基于三维设计的工艺布置

陶建利，余 靖（（1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南　长沙　41008；2.中南大学资源加工与生物工程学院，湖南　长沙　41008；.广州君和信息技术有限公司，广东　广州　51000）



基于三维设计的工艺布置

陶建利1，2，余 靖3
（（1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙410083；2.中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙410083；3.广州君和信息技术有限公司，广东广州510030）

摘要：阐述目前冶金行业主流的几款三维设计软件，重点介绍了Bentley公司的OpenPlant三维工厂软件在工程设计中的应用，包括项目组织、厂房建模、设备建模、非标件建模、碰撞检测等，简述建模完成后的成品输出。

关键词：三维设计；设计软件；工艺布置；OpenPlant；冶金矿山

0　引 言

工程制图，是实现工程设计的一个手段，主要用于将设计者的意图通过可视的、标准化的、准确的图纸等形式传给施工服务人员，从而实现产品的功能。现有工程设计，需经历“三维—二维—三维”这3个阶段。蓝图的输出从信息传递的角度讲，是一个信息传递媒介。但是，信息在传递的过程中，由于传递方式不同，媒介不同，会出现不同程度的信息失真。该文基于三维设计来指导施工建设，减少设计环节中的“二维”转换阶段，提高产品质量。

由于计算机技术以及大型工程软件的发展，使得采用计算机三维辅助设计变得越来越便捷和高效。同时，由于三维较二维在可视化和交互性方面的优势，也使得业主越来越认同，特别是在西方发达国家，已经将三维设计作为一项基本要求，工程设计文件需提供完整的三维选矿厂模型。因此，三维设计也将是国内工程设计的发展方向。

1　常规设计

工程制图经历过采用工程制图板、三角板、T字尺的手工绘图，然后进入采用CAD、天正等计算机软件辅助制图，这2种方式，基本为二维制图。

冶金矿山工程设计时，设计者首先在大脑中构建方案的初步三维图像，然后将构件的方案用二维的方法绘制出来，再通过三维视图来检查各尺寸之间的相互关系，最终输出蓝图。工程施工时，工程技术人员根据蓝图在大脑中构建三维模型，用于指导现场施工，过程与设计相反。从转换的角度来说，工程设计信息的传递为“三维—二维—三维”，由于存在这样的转换，设计者的设计意图在转换过程中可能会失真，同时，二维形式的文件不能够较直观的检查各组件之间的空间关系，减少设计错误。

此外，从现在流行的“数字化”角度讲，常规的二维设计，数据和设计是相对独立的，没有进行统一管理，没有参数化的概念，缺少交互形式，不能贯穿设计的整个寿命周期。

2　三维设计

与二维设计相比，三维设计有许多其无法比拟的优势，它形象逼真，能够实现三维动态模拟，同时，能实时、动态的查看各部件之间的空间关系，进行安全碰撞检查，提早发现问题。目前主要使用的三维设计软件有：AutoCAD、3DMAX，Solid-Works、Pro／Engineer、UG、PSDS、PDS、PDMS和 Microstation、OpenPant。总体而言，这些三维设计软件的主要功能包括：①输入数据的动态化；②模型数据的参数化；③模型的可视编辑化；④模型软、硬碰撞检查；⑤二维工程图纸的成和处理；⑥材料报表自动化统计。

3　几款常用三维软件简介

工程中使用的工厂类的三维软件较多，我们仅选取PDS、PDMS和OpenPlant，简述其在不同领域的优势。

3.1PDS

PDS是Plant Design System的缩写，它是由美国INTERGRAPH公司研制开发的大型工厂设计应用软件，是一个全面的智能的计算机辅助设计和工程设计（CAD／CAE）应用软件，可以运行在最通用的Windows操作系统平台之上，支持通用的关系数据库系统如：Microsoft SQL Server、Orale及Informixd等。

