间可实现无缝衔接。这种工作模式可摆脱接口条件的局限，接口条件中的工艺数据可在平台上统一发布，如需修改则即时更新。模型完成后可进行自动碰撞检查，即对应的是二维设计中的“对图”工作，不同之处在于三维设计是借助于软件自动进行的，设计人员仅需对碰撞处进行修改即可[2-3]。在同一平台和同一模型上进行选矿厂三维设计，可有效降低施工中工程变更的发生率，并把变更控制在设计阶段，从而能有效控制整个项目的成本。

2 选矿厂三维设计的应用实践

目前，在国内较流行的三维设计软件包括：美国Intergraph公司的PDS及SmartPlant 3D、Bentley公司的PSDS、英国AVEVA公司的PDMS和欧特克公司的PLANT 3D。中国瑞林工程技术有限公司采用Bentley公司的PlantSpace系列软件和ProjectWise软件（以下简称PW平台）完成了澳大利亚某铜矿项目和菲律宾某渣选项目的详细设计工作。PlantSpace系列软件包括P&ID、工艺设备、建筑、结构、暖通、电力、仪表、管道以及模型干涉检查和生成管道轴测图等主要功能模块。PW平台则主要支持项目设计、施工和运营时的协同工作及工程信息管理[4]。图1为PW平台上的文件结构，其中各文件均设有修改及查看权限，专业设计人员仅能修改本专业内容，并且一处修改，处处即时更新。

按照PBS（产品分解结构）主线，即项目—（系统）—子项—专业，分子项分专业完成了选矿厂各部分的三维建模，然后组装完成了整个选矿厂的三维模型。以渣选项目的子项磨浮车间为例，工艺专业的单体模型包括设备模型、金属结构件模型、矿浆管道及支吊架模型等，上述模型构成工艺专业的磨浮车间组装模型；并与其他专业的三维模型构成完整的磨浮车间，磨浮车间再与其他子项构成完整的渣选厂。图2所示为渣选项目中工艺专业的磨浮车间组装模型。

图1 PW平台上的项目文件结构

图2 渣选项目工艺专业的磨浮车间组装模型

上述项目是在二维设计的基础上采用三维设计进行管道设计以及碰撞检查，所以未涉及到完整的三维设计工作模式。关于最终出图，工艺专业的设备配置图、设备基础图、设备安装图、金属结构件及管道支吊架制造图仍采用二维设计完成。

3 基于PSDS的矿浆管道三维设计

三维设计的最大特点就是三维管道设计。利用PSDS进行三维管道设计时，前提工作包括：完成工艺PID和设备配置，添加设备属性和管嘴信息，参考进土建专业的梁、板、柱及给排水、电力等专业的管道和桥架模型，输入管道管件的定制数据[5]。上述前提条件具备后，设计人员开始布置管道走向和坡度。然后生成管道模型，并添加各类阀门、三通和支吊架等。完成管道建模后，需要进行碰撞检查，以避免实际安装时发生干涉问题。管道轴测图和材料明细均可自动抽取。但由于PID修改、非标管件修改、二维管道的介入及制图规定等种种原因，难免需手动完善轴测图和材料明细。随着三维设计的不断应用，有望逐渐减少这方面的负面清单。

关于矿浆管道，由于其易磨损的原因，弯头、三通等管件和直管段均需采用法兰连接以便于更换；并且由于管道坡度等问题，需要进行非标管件的数据定制。此时应注意以下问题：1）不同管径的直管段定长。例如碳钢管，管径大于DN200时定长为8 m或10 m，管径在DN100～DN200时定长为6 m，管径小于DN100时定长为3 m。2）直管段两端是否自带法兰。若不自带法兰，则生成管道后需要按直管段定长手动添加成对法兰及垫片；若自带法兰，则生成管道后需要删除自动生成的直管，然后顺序添加直管段及垫片。3）与自带配对法兰的设备管嘴连接时，管道连接端不需要添加法兰，但此处需注明与配对法兰的焊接。

有关管道支吊架，目前的操作方式仍然是依照已完成的二维制造图建立支吊架模型，然后放置在相应位置，并在此处添加逻辑点及属性（支吊架型式、编号、图集号等）。该支吊架模型仅起到碰撞检查和示意的作用，不便于定位查看及修改支吊架模型。对此，有望采用专业的支吊架建模软件，以便于发现碰撞和支撑点不合适的问题，从而提高设计质量，节省设计人工时，创造更高的经济效益。

4 结论

1）目前，二维和三维并行是最好的设计方式，因为三维设计的发展是一个长期过程，不会一蹴而就。在具体使用时，设计人员需要避开认识误区，从多个层面清晰了解三维设计是一种工作模式，从而打通实施三维设计的各个环节，创新工作流程，实现更大的商业价值。

2）目前，选矿厂三维设计主要应用在施工图和详细设计项目中。对于初步设计和基本设计项目来说，由于该阶段出图量不多，且对模型的干涉碰撞可降低要求，所以有必要采用三维设计方式进行，从而提高设计准确度，并为下一步工作提供更可靠的依据。

3）对于选矿厂三维设计，当工艺专业的组装模型完成并上传到协同平台后，相关公辅专业可以进行查看和参考，从而可减少提交接口条件的工作量，并提高专业衔接方面的工作效率。

[1]曾跃林，刘珊.三维设计技术在选煤厂设计中的综合应用[J].煤炭加工与综合利用，2013（S1）：62-67.

[2]涂逸晨.探索三维协同设计之路[M]//北纬华元公司.中国设计院之BIM与建筑信息化.[2015-03-21].http://www.chinabim.com/ news/domestic/258.html.

[3]何关培.BIM在建筑业的位置、评价体系及可能应用[J].土木建筑工程信息技术，2010，2（1）:109-116.

[4]庄叶凯.Bentley三维工厂软件在工程设计中的应用[J].有色冶金设计与研究，2009，30（6）:108-109.

[5]吉晓辉.管道三维设计及SupportModeler应用[J].科技传播，2013（6）:219-220.

Understanding and Application Practice of 3D Design in Concentrator

XU Jinguang,XIONG Feng,LI Hongjian,ZHANG Xun,WANG Xin
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

According to design of concentrator,the paper compares and analyzes the difference of work mode between 3D design and 2D design,based on application practice of 3D design in concentrator project,by analyzing the problems existed in 3D design of slurry pipeline based on PSDS,the paper discusses the best mode and improvement direction of 3D design application of the concentrator.

concentrator;3D design;Bentley software;Pipeline modeling

TD928. 1；TP391.41

B

1004-4345(2015)05-0010-02

2015-04-21

徐金光（1982—），男，工程师，主要从事矿山工程设计。