火力发电厂多专业支吊架三维设计

綦学良， 李一波

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

近年来随着电力设计行业应用技术的快速发展、市场需求的高端化，基于三维平台构建的发电厂数字化设计体系日益完善，全专业领域、更规范、更精细的设计方式已逐步实现，成为行业发展的必然趋势[1]。以对用户开放代码的工厂三维设计管理系统(PDMS)软件开发为实例， 通过可编程逻辑语言(PML)和C语言进行用户自定制开发，具有针对性地汇编开发多专业支吊架三维设计工具，以提高发电厂管道支吊架设计的质量和效率。本文以迪拜HASSYAN 2×600 MW燃煤电站工程消防水管道支吊架三维设计为例，参考GJBT-630 03S402《室内管道支架及吊架》进行详细论述。

1 多专业支吊架三维设计

1.1 多专业化的必要性

管道支吊架设计主要包括支吊架选型、布置、材料量汇总和详图绘制。部分高参数管道的设计需要考虑应力、荷载计算。近年来在国内应用较为广泛的电厂高温、高压管道支吊架三维设计工具主要包括：路草支吊架设计软件(EHS)、PDMS组件式汽水管道支吊架三维辅助设计工具等。

由于电厂三维设计需要多专业集成于同一平台协同开展，所有参与其中的专业需要即时共享真实、准确的模型布置占位和碰撞信息。在进行热机专业的高参数管道支吊架三维设计同时，需考虑给排水专业、化学水处理专业、暖通专业、电气专业的消防管道、化学管道、通风风道、电缆桥架等支吊架设计，全专业精细化程度的提高是促使三维协同设计发挥优势作用的关键。

1.2 自定制代码框架

1.2.1 实体支吊架数据库对象类型

由于发电厂设计中各专业的管道、风道及桥架所参考的支吊架标准不同、形式多样，因此软件代码可对此进行统筹化处理。标准图集和规范均以软件后台数据库中的管道等级(SPEC)类型对象作为引用；不同形式的支吊架杆件以约束类模型(REST)对象作为模型存储主体，后台杆件数据库作为外形及连接点的数据支持。区别于单纯的数据库引用方式，用户可以将不同形式的支吊架模型预先建立在三维空间中，作为工具的模板引用。软件数据传递构架见图1 。其中，支吊架模板需要内置自动布置规则，同形式的同一个支吊架规格对应一个支吊架模板。存储模板的三级软件设计模块(DESI)型软件数据库应置于特定的数据库集合(MDB)中，通过用户在登录时选择数据库映射，防止模板模型与工程模型占位冲突。

图1 数据传递构架

1.2.2 通用的逻辑支吊点

在PDMS三维设计软件环境中，管道、风道及桥架皆属于分支类型的三维模型，在数据库中以分支元件按逻辑顺序排布的集合方式存储。这些隶属于不同专业、不同类型的分支模型具备一个共性，即通过逻辑支吊点(ATTA)与支吊架模型产生关联，以传递坐标、尺寸、支吊架编号等联动数据，避免支吊架模型成为独立存在的个体。兼顾支吊点模型在多专业支吊架三维设计中的通用性，应将其连接点尺寸定义为区别于常规元件的可变参数，并通过代码控制参数取值。

2 规范化的支吊架三维设计

规范化的设计是保证电厂三维设计过程中专业间顺利配合、上下游设计工作顺利衔接、设计成品数据安全维护的必要管控。

2.1 模型数据源

2.1.1 数据源的标准化引用

出于对多专业领域支吊架设计涵盖性的考虑，自定制工具的代码应具备接口灵活的特性，通过后台数据库记录的设计参数和模板模型记录的自动布置规则，能够快速收纳国内乃至国际发电工程设计项目所引用的支吊架设计标准。同时，这些设计参数和自动布置规则完全取材于设计标准，软件维护人员可以提取数据的方式对其进行校验。

2.1.2 数据源的唯一性

为保证数据的准确和完整，数据源唯一性是不可忽视的重要原则，通过支吊架三维设计工具实现的数据源继承体系也必须一脉相承。三维支吊架设计工具所引用的设计数据被记录在后台数据库中，通过自定制工具将支吊架的设计数据从后台数据库提取、传递给三维模型，再通过代码从上游模型设计成品中提取，传递给三维施工图，进行成品及数据的合并存储。通过共享三维模型及三维施工图中记录的设计数据完成多专业协同设计，包括：方案调整、变更等设计流程，最终完成三维设计成品。在这套体系中数据传输的起点由用户触发；而其传输过程完全由代码驱动，不受外界干扰；传输终点为直观的设计内容展示，如需对数据进行修改，必须从相应的数据源开始，排除由于误操作造成的错误。

2.2 模型属性设置

在电厂三维设计中，规范化的设计过程是保证数据正常维护、上下游工作衔接的关键，因此，自定制工具的开发应充分考虑设计成品的规范化程度。在管道、风道及桥架完全以发电厂标识系统编码(KKS)命名的理想情况下，自定制工具代码通过逻辑支吊点模型提取其所在分支的名称，并添加后缀作为支吊架模型的名称。而储存于支吊架模型描述属性(DESC)中的支吊架类型和number属性中的编号会自动合并传送给逻辑支吊点的元件库详细描述(STEXT)属性。

