创新思维，助力企业快速发展--浅析三维工厂设计软件Autocad Plant 3D在项目设计中的应用和特点

                                        创新思维，助力企业快速发展
                        ---浅析三维工厂设计软件Autocad Plant 3D的特点及优势
                        （兖矿国宏化工有限责任公司，山东邹城 273512）
                                                        李仕超
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        摘要：介绍了三维工厂设计软件在国内外的发展情况，重点对Autocad Plant 3D软件的特点和优势进行了介绍，同时阐述了未来工厂设计的发展趋势以及对于助力企业高效快速发展的重要意义。
        关键词：三维工厂设计；Autocad Plant 3D；工厂；应用
        1 前言
        目前，随着科学技术的进步和人类思想认识的逐步提升，新兴的设计手段已越来越广泛的应用于石油、化工、机械和电子等各行各业，其中的三维软件更是如雨后春笋搬纷纷发展，它们以自身固有的直观、高效、精准和简捷的优势得到了业主和设计院的推崇。传统的项目设计大多使用二维AutodCAD完成工厂设计，无法直观、精准的反映出工厂布局和设备、厂房和管道布置情况，工作效率低下，设计周期冗长繁琐，而且非常容易出错，修改起来比较麻烦，已经越来越不能适应社会的快速发展，三维工厂系统设计软件的出现使得这些难题迎刃而解。目前在国内设计院和石化工厂使用较多的三维工厂设计软件有PDS、PDMS、Autoplant 3D、CADWorks和Autocad Plant 3D等，在中小型工厂项目设计中，尤以Autocad Plant 3D(以下简称P3D)发展最为迅猛，得到了设计院和业主的青睐。
        2 三维软件特点简介
        Autocad Plant 3D是由欧特克公司开发的新兴工厂三维系统设计软件，采用MS SQL lite大型关系数据库，软件包含了P&ID、plant 3d、cad等部分，自带了完整的以欧洲标准、美洲标准和中国国标开发的三维元件库，涵盖了从钢结构、土建、支架、设备、管道，到各种尺寸和压力等级的法兰、垫片、螺栓、螺母、三通、弯头、阀门、过滤器等管件，同时还可以根据项目需要自行添加各式各样的规格表，软件具有的特点有如下几个方面：
        2.1 精准显示工厂布置情况，与Auto CAD无缝衔接
        P3D是欧特克公司基于自家AutoCAD平台开发的三维工厂软件，能与CAD实现无缝衔接，文件本身就以DWD格式进行存储，操作命令和CAD全兼容，可随时切换到CAD工作空间进行操作。与其他三维软件一样，能精准的100%、1：1比例完美呈现工厂建成后的全貌，即能宏观的显示工厂总体布局，又能微观的展示小到一个阀门、一个管托，能在工厂建成前预先知道工厂情况，及时纠正在设计中的不合理情况，比如阀门位置、设备布置中的不方便工艺操作和检修情况。图1~图3为笔者使用P3D完成的已建项目精馏工段的三维工厂模型。 

                                                     图1

                                                     图2

图3

        2.2 简化设计，提高工作效率，节约成本 
       P3D培训和项目启动的时间都很短，并不需要昂贵的服务器和数据库系统，一般PC机均可运行，适合大中小型设计院和企业公司。P3D的等级驱动技术和现代化的界面，使得建模和管道，设备，结构支架的编辑直接在工作空间中以三维形式进行，以及其他工厂管件更加简单，易用，比传统的AutoCAD二维平面设计提高工作效率成百倍，完成精确的材料统计汇总，减少错误和漏项，节省投资。不用像CAD那样要考虑每个楼层、每个设备间影响，减少了繁琐的中间计算、考虑环节，即使需要进行修改，也能在较短的时间完成。同时在项目设计时，和Autodesk Navisworks无缝集成，完成设计检视，渲染和管道碰撞检查等工作。
        仅仅使用几个简单的命令即可在短时间内实现精确的材料清单和报表生成，有效的避免了传统人工统计导致的10%错误。同时还能全自动生成符合国际和行业标准的ISO单线图、管道平面立面图、施工图等，直接共享给整个项目团队。便携式的 P3D的DWG文件可以被其他专业的工程师直接用AutoCAD打开，查阅。这些将极大的提高设计效率，节约成本，缩短设计周期，赢得宝贵的市场先机。图4为笔者生成的ISO单线图。
        其开放性的数据接口，可将三维模型和管道数据直接输出到类似于应力分析，或者管段预制等其他软件中，进行应力分析和工程管理施工，提升设计的严谨性和安全性，如CAESAR Ⅱ。 

