CADWorx在小型化工EPC項目中的應(yīng)用

濮宇凌

(杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

CADWorx在小型化工EPC項目中的應(yīng)用

濮宇凌

(杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

概述了應(yīng)用三維工廠設(shè)計軟件的必要性和不同軟件的比較。著重介紹CADWorx在某硫化氫提濃EPC項目中的應(yīng)用，包括設(shè)備建模、碰撞檢查、材料管理、模擬培訓等工作，體現(xiàn)了該軟件對EPC總承包項目的重要作用。同時，筆者提出一些深入應(yīng)用的前景，供類似項目參考。

CADWorx 三維工廠設(shè)計 EPC項目

近年來，在建設(shè)主管部門的大力推廣下，EPC(設(shè)計采購施工)工程總承包發(fā)展十分迅速，已成為工程承包的主要實施模式。采用EPC承發(fā)包方式和傳統(tǒng)的設(shè)計、施工分開承發(fā)包相比具有許多優(yōu)勢：比如更有利于建設(shè)責任的追索；更有利于實現(xiàn)設(shè)計、采購、施工、試運行等各階段工作的深度融合，提高工程建設(shè)效率，優(yōu)化工程建設(shè)周期等等。在EPC工程總承包模式下，設(shè)計在整個工程建設(shè)過程中占主導地位，在設(shè)計時就考慮采購和施工，提高設(shè)計的可建造性。這也促使各專業(yè)設(shè)計人員在設(shè)計中逐漸引入先進的設(shè)計軟件。對化工項目而言，在詳細設(shè)計時采用三維工廠設(shè)計軟件是有效提高設(shè)計和工程質(zhì)量、有效控制項目成本、適應(yīng)EPC工程總承包模式的必由之路。

1 三維工廠設(shè)計軟件應(yīng)用的必要性

隨著工程復雜程度提高，計算機和互聯(lián)網(wǎng)的普及，新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)深度融合，引發(fā)影響深遠的產(chǎn)業(yè)變革，形成新的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)。對工程建設(shè)領(lǐng)域來說，三維技術(shù)的應(yīng)用、數(shù)字化交付的推進，使得勘察設(shè)計進入一個新的時代，EPC工程總承包企業(yè)可以借力信息化建設(shè)，促進設(shè)計、采購、施工等各階段工作的深度融合，實現(xiàn)技術(shù)、人力、資金和管理資源的高效配置，提高工程建設(shè)效率和水平。這就要求設(shè)計文件不能停留在以往的用2D方式呈現(xiàn)設(shè)計文件，而是要具備可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性等特點。而三維工廠設(shè)計軟件可以把擬建設(shè)工廠的所有元素以三維立體的形式呈現(xiàn)出來，形成一個完整直觀的虛擬工廠，提高設(shè)計過程的人機界面友好程度和設(shè)計成果的可視化效果，提升設(shè)計工作的數(shù)字化程度，大大提高EPC項目的運行效率和準確性。但是，當前國內(nèi)比較普遍的情況是：三維軟件在大型化工項目中的應(yīng)用已非常普遍，建設(shè)單位甚至會在合同中明確要求采用某個三維軟件；但當項目的規(guī)模較小時，設(shè)計人員通常仍按傳統(tǒng)設(shè)計方法與習慣，采用非智能CAD工具完成。事實上對于EPC項目而言，工程質(zhì)量、成本、進度的控制并不會受限于項目規(guī)模的大小[1]。碰撞檢查、精確的材料清單、自動單線圖、雙向鏈接分析等應(yīng)適用于所有項目。

2 不同三維工廠設(shè)計軟件的選擇和CADWorx的優(yōu)勢

因為國內(nèi)工程建設(shè)行業(yè)的高速發(fā)展，目前在國內(nèi)有應(yīng)用的三維工廠設(shè)計軟件多達十余種，絕大部分為國外公司研發(fā)。其中應(yīng)用比較廣泛的有：美國Intergraph公司的PDS、Smartplant3D、CADWorx；美國Autodesk公司的AutoCADPlant3D；英國AVEVA公司的PDMS[2]；美國Bentley公司的Bentley PlantWise、AutoPLANT等。此外還有國內(nèi)公司開發(fā)的SPDA,PDSOFT等。每款軟件各有優(yōu)劣，需要根據(jù)公司情況和項目特點具體選擇。

