国内工程公司设备专业协同设计及自动出图的现状及发展趋势

刘 波，梁彩云，杨小林，任文文，刘 言

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

随着软件和信息技术的快速发展，国内许多石油化工类的工程公司都在进行数字化转型，以提升企业竞争力。数字化工厂是集三维模型、协同设计、数字化交付为一体，确保实现设计、采购、施工、调试和运维等工程全生命周期各个阶段的数据信息共享和协同[1]。其中，数字化交付已形成标准，由中石油、中石化集团的工程公司编制，住建部发布的GB/T 51296—2018《石油化工工程数字化交付标准》于2019年3月1日起实施。

在大部分工程公司中，管道专业是最先进行三维模型化、协同设计和数字化交付，其他专业(如工艺专业、电气仪表专业等)均有不同程度的参与，而设备专业参与程度较低。本文对国内部分石油化工类工程公司的设备专业参与协同设计和三维自动出图的现状进行调研分析，并对三维自动出图和协同设计的发展趋势进行了展望。

1 协同设计与数字化交付

1.1 数字化交付与协同设计的关系

就石油化工行业而言，企业都在推进智能工厂的建设，要求新工厂采用数字化形式交付，即物理工厂和数字工厂同步建设。若要物理工厂和数字化工厂同步建设，就必然不能缺少协同设计，只有整个设计周期在协同设计平台上进行，才能实现真正意义上的数字化交付。而目前，在实际项目执行中，由于建设方及承建方对数字化交付的理解不同，因而对数字化交付的内容、方式、阶段等产生分歧[2]。数字化交付与协同设计由于各种原因存在一定程度上的脱节，部分三维模型都是在设计完成之后再补充的。

1.2 协同设计与数字化交付平台

石油化工工程公司目前使用较多的协同设计和数字化交付平台主要有AVEVA PLANT和鹰图SMART PLANT。

其中，AVEVA PLANT主要包含以下模块：①AVEVA Diagram 智能PID绘制；②AVEVA Engineering 工艺设计及数据集成；③AVEVA PDMS 工厂三维布置设计；④AVEVA Electrical 电气系统设计；⑤AVEVA Instrumentation 仪表系统设计。

鹰图的Smart Plant主要包括以下模块：①Smart Plant PID智能PID绘制；②Smart Plant 3D工厂三维布置设计；③Smart Plant EL 电气仪表系统设计。

其中，PDMS(Plant Design Management System)是英国AVEVA公司开发的三维工厂设计系统。PDMS软件可以通过网络实现多专业的协同设计，针对专业特点划分为多个模块，其中，三维设计又包括设备、管道、结构、暖通、电缆桥架等不同模块，配管设计是PDMS软件的强项，而设备建模功能与专业的三维设计软件相比较弱[3]。

SP3D(Smart Plant 3D)是二十一世纪以来出现的相对先进的工厂设计处理软件系统，SP3D产品是由美国鹰图公司推出的SmartPlant系列中一个最新一代三维设计、面向数据库的软件，相对简化工程设计流程，并且能更有效地重复使用现有数据。

在实际项目执行过程中，一般是根据业主的要求选择相应的数字化交付平台PDMS或SP3D等，因此，工程公司对主流交付平台都需有足够的了解和掌握[4]。

1.3 设备专业协同设计与数字化交付的现状

设备专业的主要设计工作为压力容器设计，由于行业特殊性，绝大多数的压力容器设计为非标设计，无法像类似汽车行业一样使用常规的三维建模软件(SolidWorks、ProE等)进行设计，难以完成设备三维模型上设计协同平台。行业内主流压力容器设计方式仍然是专业强度计算软件与手动二维AutoCAD出图结合。而专业强度计算软件与设计协同平台的集成性差，无法直接用专业强度计算软件与设计协同平台进行集成。

因此，数字化交付中的设备三维模型通常是由管道专业三维建模组进行建模，但模型一般为简化模型，以圆筒、方盒、柱状等构件为主，精细度较低。如果业主对设备模型的精细度有更高的要求时,数字化交付应用就难以实现。