为保证模型的正常使用和维护，用户仅需在支吊架建模时进行选型和给定编号，便可以完成REST支吊架模型的规范化命名，同时将ATTA支吊点模型的STEXT属性赋值，用于下游轴侧图iso绘制工作的开展。

3 精细化的支吊架三维设计

电厂管道及桥架支吊架设计是精细化三维设计的重要组成部分，而支吊架模型的精细化程度决定了其作为优化空间布置的参考意义。

3.1 双层数据库引用体系

双层数据库引用可以简述为：模板模型读取杆件数据库信息，实体支吊架模型读取模板模型信息的递进式引用体系。之所以采用这个体系，是因为自定制工具开发需要同时兼顾多专业支吊架设计标准和单体支吊架杆件信息的提取与传递，即，模板数据库需要收纳丰富的多专业支吊架形式作为用户设计的素材，而杆件数据库则应记录单体杆件的尺寸信息，用以支持模型的空间占位。两个引用方式相结合才能实现用户从支吊架选型到布置设计完成准确、完整的三维设计成品。

3.2 参数化的支吊架杆件数据库

以给排水专业参考的GJBT-630 035402标准图集第42页双杆联合吊架的吊杆为例。吊架的吊杆杆件类型在软件中为支吊架吊杆模型(HELE)连接杆件类型。如果采用双头螺纹吊杆其吊杆模型的螺母及垫圈位置应随支吊架生根位置发生变化。由于吊杆总长度为定值，且吊杆两侧螺纹的长度有限，因此螺母及垫圈位置不能无限制沿吊杆轴向移动。

以双头螺纹吊杆的单螺母侧垫圈为例，其与双螺母侧垫圈的距离函数格式为：

PARA[2]-MIN 〔PARA[4]，ABS ( DESP[1])〕-MIN 〔PARA[3]，ABS ( DESP[2])〕

其中，MIN为最小值取值函数，ABS为绝对值取值函数；尺寸参数与吊杆尺寸变量在数据库中的对应管系见表1。

表1 数据库变量对照

由于单螺母侧的垫圈极限位置为垫圈脱扣时的位置，因此取螺纹长度和垫圈拧深中的较小值：MIN 〔PARA[4]，ABS ( DESP[1])〕，同理可以得出双螺母侧垫圈的位置：MIN 〔 PARA[3]，ABS ( DESP[2])〕 。ABS绝对值取值函数用于防止用户在输入垫圈拧深的位置参数时误操作录入负实数。

3.3 记录自动布置规则的支吊架模板库

杆件数据库保证了支吊架杆件模型的准确尺寸，而支吊架模板库则是将不同的杆件组合成一个标准的三维模型，并通过记录杆件自动布置规则确保用户引用支吊架模型时，各杆件能根据自己的尺寸和前后杆件的位置关系自动调整布置。

模板模型是存放在三维设计空间的真实模型，在设计过程中软件代码会拷贝这个模型到用户指定的位置，并根据模板中储存自动布置规则、用户输入的杆件尺寸和支吊架生根位置自动计算其实际尺寸、朝向。其模板模型至少存在2个自动布置规则，管箍定位和管箍朝向布置规则。其定位布置规则指定了当前管箍的位置应该与支吊架HANGER层的起始点位置相重合，该处也是管道逻辑支吊点ATTA的实际位置；而朝向布置规则指定了管箍模型的轴向X应与支吊架HANGER层的起点方向一致，该方向为管道模型内介质的流向，管箍模型的轴向Z方向为竖直向上，保证了管箍模型的螺母和垫圈与横担模型能顺利贴合。联合吊架模型见图2。

4 多专业支吊架三维设计高效性分析

多专业支吊架三维设计自定制开发的最优化效率源于支吊架模板和模型中的布置规则，这些规则将独立存在的支吊架杆件模型按用户的设计意向和杆件连接关系自动布置连接，大幅度提高了三维设计效率。例如，支吊架模板中的自动布置规则可以在用户选型阶段直接按给定的尺寸参数调整杆件之间的位置关系，无需用户手动定位杆件，至少提高布置建模效率的50%；支吊架模型从模板继承来的布置规则在用户调整支吊架布置时，可直接按用户重置的尺寸参数调整杆件及整体支吊架位置，至少将布置修改效率提高60%，因此，正确的设置自动布置规则，是支吊架三维设计的基础，也是提高设计效率的关键。

5 结束语

电厂三维设计的优势在于能客观、真实地反映布置设计过程中电厂空间的利用情况，而局部三维化的设计并不能完整地向用户反馈这一信息，因此，支吊架三维设计的过程必须考虑多专业涵盖性。用户自定制设计工具的接口灵活，通过标准引用体系、杆件数据库体系、模板引用制建模体系可以完成不同专业的支吊架三维设计。数据源的唯一性、规范化、高逻辑性的模型布置函数，则确保了支吊架三维模型能够精确地呈现空间占位，为发电厂三维设计空间优化提供了高效率、高质量的技术支持。

参考文献：

[1] 王坚. 火力发电厂布置设计精细化发展趋势[J]. 电力建设，2011，32(1):68-71.