Tekla Structures軟件在油氣田地面工程加工設(shè)計中的應(yīng)用

苗升

中石化勝利油建工程有限公司，山東東營257073

Tekla Structures軟件在油氣田地面工程加工設(shè)計中的應(yīng)用

苗升

中石化勝利油建工程有限公司，山東東營257073

為提高油氣田地面工程建設(shè)質(zhì)量和效率，工程詳細設(shè)計完成后進行加工設(shè)計十分必要。文章結(jié)合中石化勝利油建工程有限公司在伊朗和加納的油氣田地面工程項目，詳細介紹了應(yīng)用Tekla Structures軟件進行鋼結(jié)構(gòu)加工設(shè)計的優(yōu)越性和具體做法。該軟件能快捷、準確地創(chuàng)建結(jié)構(gòu)3D模型，且自動生成所需的圖紙和各種精確報表，便于發(fā)現(xiàn)加工設(shè)計中的問題從而進一步優(yōu)化設(shè)計，對節(jié)約工程成本和縮短工期具有重要意義。

質(zhì)量和效率；Tekla Structures軟件；3D建模；鋼結(jié)構(gòu)；油氣田地面工程；模塊化施工

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有可靠性高、自身強度高、自重輕、塑性韌性好、變形能力強、施工工期短等優(yōu)點，在油氣田地面工程中得到大量應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)常采取模塊化預(yù)制施工，即構(gòu)件在工廠預(yù)制成型，運抵施工現(xiàn)場后使用高強度螺栓組裝為最終的結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)模塊的詳細設(shè)計完成后進行工廠預(yù)制，加工設(shè)計是關(guān)鍵。在相當長的一段時間內(nèi)，國內(nèi)多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)的加工設(shè)計都是利用AutoCAD等軟件繪制圖紙和Excel等工具統(tǒng)計料表、計算重心等。這種方式要求設(shè)計人員具有豐富的經(jīng)驗和專業(yè)知識以及很強的立體抽象思維能力，工作量較大、工作效率較低，且容易產(chǎn)生錯誤。Tekla Structures作為鋼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計軟件，可以有效地解決這些問題。

本文結(jié)合中石化勝利油建工程有限公司（以下簡稱公司）在伊朗和加納的油氣田地面工程項目，詳細介紹Tekla Structures軟件在油氣田地面工程加工設(shè)計中的應(yīng)用。

1 Tekla Structures軟件簡介

Tekla Structures軟件是芬蘭Tekla公司開發(fā)的建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）軟件。BIM是以三維數(shù)字為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項目各種信息的工程數(shù)據(jù)模型。軟件全新的三維設(shè)計理念，將設(shè)計人員從傳統(tǒng)二維設(shè)計中解放出來，從整體、宏觀的角度去理解工程、參與工程，發(fā)現(xiàn)工程中潛在的問題，并提前解決問題。

設(shè)計人員應(yīng)首先理解詳設(shè)圖紙，然后應(yīng)用軟件創(chuàng)建結(jié)構(gòu)3D模型?；诖四Ｐ?，該軟件能夠自動生成所需樣式的圖紙，如整體布置圖、構(gòu)件圖、零件圖等，還能自動生成各種精確報表，如材料表、構(gòu)件表、零件表、螺栓表、焊縫清單、零件開孔清單等。所有圖紙和報表與3D模型緊密關(guān)聯(lián)，提高加工設(shè)計質(zhì)量和效率，為工程投標、材料采購、工廠預(yù)制等提供直接幫助，增強企業(yè)競爭力。

2 Tekla Structures軟件在實際油氣田地面工程中的應(yīng)用

公司在伊朗和加納油氣田地面工程中，已經(jīng)使用該軟件完成了1 700 t的鋼結(jié)構(gòu)加工設(shè)計任務(wù)，總計出圖5 000余張。本文結(jié)合其中的具體鋼結(jié)構(gòu)對Tekla Structures軟件的應(yīng)用進行闡述。