                                                            图4

      

        2.3 在项目信息管理系统中的应用
        不论对于EPC还是其他方式承包的项目，首先，基于三维实体建模的技术方案涵盖了全面的项目技术信息，由于设计效率的提高而能进入信息管理系统，并能随着项目不断进展而提供实时动态资料，其不断扩充的各类数据库甚至能提供超出本项目所涉范围的技术信息，供项目管理者作对比。其次，软件自身能以项目为单位进行统一合理编码，按专业分区分类别布置，且对外部软件具有良好的包容性和便捷的输出接口，比较容易融入项目管理信息系统，只要设定了访问权限限制，可以方便快捷地取用所需技术图纸资料和各种报表以及保密控制。
         2.4 在工程造价管理中的应用
        以P3D格式存放的已竣工或在建工程与拟建工程结构特征和设计内容一致的类似工程预算资料可以为项目前期工程经济评价提供直观的准备的参考依据，使将已竣工工程造价依据数据源自动成为其他相关工程造价应用的数据源成为可能。
        P3D三维实体建模设计方式与传统二维方式相比，在设计阶段可节约时间和金钱达60%以上，实体建模完成后，其分部工程也相应确定，可同时产生各类元件、设备、材料的统计报告，直接为确定工程量清单提供了明确的依据。
        P3D增强了项目管理功能，加强了对设计系统的动态控制，能产生各种图纸和数据库修改的历史报告，这就为解决工程造价软件能编制工程（预）决算而缺乏审核功能难题提供了条件。
        P3D的开发性使得可以通过网络技术将工程建设各参与方有机练习起来，共同对项目的工程造价进行有效控制，充分发挥网络具有的资源共享、信息传递、互动交流的优势，通过监督和制约措施，遏制工程“概算超估算、预算超概算、结算超预算”现象，在P3D基础上形成和应用动态造价信息系统。
        2.5 在施工过程和竣工后运营中的应用
        P3D将项目施工中所需的技术信息明晰化，精确化，从而具体、形象、全名反映工程项目的全貌。其建模特征的可拓展性，使工程各个专业的施工管理可不断深化延展。尤其是P3D为项目竣工保留的三维技术资料，从一个入口进入，可以方便直观的查询任何一个原件、设备等的相关资料，极大的便利了项目运行后的维护。
        2.6 方便运营后的技术改造和革新，提升企业技术管理水平
        用P3D设计完成的项目，利用保留的技术资料，可直接进行便捷的管道改造，采用最优设计方案，进行工艺变更，设备增加等等技术改造，而不需要像传统的CAD二维设计一样，绘制多幅图纸，也不会出现材质、阀门等的选择和材料统计错误。改造后自动生成的材料清单能最大程度的接近真实施工所需数量，减少了材料浪费，对运营后生产、检修成本起到了非常好的控制作用。
        对于企业今后的快速高效发展，成立自己的技术中心，拓展新工艺、新产品都将起到非常大的推动作用。
        同时P3D拥有强大的数据库功能，使用现在应用最为广泛的ms sql关系数据库，能快速完成项目各类阀门、压力管道统计、汇总和分类，形成各种工艺技术管理台帐，夯实企业基础管理水平。
        还能针对工厂计划检修和各类应急检修，快速、高效、精准的形成工艺处理方案，为检修的安全提供可靠的技术依托和保障。
        2.7 方便员工培训，缩减培训成本，革新培训方式
        对于业主及工厂运行者来说，尽管为自动化进行了大量投资，运行效率仍然受制于现场工作人员的能力。大部分的设施运行都不能避免一些无法自动化，需要人员参与的人工操作。因此，对人员培训进行投资，对于资产的运行能力至关重要，这能够直接加强执行力，提高效率，降低事故率和停工率，从而在人员投资中得到高回报。由于P3D能真实的呈现工厂全貌，与Autodesk Navisworks或Walkinside结合使用，形成一个三维虚拟工厂。