AutoPLANT和PDS屬于老一代的三維設(shè)計軟件，紅極一時，但目前均已停止更新。PDMS和SmartPlant 3D則是目前的兩個領(lǐng)軍軟件。其中PDMS在國內(nèi)市場占有率很高，適合大中型項目。CADWorx是美國 Intergraph公司開發(fā)的基于AutoCAD平臺的產(chǎn)品，采用參數(shù)化繪圖，模型由2部分組成：1部分是dwg格式的模型文件，1部分是項目數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫文件和模型文件關(guān)聯(lián)，可以做到自動更新。軟件帶有國標Catalog，容易上手，兼具靈活性和便捷性，性價比較高，目前在國內(nèi)中小項目上的應(yīng)用很廣。

考慮到CADWorx三維工廠設(shè)計軟件發(fā)展較早，技術(shù)成熟，在國內(nèi)占有較大的市場份額，成功應(yīng)用的案例很多。它在國內(nèi)的代理公司——北京市艾思弗計算機技術(shù)有限責任公司，是一家專門從事軟件代理及技術(shù)服務(wù)的專業(yè)公司，成立多年，它的培訓和支持服務(wù)在業(yè)內(nèi)有良好的口碑。再結(jié)合產(chǎn)品的采購、運行、培訓等費用，從項目的投資回報率來看，CADWorx無疑是中小型項目開展三維工廠設(shè)計的首選。該軟件三維模型設(shè)計在計算機上可動態(tài)、直觀地展示出工廠或單元裝置建成后的實際情景；還可自檢并發(fā)現(xiàn)模型設(shè)計中的錯、漏、碰、缺，以保證設(shè)計質(zhì)量，有利于業(yè)主更客觀、準確地作出決策，有利于施工控制及生產(chǎn)維護；此外還實現(xiàn)了3D管道模型與管道應(yīng)力分析之間的雙向可接。比如在某硫化氫提濃項目中的應(yīng)用，就很好的體現(xiàn)了CADWorx的信息化、數(shù)字化優(yōu)勢。

3 CADWorx在某小型EPC項目中的應(yīng)用

某硫化氫提濃建設(shè)項目，以上游裝置產(chǎn)生的含硫化氫酸氣作為原料氣，以低溫精餾分離法作為主要工藝，設(shè)計處理能力為～3000Nm3/h，并配套建設(shè)氨蒸發(fā)制冷系統(tǒng)。該工藝的主要缺點是設(shè)備較多，為了節(jié)約用地，使整體布局緊湊，占地面積小，采用低溫冷箱形式將相關(guān)的換熱器、氣液分離器、精餾塔等設(shè)備組合到一起。該項目采用EPC總承包模式，考慮到項目建設(shè)周期、設(shè)計深度等因素，決定選用CADWorx三維工廠設(shè)計軟件進行設(shè)計。

3.1 利用Equipment和Box模塊搭建冷箱模型

本項目所用冷箱上不同規(guī)格工藝管口多達50余個，儀表管口多達20余個，且主要集中在某些區(qū)域。比如在EL+3700平臺上，就集中布置了12個各種規(guī)格管口，部分管口中心距不足400 mm。這就導致現(xiàn)場施工時施工單位自主調(diào)節(jié)的裕量很小，要求設(shè)計文件盡可能準確。利用CADWorx的Equipment模塊，可以準確定義管口的各項參數(shù)，精確定位管口位置，真實反映管口形式和尺寸。

但Equipment模塊不足之處在于采用的是參數(shù)化模型拼接與調(diào)整尺寸模式，對難以簡單參數(shù)化的設(shè)備支持不好，用該模塊對冷箱建模較為繁瑣。事實上對于冷箱而言，在工程設(shè)計時，真正用到的往往是設(shè)備的極限尺寸和管口信息，對于設(shè)備局部結(jié)構(gòu)的詳細尺寸關(guān)注不多，在建模時可以做適當簡化。因此，考慮到該冷箱整體上近似為長方體，故模型以細長型長方體+多層操作平臺呈現(xiàn)。利用CADWorx的Equipment模塊結(jié)合AutoCAD的Box模塊，可以快速準確的建立冷箱三維模型，為后續(xù)高質(zhì)量配管工作打下堅實的基礎(chǔ)。