2.1 電纜架及其支座

建模之前按照相關(guān)標準，首先選擇工作環(huán)境，然后將數(shù)據(jù)庫補充完整，例如截面庫、螺栓庫、焊接庫等，可以根據(jù)實際需要手動添加，也可以整體輸入。例如，我國工作環(huán)境下需要歐標截面庫，那么可以在歐洲工作環(huán)境下輸出歐標截面庫，然后在我國工作環(huán)境下輸入歐標截面庫。圖1是建好的電纜架及其支座（cable rack-4）的3D模型，零部件可用不同的顏色加以區(qū)分。

框架搭建完畢后，重點是節(jié)點的建立。軟件中包含了600多個常用節(jié)點，將參數(shù)補充完整即可直接調(diào)用節(jié)點。但是參數(shù)的調(diào)整過程很復(fù)雜，所以常采用自定義用戶模式對變量進行參數(shù)化設(shè)置。以梁柱節(jié)點為例，變量進行參數(shù)化設(shè)置后，不管梁柱的截面如何變化，節(jié)點都可以直接應(yīng)用而不用修改。變量類型有兩種：距離變量和參數(shù)變量，距離變量將零件綁定在一起，是兩個平面之間或點與平面之間的距離；參數(shù)變量控制用戶單元中的所有其他屬性，如名稱、材料等級、螺栓尺寸等，同時也用于計算。圖2展示了模型中的幾類節(jié)點。為了直觀，可以將零件渲染為透明模式。

圖1 電纜架及其支座3D模型

圖2 節(jié)點3D展示

所有構(gòu)件在工廠內(nèi)預(yù)制，現(xiàn)場施工質(zhì)量取決于構(gòu)件預(yù)制水平，因此構(gòu)件制作的質(zhì)量和精度至關(guān)重要。軟件通過焊縫自動認定構(gòu)件，也可以手動添加或刪除構(gòu)件中的零件。出于圖紙畫面的需要，有些焊縫沒有必要標注，所以在構(gòu)件中手動添加或刪除零件很重要。圖3所示為梁構(gòu)件和電纜支架構(gòu)件，連接構(gòu)件的螺栓信息已包含在其中，那么其連接的另一個構(gòu)件只有孔的信息，螺栓表不會重復(fù)統(tǒng)計。軟件提供的3D模型將構(gòu)件的信息直觀展示出來，便于指導(dǎo)工廠預(yù)制和現(xiàn)場安裝。

圖3 單個構(gòu)件

圖4 梁構(gòu)件圖紙示例

圖4是對應(yīng)圖3梁構(gòu)件的圖紙，軟件直接將模型轉(zhuǎn)化成相對應(yīng)的構(gòu)件和零件圖，從立體到平面，打破了傳統(tǒng)的從平面到立體的模式，相比傳統(tǒng)的CAD出圖，其速度快、準確度高。構(gòu)件圖中每個零件都有定位尺寸和編號標注，右側(cè)有此構(gòu)件的材料表，工人依據(jù)此表領(lǐng)取零件，然后對照構(gòu)件圖直接“堆積木”即可，準確、快速，大大增加工作效率。圖紙布置還可以根據(jù)需要隨時調(diào)整，增加所需信息。根據(jù)圖紙的下部增加定位圖“key plan”，很容易確定該構(gòu)件在整個結(jié)構(gòu)中的位置。

Tekla Structures中圖紙信息通過“表格”表達，表格包含圖紙對象的信息，如圖4中的key plan和材料表都屬于表格。在模板編輯器中對表格進行編輯，以獲得需要的信息。綜合考慮識圖習(xí)慣和美學(xué)因素，表格可以插在圖紙任何合適的地方。

模型檢查無誤后，該軟件基于3D模型信息可自動生成各種報表，對項目投標、材料采購、工廠預(yù)制等整個項目流程進行集成和控制。

（1）項目投標。許多業(yè)主要求競標單位拿出整個工程的真實、形象的立體展示，Tekla Structures可以將整個工程的外形和構(gòu)造進行完美、準確的立體展示，顯示實際完工的模樣，幫助雙方更好地理解整個項目；通過模型，可以隨時滿足客戶的更改要求，提高客戶滿意度，更好地服務(wù)于客戶，使投標更有吸引力，贏得更多機會；模型建成后，通過生成報表，可以較為精確地評估成本、計算工程量、評估多個備選方案，減少人工錯誤。