PDS共17个模块，分别为：

（1）Schematic Environment：用于高阶段设计绘制P＆ID图和仪表数据管理；

（2）Equipment Modeling：用于三维设备模型设计，主要建造设备外形和管口信息；

（3）Frameworks Environment：用于三维结构框架设计；

（4）Piping Designer：用于三维配管设计；

（5）Electric Raceway Environment：用于三维电缆托盘的设计；

（6）Piping Design Data Manager：用于三维设计数据检查及二维与三维间的数据校验；

（7）Pipe Stress Analysis：管道应力分析接口；

（8）Piping Model Builder：设计者可按照一定语法规则编写文本文件，PDS能将其自动转换成三维实体模型；

（9）Pipe Support Designer：用于管道支吊架设计；

（10）Interference Manager：用于三维工厂碰撞检查；

（11）Isometric Drawing Manager：用于提取单管轴测图；

（12）Drawing Manager：用于生成平、剖面配置图；

（13）Design Review Integrator：智能工厂浏览器（SmartPlant Review）接口；（14）Report Manager：用于提取各种材料报告；（15）Project Administrator：项目控制和管理；（16）Reference Data Manager：参考数据库管理；

（17）PE－HVAC：用于三维暖通管道设计。

PDS帮助用户在以下几方面节省更多的资源：①自动化工程提高效率；②三维建模过程帮助设计人员更好地设计；③支持动态浏览，在工厂未施工之前操作维护人员可进行交互式地观看；④碰撞检查减少现场返工；⑤精确的材料报告减少费用；⑥以设计规范为驱动的设计及检查提高设计的精确度。

3.2PDMS

PDMS全称Plant Design Management system，即工厂三维布置设计管理系统，是英国AVEVA公司（原 CADCentre公司）开发的产品。它的前身是管道设计软件，后来发展成为大型、复杂工厂设计项目的首选设计软件系统。PDMS包含许多程序模块，以完成不同的功能：

（1）DESIGN 三维模型设计模块，其下又包括以下几个部分：①Equipment设备建模；②Pipework管道建模；③Structure结构建模；④Cable trays电缆桥架建模；⑤HVAC暖通；⑥Hanger＆Support支吊架建模。

（2）DRAFT 平竖面生产模块。

（3）ADMINISTRATION 项目用户及数据库管理模块。

（4）ISODRAFT 单管图生产模块。

（5）PARAGON 构造元件库。

PDMS的主要优点：①三维实体建模；②专业多用户的工厂设计系统；③一个设计模型（数据库）可以输出多种设计图纸、报告；④等级驱动；⑤交互设计过程中，实现三维碰撞检查；⑥平面图自动生成并标注，当模型修改后，标注自动更新；⑦能强大的可编程宏语言—PM。

3.3OpenPlant

OpenPlant是运用于二维和三维工厂设计的软件套装，它是以MicroStation为基础平台进行的二次开发，集成了作为固有数据模型的ISO SO 15926标准，使二维及三维工厂设计工程实现真正的数据互用。

OpenPlant套件中包含的产品：①Bentley OpenPlantPowerPID V8i是唯一一款全面的工厂与仪表图（P＆ID）软件；②Bentley OpenPlant Modeler V8i是三维CAD工厂建模软件；③Bentley Open-Plant ModelServer V8i可进行组件管理，用于实现分布式团队协作；④Bentley OpenPlant Isometrics Manager V8i能够以中间格式提取等角图信息，以便在设计系统外部轻松维护、修改和跟踪这一信息；⑤ProjectWise PDx Dynamic Review Service借助ProjectWise中管理的开放式ISO15926格式，保护PDS项目数据并使其沿用到21世纪；通过自动化服务，实现以低成本桌面访问进行审核并节约管理时间。

在冶金矿山行业，工艺专业主要使用的软件为OpenPlant Modeler V8i，它是一种等级驱动的建模系统，与工厂设计师的工作方式相符。它使用许多用户所熟悉的、高度直观的MicroStation V8i用户界面，可轻松快速创建包括管道、HVAC和电气组件在内的三维模型。在MicroStation功能（例如：精确绘图和精确捕捉）的帮助下，只需单击几下鼠标即可放置元件。由于这些功能，使得工艺专业在工程项目中能够较快地掌握和运用该软件，完成三维工艺设计。