        目前，流程工业中经验丰富的人员日益稀缺，因此三维虚拟工厂作为对现场工作人员进行高仿真培训的理想环境，能够实现诸多功能：包括熟悉现场环境，了解设备位置；培养现场操作人员和控制室操作人员之间的协作沟通能力；提高常规运行、维护功能的操作技能；演练中/高紧急状态下的安全应急程序。
        在真实的运行环境下进行培训，就一定要在极短时间内安全地解决各种问题，成本高昂，费时费力，而且运行过程中经常有各种不可预计的因素干扰，从而影响现场培训的开展。
        因此三维虚拟工厂模型是现场工作人员的培训的理想环境，工作人员可以在三维模型中演练常规运行操作，也可以训练他们在模拟的紧急情况下做出最佳反应的能力。在Walkinside ITS中，运行人员完全被带入到高仿真的环境中，该程序还支持多角色互动，能够训练团队协作及沟通能力。为了增加培训的真实感，每个虚拟工厂环境中的三维模型都带有现实工厂中的全部细节属性，包括来自于CAD数据和实景照片上的颜色和质地。真实环境中的音效和警笛声更加完善了ITS的真实感，各种安全标志能够加强安全培训的效果。能够设定程序在VR模型中添加三维对象，以标记人员撤离路线和应急、消防设施。逃生路线以实际长度显示，方便进行人员撤离演练。
        Walkinside主要是围绕方案编辑器的功能，该功能主要通过视觉编辑器来实现，能够定制用户的特殊运行状况。使用这一编辑器程序，培训指导员就能够通过多种培训选项来设计现实或虚拟工作流程。在流程执行过程中，可以使用带秒表计时功能的组件来实时监督每一名培训学员的进度情况。在培训过程中，培训指导员还可以通过随时改变环境状况，加入突发事件或封堵通道来增加真实感。每次培训结束后，计时组件都能自动生成评价每一名运行人员表现的分数卡。使用Walkinside曲线编辑功能，指导员能够在模型中设计、储存多个模拟现场运行人员职责的三维路径，为培训做好准备；还可以对现场活动进行安排和监督，比如设施检查、维护，以及对预先设立的工作流程程序进行培训和安全检查。这类路径可以用模型内的飞行动画方式来播放。
        使用Walkinside可以对作业程序进行测试及优化，而且可以就日常工作职责对运行人员进行长期反复培训。使用这种环境模拟工具，工厂运行团队能够通过远程方式，或在同一间培训室中参加同一个培训课程，分工协作，分享经验，这样能够方便新手从老手身上学习知识和经验。在厂区外工作的运行人员和其它运行团队成员也可以使用这种模拟程序来提高其它资产管理、运行活动的水平。
         所有的能够现场操作的组件（阀门、测量仪器、观察镜等）都能以动态的方式链接到流程模拟程序中，这样在三维培训模拟程序中转动阀门，就会在流程模拟程序中出现流量升高或降低的显示。用户可以在三维模型中走到手动阀门处将其关闭，动态流程模型就会自动做出反应，阻止流体通过阀门。阀门中变化的结果将会实时的显示在流程模拟程序的动态管道仪表图（P&ID）中，并且在三维环境中的也会更新动态面板。这样的集成一体的工具不仅能够进行常规工厂运行训练，还能帮助提高员工技能，降低由于长期不使用造成技能生疏的风险，比如紧急停工等与安全攸关的任务。
        3 结语
        根据笔者自己的业余学习情况，能在几天时间内依靠自己完全的还原一个化工单元的三维工厂模型，可以在短时间内甚至1个小时内生成准确度超过设计院人工统计的材料表、施工图、单线图和设备管道布置图，相信如果能有一个团队分工合作，将能以超过常规上十倍乃至上百倍的速度完成一个工厂的设计。
        综上所述，三维工厂设计软件拥有众多的优点和优势，工厂设计进入三维化是现今的发展趋势，也是企业发展的一种高度创新和方式，无论对于设计院、工程公司，还是业主，极早引入三维工厂设计软件，都能提升工作效率，降低投资成本，为企业快速发展，获得经济效益赢得先机。

        作者简介：李仕超 男，四川宜宾人，化工工程师，中国矿业大学化工工艺专业毕业，天津大学在读工程硕士，参与筹建了50万吨/年甲醇项目德士古加压气化装置，曾任技术部副部长，负责全厂工艺技术、生产和环保节能管理，沥青车间副主任。
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