（2）材料采購。材料采購周期直接影響鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制加工和現(xiàn)場的安裝進度，模型主體結(jié)構(gòu)建成后，即可以利用軟件中的清單功能生成材料清單，為材料采購爭取了時間，而且準確度高于人工統(tǒng)計的結(jié)果。

（3）工廠預(yù)制。表格、清單的使用貫徹于整個工廠預(yù)制過程中，預(yù)制之前出構(gòu)件詳單，讓生產(chǎn)車間了解生產(chǎn)任務(wù)，安排生產(chǎn)計劃；下料車間和加工車間根據(jù)零件清單領(lǐng)取材料進行加工；構(gòu)件表（見表1）對每個構(gòu)件的表面積和總面積都有統(tǒng)計，可以指導(dǎo)涂裝車間進行涂裝；構(gòu)件表中還包含構(gòu)件的體積和重量，可以提前策劃構(gòu)件的包裝和運輸，選取最優(yōu)方案。

表1 構(gòu)件表

2.2 其他類型鋼結(jié)構(gòu)

2.2.1 聯(lián)合站平臺

以伊朗雅達匯管一號平臺為例（如圖5所示），平臺有三層，構(gòu)件種類和數(shù)量繁多，有梁、柱、垂直支撐、水平支撐、欄桿、格柵板、橋架、樓梯、爬梯等9種共697個構(gòu)件，型材23種，節(jié)點140余種，總質(zhì)量116 t。

圖5 匯管一號平臺3D模型

圖6為該平臺幾種構(gòu)件的模型展示。樓梯和爬梯較為復(fù)雜，而且樓梯還有欄桿、格柵踏板等附屬結(jié)構(gòu)。詳設(shè)圖紙中標注了兩個踏板之間的水平和垂直距離，每段樓梯的角度不同，所以無法按照圖示距離進行工廠預(yù)制。3D建模及時發(fā)現(xiàn)詳設(shè)圖紙中的此類錯誤，與詳設(shè)單位溝通后根據(jù)實際情況進行了調(diào)整，使其更加完美。

2.2.2 廠房

圖7為加納項目天然氣早期處理設(shè)施的一個冷凝處理廠房，其為門式鋼架結(jié)構(gòu)。該廠房有梁、柱、垂直支撐、水平支撐、墻檁、頂檁、系桿、拉桿、波紋板等11種246個構(gòu)件，624個零件，型材9種。

該模型的廠房頂部不是水平面，如圖8（a）所示。Tekla Structures軟件能夠選取任何視圖平面，并將其作為工作平面進行建模，如圖8（b）所示，此處節(jié)點異常復(fù)雜，有梁、柱、墻檁、頂檁、系桿以及斜撐等零件。模型建成以后，通過肉眼觀察和軟件自帶的碰撞校核功能，找出了大量碰撞并修改。

圖6 匯管一號平臺構(gòu)件3D展示

圖7 冷凝處理廠房3D模型

3 存在問題及解決方案

（1）Tekla Structures軟件對計算機的硬件配置要求較高，建造較大模型時容易出現(xiàn)卡機、死機現(xiàn)象。對此，可以分段單人單機進行工作，檢查完畢后再合并和編號出圖；多用戶模式下，團隊成員不要擅自動用其他成員的模型，以免操作沖突丟失信息。

（2）圖紙生成后自動進行標注，尺寸標注往往顯得較為混亂，影響美觀和圖紙效果，因此后期需要人工進行部分調(diào)整。

（3）三維設(shè)計軟件直觀而且容易掌握，缺乏足夠理論知識和具體實踐經(jīng)驗的人員似乎也可以用它進行設(shè)計。然而軟件操作中看似小的失誤，到實際工程中往往被放大，給項目造成巨大損失，所以必須培養(yǎng)設(shè)計人員的基本能力和工程素養(yǎng)。

