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摘 要 中国实验快堆在设计和施工过程中，一直面临各种各样的困难和问题。各工艺系统都是独立进行布置设计，并未进行真正意义上的综合设计，施工时设备、管道和支吊架等干涉现象较多，导致现场安装所需进行的设计变更较为频繁，进而影响了工程的施工进度。文章探讨了在快堆工艺系统设计中开始引入三维数字平台这一先进的工程平台和设计手段，并提出了若干预期目标，比如各专业协同设计、在设计过程中完成碰撞和干涉检查、施工模拟、平立面图和材料报表从统一的数据库中提取等等，进而提高我们的设计水平、设计质量和设计效率，同时可以更加科学合理地使用人力资源。
关键词 快堆；三维数字平台；建模
中图分类号：TL43 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0129-03
核电站的设计是一项极其庞大的系统工程，要想做到优质高效的完成就必须有高质量的管理和先进的设计手段相结合。作为目前国际工程管理公司最为畅销的三维数字平台（或者有着不同的叫法，其核心内容和手段是一致的），是在统一的工作平台基础上，利用三维设计工具，各专业工种协作，资源共享，实现空间的实时可变的辅助设计。它最简单和显而易见的优点包括：
1）三维设计起步，直接抽取轴测图和平立面图。
2）与土建平行设计，土建偏差影响能直接得到直观反映。
3）三维仿真，建模过程完成碰撞和干涉检查。
4）安装中随过程修改，实时进行全面的碰撞检查。
5）从数据库中提取材料参数表。
6）三维模型导入管道分析软件，反馈及时。
7）统一智能平台管理，相应权限划分严格。
8）通过系统平台，总工程师控制全局。
1 三维数字平台的选择
设计则是精确的，设计软件是为了实际工程实施的设计工具，设计软件是为了实际工程实施的设计工具，分为一类以绘图为目的的CAD，这里D表示绘图，如DRAWING、AUTOCAD、MicroStation等软件；另一类是以设计为主的CAD，这里的D表示设计，它又可以分为两种：一种是以参数化为代表的机械类软件，比如PRO-E、SolidWorks、CATIA、INVENTOR等，以及相应更高层次的三维设计，这种设计属于离散型工艺，更接近以传动设备为中心的，非连续的工艺过程；另一种就是我们所要引入的流程化工程性质的三维数字平台，比如Intergraph公司的PDS系统和SmartPlant 3D系统、Bentley公司的PlantSpace系统和AVEVA公司的PDMS系统。
三维数字平台概念具体体现在以下几个方面。
1）集成化项目模型。各个专业的三维模型（建筑、结构、设备、管道、电缆桥架等）组成的全信息工程模型，包括：几何信息（长度、高度、厚度、坐标轴）；属性信息（样式、材质、单位重量、成本）。
2）三维设计。三维设计的最大特点就是在虚拟环境中建立项目的三维实体，正在反映了设计人员头脑中想象出各物项的空间形象，可以非常直观和明确的反馈各物体之间的空间关系，便于进行碰撞检查及调整修改。
3）多专业协同设计。在统一的设计平台，使用统一的数据库，让项目设计人员得以运用集成模型，进行团队合作和集成制造，实现多专业协同工作的目的。
还可以跨越地域以便同步分享图表与属性数据。工作团队，无论是在同一处室或在同一栋建筑，还是在不同的城市、国家、甚至是不同洲，其设计与工程信息之间的协调性可大幅地改善，对位于不同时区的跨国合作项目特别有帮助。
4）统一的应用平台。三维数字平台在一个工程中使用统一的应用平台，经过长期应用和探索分析，目前快堆工艺系统的三维数字平台是基于Intergraph公司的SmartPlant系统（见图1），目前正在该系统中进行快堆某些项目的设计。
图1 SmartPlant集成系统
2 SmartPlant 3D在快堆某项目中的应用
SmartPlant 3D作为最先进的工厂设计软件，是Intergraph推出的新一代的，面向数据的，规则驱动的更符合工程设计流程的软件，工程数据可以更好的被使用和复用。SmartPlant 3D以MS SQL和Oracle为基础数据库，所有模型都是以对象形式存放在基础数据库中，并且不需要其他的图形引擎，使用较易使用的Visual Basic作为开发工具。SmartPlant 3D是一个前瞻性的产品，它改变了工程设计的方式，它打破了传统设计技术的局限。与简单的完成工厂设计相比，SmartPlant 3D能够更有效的优化设计，提高效率并缩短项目周期。
Smartplant 3D是一个新型的三维工厂设计系统，它与我们以往所使用的设计软件在设计习惯上有所不同，在设计流程、二次开发、系统管理等方面对我们来说都是全的课题。
2012年3月-5月进行了快堆某项目的三维设计，由工艺、结构、管道等专业人员共同进行三维建模，具体内容和步骤如下。