软件的启动界面和操作界面见图1，图2。

图1 软件启动图标与名称Fig.1 Software startup icon and name

图2 软件操作界面Fig.2 Software operation interface

从图2可知，软件常规可显示8个视图，通常显示4个视图，分别为顶视图、轴测视图、前视图、右视图。这包含了常规工程制图时所需的3种视图：主视图、俯视图、左视图。软件包含的这几个视图是在同一坐标系统内并相互关联。因此，我们在改变其中任何一个视图数据时，对应的会改变和生成其他视图数据，大大提高了制图效率。

4　三维制图基本设计流程

在国外三维制图目前较流行的设计流程是专业化流水线式工作流程模式，每个人只是负责流水作业工序中的一个环节，专职做模型出图。三维设计按照设计流程划分设计人员角色，一般情况下大体流程可分为：①系统设计；②布置设计；③分析计算；④详细设计。

在系统设计阶段，也叫做项目策划，需要项目策划者将项目拆解成一个个具体的需完成的文档，并对文档编号，制定统一的标准和参照，以及对应的权限。这能够很好地规范和整理团队成员完成的工作，并保证每个成员所获得的标准和参照以及图纸都是实时最新的。

布置设计时，各专业级成员需指定大致可执行的基本方案，并将各方案进行统一部署和协调。如同常规上的方案设计。

分析计算，正如其名，主要是对方案的分析和计算，核实是否满足规程规范，经济上是否可行，工程上是否可实现。

详细设计，主要是对确定后的方案进行工艺布置和设备部件等图纸的详细设计，输出可实施的工程图纸，为施工服务。

5　具体工程设计

冶金矿山工艺布置，主要是通过以下几个基本步骤来实施。

5.1厂房建模

这个主要用到OpenPlant中的结构和建筑模块，完成柱、梁、楼板和工程涉及到的各种钢结构的模型搭建。工艺专业主要与土建专业商量好轴网，并参数化。定好轴网后，工艺专业在进行设计时都以此轴网为参照，保证模型的统一。详细的厂房设计由土建专业完成，工艺专业通过参考命令把土建厂房参考进来，作为工艺布置定位的基础。

由于OpenPlant侧重于工艺专业，仅能进行简单的土建模型搭建，并不能实现各构件的力学模型设计，如需实现参数化的土建厂房模型，需配套用到专业的AECOsim Building Designer和Prosteel，它同属于Bentley旗下软件，前者主要于厂房建模，含暖通、给排水、电气等专业以及轴网设计，建筑全信息建模；后者主要用于钢结构的柱、梁、楼板的参数化设计。

5.2设备建模

这是Openplant Modeler的主要功能之一。软件为设计者提供了专门用于设备建模功能，并提供了部分常见设备，如泵、罐、槽、热交换器、料仓等的参数化模型，见图3。通过这些内置的设备，设计者很方便的定义设备参数，输入设备尺寸，插入设备。同时软件也提供了自定义设备的强大功能，设计者可利用三维工具绘制设备，然后将其定义为设备并赋予属性。

但是较可惜的是，软件对冶金矿山行业所需用到的大部分设备模型，包括：破碎机、振动筛、球磨机、旋流器、浮选机、浓缩机、压滤机以及皮带、起重机等设备并没提供参数化的模型，需要设计者完成设备建模，见图4。由于矿山行业所用到的设备种类繁多，规格不一，因此设备模型库的建立是一个极其耗时的过程，需要长时间的积累。不过，软件支持参数化转换其它软件建立的三维模型，大大降低了初始设备建模阶段的工作量。