随着压力容器行业的发展，涌现了如中国五环工程有限公司、中石化洛阳工程有限公司、山东山大华天软件有限公司(XVessel)、Bentley软件公司(AutoPIPE Vessel)和南京旭宸皓峰信息科技有限公司(3D-PVAD)等一些前瞻性强的工程公司和软件公司，致力于压力容器强度计算、三维自动出图和协同设计的集成解决方案。

1.4 协同设计存在的问题和对策

目前，山东山大华天软件有限公司、Bentley软件公司和南京旭宸皓峰信息科技有限公司三家软件公司提供的三维模型在一定程度上可以参与协同设计，但仍存在一些问题。

(1)设备三维模型的精度可以满足要求，但模型为一个整体的块，缺少属性信息，比如接管法兰等级、密封面形式等配管信息。

上述问题出现的主要原因是PDMS或Smart Plant 3D平台的软件商接口并未打通，造成了部分信息无法提取。

对数字化交付模型精度要求不高的业主，建议由专业软件商或工程公司二次开发程序，用于提取三维模型文件中的部分关键数据，并导入到PDMS或Smart Plant 3D中进行快速建模，这样既可进行协同设计，又可以完成数字化交付。

对于某些业主要求提供精确的设备模型，建议在已完成的PDMS或Smart Plant 3D简化设备模型的基础上，将精确的设备模型替换简单模型，同时保留管口属性信息。

上述对策仅是短期过渡，最终还是要打通软件商的接口问题，这样既可以进行协同设计，又可以交付精确模型。

(2)三维模型占用储存空间较大，会增大计算机硬件需求。对于三维模型占用空间大的问题，需要依靠专业软件商针对协同设计和数字化交付提供轻量化模型，将其中关于计算或出图等的相关信息进行删减。

2 自动出图

就设备专业内部而言，手动二维Auto CAD出图方式效率较低，越来越无法满足项目进度要求。对普通设计人员而言，用于绘图的时间占比较大，而用于从事设计计算、材料选择、结构设计等技术含量较高的工作时间则较为有限。

近些年，在压力容器三维自动出图方面，中国五环工程有限公司和中石化洛阳工程有限公司都是推行得较早的工程公司。经考察，三维自动出图可较大幅度提高设备专业出图效率，目前主要有3种集成解决方案。

2.1 AutoPIPE Vessel集成解决方案

该软件属于Bentley软件公司，是集设计计算、三维建模、自动出图三项功能于一体的软件。APV可以设计压力容器、管壳式换热器、空冷器、锅炉和储罐等。在功能方面，APV 拥有设计压力容器所需全球范围内的标准规范，可以创建设备模型并对荷载加以分析，自动生成设备计算书，自动出装配图，进行造价估算，与工艺仿真模拟软件(如HTRI)进行数据交互，模型可导入SP3D。软件模型示意见图1，自动生成图纸示意见图2。

图1 AutoPipe Vessel软件模型示意

图2 AutoPipe Vessel软件生成图纸示意

目前，中国五环工程有限公司部分国外项目正在采用该软件进行压力容器设计和三维自动出图。

该解决方案有如下优点：①设计计算、三维建模、自动出图三项功能于一体，避免了不同软件之间的转换与重复输入；②模型全面，含压力容器、管壳式换热器、储罐等常用设备的模型；③国外标准规范全面，如ASME VIII-1/2，PD5500，EN13445，AD Merkblatter，CODAP，GOST R 52857等规范；④将出图定制模块开放给用户，例如各种表格、图形摆放位置等可根据需求自行定制。

该方案有如下缺点：①目前国内标准仅有GB/T 150和GB/T 151，缺少支座、容器法兰等零部件标准，难以在国内项目上推广应用；②虽然图纸定制模块开放，但仅限于其软件提供的部分，对于图形本身并不提供二次开发，因此图形的表达无法完全满足需求，需要手工修改。针对该缺点，中国五环工程有限公司从2018年开始就与Bentley软件公司进行合作，逐渐解决图形表达不完善方面的问题。

2.2 PVdesktop+XVessel集成解决方案

PVdesktop由中石化洛阳工程公司主导开发，经石化中心站发布，经容标委认证，广泛应用于石化系统设计院，涵盖了石油化工行业中塔器、容器、管壳式热交换器等设备及受压元件的计算，大量的测试结果表明，该软件计算结果可靠、运行稳定。标准涵盖GB/T 150《压力容器》、GB/T 151《热交换器》、NB/T 47041《塔式容器》等国家标准及行业标准，并加入了ASME Ⅷ-1/Ⅷ-2设计计算标准。