3.2 利用ClashView模塊檢查碰撞

本項目采用的冷箱較小，水平方向長和寬均不足4m，高39m，冷箱上不同規(guī)格工藝管口眾多，并且主要集中在冷箱正面，而冷箱操作平臺僅有1.2m寬。這就導致操作平臺上的管線數(shù)量眾多，互相穿插，布置錯綜復雜，設(shè)計中極易出現(xiàn)碰撞。如果采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計方式，依靠設(shè)計、校核人員目視和空間想象檢查碰撞，無疑是低效的，而且會有遺漏。三維設(shè)計的一大優(yōu)勢在于可以讓工程師在計算機里完成模擬施工，提早發(fā)現(xiàn)錯誤，使項目施工過程中出現(xiàn)的碰撞問題能在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)并得到解決。CADWorx提供了強大的碰撞檢測模塊——Clash View，能夠快速準確檢測出內(nèi)部實體模型的干涉碰撞及不連續(xù)等，保證模型的準確性。通過設(shè)置碰撞檢測規(guī)則，可以實現(xiàn)管道與管道、管道與設(shè)備、管道與建筑結(jié)構(gòu)等專業(yè)之間的碰撞檢測。

圖1 冷箱三維模型Fig 1 Cold Box 3D Model

除了三維模型中各實體的碰撞外，實際現(xiàn)場施工時，很多碰撞往往出現(xiàn)在管道和設(shè)備絕熱施工時，即管道本身沒有與其它實體發(fā)生碰撞，但管道的絕熱層與其它實體發(fā)生碰撞?，F(xiàn)場施工碰到此類問題時，會非常頭疼，因為在進行絕熱施工時，管道的安裝、試壓、吹掃均已完成，施工已經(jīng)接近尾聲，調(diào)整管線的成本高昂。而二維設(shè)計又很難發(fā)現(xiàn)此類問題。CADWorx自帶Insulation View模塊，可以配置管線的各項絕熱信息，Clash View模塊中可以設(shè)置相應(yīng)規(guī)則，決定絕熱信息是否參與管道碰撞檢查。通過碰撞檢查，能夠及時發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計中產(chǎn)生的碰撞問題，避免這些問題在施工過程中出現(xiàn)，提高了設(shè)計質(zhì)量，降低了項目成本，提高項目管理效率。

圖2 碰撞檢查結(jié)果Fig 2 Results of Clash Check

3.3 利用BOM模塊優(yōu)化EPC項目材料管理

EPC總承包項目往往工期要求短，設(shè)計與采購必須交叉進行。比如本項目在實施過程中，為加快進度，當詳細設(shè)計進行到70～80%時，要求設(shè)計人員提供主要材料匯總表供施工和采購招標。大多三維工廠設(shè)計軟件均可以高效的統(tǒng)計材料并輸出為dwg、xlsx等格式。之后詳細設(shè)計完成，出版施工圖材料表，相比招標材料表必然存在一些變動，此時如能提供這兩個版次材料的增減變化一覽表，將會有效提高采購效率，減少采購差錯。如果采用手工對比，費時費力且容易出錯。此時可以利用CADWorx的Custom Data給元件添加需要的字段(相比ISOGEN Data，Custom Data可以添加到模型和數(shù)據(jù)庫中，也可以體現(xiàn)到單線圖和材料表里)，然后在BOM模塊中設(shè)置所需的BOM Columns，把字段添加到材料表中，再利用excel的index、lookup等函數(shù)，就能快速得到對比結(jié)果。

此外，根據(jù)需要還可以在該表的基礎(chǔ)上增加合同采購量、一批到貨量、二批到貨量、實際施工缺料量等欄目，或者結(jié)合采購管理系統(tǒng)，利用前述的Custom Data為每個材料設(shè)置采購編碼[3]，做到隨時掌握各種材料的到貨情況，提高施工和采購效率，避免材料浪費。