图3 软件提供的设备建模模块Fig.3 Device modeling module provided by the software

图4 圆锥破碎机模型Fig.4 Cone Crusher model

5.3连接件建模

通过轴网的定位将各设备布置在对应的位置，并完成设备管口方位布置后便可进行连接件的建模。连接件的建模包括2块：①是非标件：②是工艺管线。

非标件为除设备、管道外其他需要单独设计的部件，一般为各设备与设备之间联系的连接部件，由于连接的设备、方向和方式千差万别，因此较难制作成统一的模型，需根据实际情况设计。在冶金矿山工艺专业，主要的非标件有：格栅、漏斗、料槽、防护罩、部分操作平台、浮选泡沫槽、储矿设施等。此部分非标件的建模可运用设备建模完成。

工艺管线包括主工艺管线、次工艺管线、气动仪表管线、电动电缆线等绘制。由于Openplant PowerPID模块包含很多有ISA和ISO标准认证的图列以及一整套绘制管道和仪表的线型，所以能较快地完成图纸的绘制，见图5。

图5 颚式破碎机工艺布置Fig.5 Jaw crusher process layout

5.4碰撞检查

各专业完成模型建立后，项目策划者将文件统一到参考文件中，并根据组合后的模型，进行设备与厂房，设备与设备，设备与管道，管道与管道之间的碰撞以及安全距离的检查。在这里，各模型之间的安全距离可根据实际需要进行人工设定，计算机根据设定的数值，自动检测相关模型之间的安全距离，对不满足要求的地方，提出错误信息。

配合使用项目管理软件和多专业协同管理平台Projectwise，可直接在组合后的模型中修改各专业的设计。在修改过程中，运用PW的图纸参考关系以及图纸的变更管理，进行多专业文件级协同工作模式。同时通过bentley的Microstation核心技术之一的参考关系，各专业模型互相参考搭建整体的项目模型、来保证多专业的模型汇总成果。修改后的模型会直接反馈和传递到相关专业的设计图纸中，大大缩短了查找专业图纸以及反复修改的时间。

5.5图形转换

最终核实无误的图纸，需要将三维模型转换成平面布置图和立面图、管道图等现在常规使用的二维图纸。在文件转换时，由于三维设计时已赋予设备、管道等属性和参数，输出的二维图纸上能自动生成材料统计表。至此，整个项目完成了从三维建模到二维输出。某工程三维模型从整体到局部的布置形式，见图6～图9。

图6 某工程三维模型整体布局Fig.6 The overall layout of 3D model of a project

图7 局部放大图1Fig.7 Partial enlarged drawing 1

图8 局部放大图　2Fig.8 Partial enlarged drawing 2

图9 局部放大图　3Fig.9 Partial enlarged drawing 3

6　结 语

由于冶金行业的使用习惯以及要求等原因，国内三维设计普及率不高，仅个别大型设计院有部分从事三维设计的专业人才，但是三维设计在国外的运用表明，这是工程设计的发展方向。它具有的高效、实时、可视等特点能够大幅提高工作效率，完善成品质量，这必将成为未来工程设计的主流。

参考文献：

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［6］王毓华.三维图形在选矿厂设计中应用初探［J］.有色金属设计，1997，24（3）：11－15.

中图分类号：TB237

文献标识码：B

文章编号：1004－2660（2015）03－0009－08

收稿日期：2015－08－16.

作者简介：陶建利（1982－），男，湖南人，工程师.主要研究方向：选矿设计及选矿试验研究.

Process Layout Based on 3D Design

TAO Jian－li1，2，YU Jing3
（1.Changsha Institute of Mining Research，Changsha 410083，China；2.School of Minerals Processing and Bioengineering，Central South University，Changsha 410083，China；3.Guangzhou Junhe Information Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510030，China）

Abstract：This paper introduced several 3D design softwares in metallurgical industry and the application of OpenPlant developed by Bentley in engineering design was mainly explained.The application includes project organization，workshop modeling，equipment modeling，non－standard components modeling，collision detection，etc..And product output after modeling was briefly described.

Key words：3D design；design software；process layout；OpenPlant；metallurgical mine