圖8 冷凝處理廠房局部3D展示

4 結(jié)論

（1）油氣田地面建設(shè)中鋼結(jié)構(gòu)的使用量非常大，作為施工企業(yè)，承建此類工程具有很大的市場潛力。但是鋼結(jié)構(gòu)種類繁多，節(jié)點復(fù)雜，單憑詳設(shè)圖紙進行建造比較困難；部分海外訂單中，設(shè)計單位提供的詳設(shè)圖紙只有結(jié)構(gòu)樣式和材料尺寸等，節(jié)點也需要參考各地區(qū)的標準，圖紙需要進行進一步加工設(shè)計。應(yīng)用Tekla Structures軟件可以快捷、準確地處理好這些問題。

（2）詳設(shè)圖紙的審圖工作量很大，需化費巨大的人力；而且碰撞等圖紙錯誤不易從二維圖紙中檢查出來，等到施工過程中暴露出問題，已造成費料費工的局面。Tekla Structures軟件3D建模的過程即是審圖的過程，能提早發(fā)現(xiàn)問題，糾正原設(shè)計圖紙中出現(xiàn)的失誤，優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約工程成本，縮短工期。

（3）模塊化施工是一種適應(yīng)新形勢的先進施工理念，大量引入模塊式作業(yè)，能夠極大地縮短工期，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。鋼結(jié)構(gòu)工程更加適合模塊化施工，Tekla Structures軟件在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的模塊化建設(shè)中有巨大的應(yīng)用空間。

[1]曹平周，朱召泉.鋼結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社，2007.

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中國石油形成海底管道抗屈曲和抗壓潰模型實驗技術(shù)

設(shè)立于中國石油集團海洋工程有限公司工程技術(shù)研究院的集團公司海洋工程重點實驗室，依托國家863項目“深海油氣輸運高強厚壁管材關(guān)鍵技術(shù)研究”，形成深水高壓環(huán)境下的海底管道的抗屈曲和抗壓潰模型實驗技術(shù)。

這項技術(shù)用于解決深水海底管道在鋪設(shè)過程中受到靜水壓力和彎矩聯(lián)合作用下的抗屈曲和抗壓潰實驗檢測。海洋工程重點實驗室技術(shù)人員通過管道有限元模型分析，建立缺陷和彎矩等效關(guān)系，確定缺陷尺寸，設(shè)計翻臂梁圓管裝卸車，優(yōu)化加壓循環(huán)流程，解決大尺寸小徑厚壁管道試件壓力艙彎矩難以施加、粗管徑尺和大重量管道試件安裝及固定難、壓力精確控制等技術(shù)問題，完成模擬1 500 m水深海洋環(huán)境下海底管道抗屈曲和抗壓潰等力學(xué)性能實驗研究，最終形成深水高壓環(huán)境下的海底管道抗屈曲和抗壓潰模型實驗技術(shù)。

中國石油集團海洋工程重點實驗室經(jīng)過4年多的良好運行，先后完成水下潛器、水下取樣儀器設(shè)備、海底管道和海底電纜等實驗研究，形成海工結(jié)構(gòu)物承壓、疲勞以及水密性檢測評價等技術(shù)，未來可為海洋油氣集輸用管制造企業(yè)提供檢測技術(shù)支持，同時也可推動我國深海油氣管道檢測及評價技術(shù)體系建設(shè)。

（本刊摘錄）

Application of Tekla Structures Software in Shop Design of Oil and Gas Oilfield Surface Engineering

Miao Sheng
Sinopec Petroleum Engineering&Construction ShengliCorporation，Dongying 257073，China

In order to improve the quality and efficiency of surface engineering construction of oil and gas fields，shop design is necessary after detailed design of engineering project.In this paper，the advantages and concrete methods of applying Tekla Structures software for shop design of steel structure are introduced in combination with the surface engineering projects undertaken by Sinopec Petroleum Engineering&Construction Shengli Corporation in Iran and Ghana.The software is capable to build 3D structural model quickly and accurately and create all needed drawings and report forms automatically.Problems in shop design can be found easily and then the further optimization design can be made.The application of the software has significance for saving project cost and shortening project construction period.

quality and efficiency；Tekla Structures software；3D modeling；steel structure；oil and gas field surface engineering；modular construction

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.013

苗升（1985-），男，山東淄博人，助理工程師，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事設(shè)計及設(shè)計管理工作。

2014-06-20；

2015-02-04