XVessel是中石化洛阳工程公司与华天软件合作开发的，基于自主三维CAD 软件SINOVATION 定制研发的高效专业的石化静设备三维设计系统，提供石油化工容器的参数化、模块化向导式设计、一键出图、自动统计等功能。该软件模型和图纸分别见图3、图4。

图3 XVessel软件模型示意

图4 XVessel软件生成图纸示意

目前，中石化洛阳工程公司将该解决方案应用于压力容器设计及三维自动出图。

该解决方案有如下优点：①PVdesktop+Xvessel之间高度结合，采用PVdesktop进行设计计算后，数据可直接导入XVessel，自动生成三维模型，对部分信息完善后可直接生成二维CAD图纸；②自动生成的图纸是基于中石化洛阳工程公司标准图签和模板图等作业指导书进行深度定制，可有效满足特定用户需求。

该方案的缺点如下：①目前仅提供塔器、立式容器和卧式容器模型出图，暂无管壳式热交换器模型；②国外标准较少，一般用于国内项目；③由于图纸定制并未开放，需要依赖华天软件，费用不低。

2.3 SW6/PVElite+SPVD集成解决方案

SW6过程设备强度计算软件由全国化工设备设计技术中心站发布，经容标委认证。该软件为在国内化工行业使用广泛，并得到验证的压力容器强度设计软件，覆盖国内GB/T 150《压力容器》、GB/T 151《热交换器》、NB/T47041《塔式容器》等国家标准及行业标准[5]。

PV Elite是鹰图公司开发的压力容器设计软件，主要提供国外ASME VIII-1/2，PD5500，EN13445的强度设计，特别是在ASME规范设计上，其市场占有率较高。

SPVAD软件是由南京旭宸皓峰信息科技有限公司基于INVENTOR或Solidworks三维软件进行二次开发的三维压力容器辅助设计软件。该软件无计算模块，在三维软件INVENTOR或Solidworks中进行导向性建模，涵盖了卧式设备、立式设备、换热器等，可创建设备主体(封头、筒体、锥体、设备法兰、裙座、膨胀节等)及外部附件(接管、支座、吊柱与吊耳等)的三维模型。标准件的数据库较为完善(基于国内标准创建)，可导出二维图纸和材料表。该软件模型见图5。

图5 3DPVAD模型示意

3DPVAD由于并无强度计算模块，因此，通过提取SW6或PV Elite软件计算结果进行建模，目前，已开发完成PV Elite数据提取流程，SW6数据提取流程仍在开发过程中。

该方案的优点如下：①降低了学习成本，SW6或PV Elite软件属于行业内通用的软件，一般设备专业工程师均已掌握；②3DPVAD是基于通用三维软件INVENTOR或Solidworks二次开发，用户可在向导设计后，添加一些非标准件，如一些内件或外部附件等。

该方案的缺点如下：①目前，已开发完成的PV Elite数据提取流程并未得到广泛的测试，且国内标准强度计算软件SW6数据提取流程还未开发成功；②出图功能还处于比较初级的程度，标注、管口符号、件号和各种数据表格暂时无法自动生成，还需要后期较大的修改和完善。

3 结语

(1)协同设计和数字化交付的发展是行业发展的必然趋势，各设计专业都在逐步融入其中，设备专业模型进入平台时面临的问题，可通过本文中的几种建议方法暂时替代，但最终还是需要打通平台(如PDMS或Smart Plant 3D)接口，让设备专业采用的三维设计软件能够更方便准确地进入平台，完成协同设计和数字化交付。

(2)在三维自动化出图方面，介绍了目前市面上3种可行的解决方案并分析其优缺点，笔者认为，三维自动出图的开发必须依靠工程公司和软件公司的紧密合作，才能真正发挥出生命力，而目前的解决方案还都不够完善，三维自动化出图想要在行业内大面积推广还需要解决如下问题：①标准规范全面，包含国内外，或打通软件之间的接口；②出图模板定制需要有足够的开发程度，以利于软件的推广和降低开发费用；③工程公司需要大力支持这方面的开创性工作。