表1 材料增減變化一覽表Table 1 Materials Change Table

3.4 利用三維動態(tài)漫游進行模擬培訓

本項目為新建項目，建設(shè)單位此前沒有此類裝置的操作經(jīng)驗，加之本項目采用EPC工程總承包模式，建設(shè)單位在建設(shè)過程中的參與度較低，由此導致了建設(shè)單位的操作、管理人員對整個裝置的熟悉程度偏低，為今后的培訓、開車、生產(chǎn)運營工作帶來諸多困難。而隨著項目的三維化，在裝置實際建成前，就可以利用三維動態(tài)瀏覽等功能，對操作、管理人員進行互動式模擬培訓，使他們快速掌握裝置內(nèi)設(shè)備、管道、儀器、儀表等的布局、構(gòu)成、功能及操作、維護的通道及步驟。不必再等到裝置基本建成后才開展，大大縮短了人員培訓周期；直觀的模型也能快速提高認知度，減少培訓時間。

4 結(jié)論與展望

三維工廠設(shè)計軟件不但極大的提高了設(shè)計文件的準確性和深度，還能為設(shè)計師完成一部分標準設(shè)計的定制工作，讓設(shè)計人員從繁瑣的重復工作(比如傳統(tǒng)的二維平面立面管道布置設(shè)計、人工統(tǒng)計管道材料、人工匯總綜合材料等)中解脫出來，把注意力的重點轉(zhuǎn)移到項目本身的技術(shù)性問題和需要與其他專業(yè)協(xié)調(diào)的方面上去，減少設(shè)計錯誤。最終的帶來是整個EPC項目的質(zhì)量提升、進度縮短和成本降低。

三維工廠設(shè)計的發(fā)展前景十分廣闊。首先，目前三維工廠設(shè)計軟件在較多項目上還停留在工藝專業(yè)一家獨領(lǐng)風騷的位置。事實上，在工程設(shè)計的其他專業(yè)，比如建筑結(jié)構(gòu)、給排水、電氣、自控、暖通等專業(yè)，完全可以實現(xiàn)三維化，并朝著多專業(yè)的設(shè)計協(xié)同發(fā)展。其次，因為設(shè)計文件是整個項目的基礎(chǔ)，三維工廠設(shè)計軟件也可以應(yīng)用到工程建設(shè)的其他方面。比如三維設(shè)計完成后，項目涉及的各個分部工程也相應(yīng)確定，利用軟件內(nèi)置的統(tǒng)計匯總功能和二次開發(fā)可直接生成各類建構(gòu)筑物、設(shè)備、材料的統(tǒng)計報表，為確定工程量清單提供了明確的依據(jù)，進而可對項目的工程造價進行有效控制。此外，在施工管理等方面也能發(fā)揮相當大的作用[3]。

[1] 把握機遇，掌控未來，大中華區(qū)迅速發(fā)展的CADWorx及分析軟件解決方案[J]. 石油化工建設(shè)，2013.3：24～26.

[2] 張樹森. Autoplant三維軟件在選煤廠設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 煤炭工程，2013，(7)：20～22.

[3] 梁亞棟，劉三軍，羅智平.PDMS 3D 的工程化應(yīng)用[J]. 山東化工，2014，43(7)：157～158.

ApplicationofCADWorxinSmallChemicalEPCProject

Pu Yuling

(Hangzhou Hangyang Chemical & Medical Engineering CO.,LTD.，Zhejiang Hangzhou 310014)

The necessity of applying 3D Plant design software and the comparison of different software were summarized. CADWorx application in a hydrogen sulfide concentration EPC project, including equipment modeling, clash detection, material management, simulation training, etc. was introduced. Meanwhile, Some prospects for further applications were put forward, as reference for similar projects.

CADWorx 3D Plant design EPC project

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.03.011

2017-02-21

濮宇凌(1985～)，男，本科，工程師，目前從事化工工藝及管道設(shè)計工作。E-mail：yulingpu@163.com