1）管道元件数据库定制。由于快堆采用钠作为工作介质，运行温度较高，对于材料具有的特殊要求，而SmartPlant 3D附带的数据库中并没有我们工艺上所使用的管道、阀门和仪表等数据，要将SmartPlant 3D应用到工程实践中，必须在工程项目实施前对其进行全面的二次开发，定制适用于快堆项目的管道元件数据库，这是一项长期且复杂的工程，只有在不断的实际工程中逐渐补充完善。
管道元件数据库的建立主要是将工程前期准备好的管道材料表按SmartPlant 3D标准Excel文件进行输入，通过SmartPlant 3D附带的Bulkload Utility导入工具，将Excel文件中的数据加载到SmartPlant 3D数据库中以满足工程设计应用。管道元件数据库的定制主要涉及以下几个Excel文件：AllCodeLists——所有代码的声明、Piping Catalog——管道元件物理参数、Piping Specification——管道元件属性描述、Instrument Data——标准仪表数据库、Equipment——标准设备数据库等，这些Excel文件在定义管道元件是相互关联的，稍有错误就会影响三维模型的生成，必须导入测试服务器中数据库中进行仔细检查和测试，发现错误则返回Excel文件修改，直到能生成正确的三维模型，才能将定制的管道元件数据导入实际项目的数据库中。此项工作是使用SmartPlant 3D必不可少一个工作步骤，应组织经验丰富的工艺管道工程师按标准和规范逐步完善管道元件数据库。 我们在引入SmartPlant 3D设计平台后，定制的快堆专属管道元件数据库（见图2）。
图2 部分快堆工程管道元件数据库
2）操作权限划分。SmartPlant 3D作为全厂设计软件，所有专业都是在同一个环境下进行设计，所有数据都存储在服务器中，通过权限组和项目层级相匹配的方式来保证不同专业、不同人员既能互相协作而又不互相干扰。在开始一个项目设计前，系统管理员需要在服务器端建立一个项目，并划分层次结构和设定权限，权限组的层次如下：
项目/参考数据库——最高层的权限组；
权限组目录——含有用户权限组的目录；
用户权限组——根据Windows登录用户或用户组分配访问权限。
操作权限级别如下：
Read—仅能浏览模型对象；
Write—可以建立、修改、删除模型对象；
Full Control—可执行写权和批准模型对象。
我们目前按专业进行了权限组的划分：Piping、Structure、Electrical、Drawing等。
3）土建结构建模。首先，结构专业人员根据项目的总体方案，使用Grids模块进行项目的轴网布置，在Structure模块中进行土建结构建模，确定厂房的尺寸和坐标，便于设备布置和定位等，再建立厂房整体结构，使模型具备土建条件。
图3 快堆某项目厂房结构模型
4）设备建模和布置。设备建模在Equipment and Furnishings模块中进行。SmartPlant 3D数据库中有部分标准设备模型，本项目所需的大部分设备模型都需要利用标准几何体进行拼装，并保证外形尺寸、接管尺寸和方位等与设备的设计参数一致。当然也可以将设备的三维设计模型导入到SmartPlant 3D数据库中使用。设备建模完成后，可以按厂房的尺寸坐标和工艺要求进行布置设计。
5）管道布置。管道的设计在Piping模块中进行，必须严格按照工艺流程图进行，并遵循先主工艺专业后辅助专业，先主要管道后次要管道的原则。此外，根据钠系统的特殊要求，在进行管道设计布置设计时必须遵守下列原则：设备与管道必须采用焊接方式；要遵守相应等级的设计规范；由于钠管道的高温和材料的特性，合理利用弯管、弯头或矩形补偿器吸收热膨胀；须有符合规范要求的倾斜度；设置合理的固定点；合理配置支吊系统等。
图4 本项目中典型系统的设备及管道布置
6）碰撞检查。SmartPlant 3D的碰撞检查有两种工作模式，一种是基于服务器的碰撞检查，检查所有模型的所有碰撞；另一种是基于客户端的交互式的碰撞检查，可以实时帮助设计人员检查模型是否发生碰撞。
在SmartPlant 3D中可对整个项目的模型进行碰撞检查（见图5），即可以检查出各专业模型间的直接碰撞（硬碰撞，红色圆球或方块提醒），包括：管道与管道、管道与设备、管道与结构等，也可检查出各模型与预留空间（如操作空间、检修空间和保温层等）的碰撞（软碰撞，黄色圆球或方块提醒）。
图5 本项目中的实时碰撞检查
7）图纸和报表生成。三维建模只是手段，我们真正需要的是用于施工的管道轴测图、平立面图、材料报表等。SmartPlant 3D中自带的图纸和报表模板并不满足我们的要求，必须对图纸和报表模板进行定制。相对于定制数据库的繁琐，定制图纸和报表模板难度更大也更重要，需要了解定制模板相关的无数的选项和开关，需要理解数据库中的数据存储方式等。模板的定制是我们所遇到的最棘手、最困难的部分工作。经过我们的不懈努力，并在Intergraph工程师的帮助和指导下，最终完成了此项工作。
3 结束语
在该项目设计过程中实现了各专业协同设计，最终项目成果见图6。在本项目的设计过程中完成三维建模、多专业协同设计、碰撞和干涉检查、施工模拟、轴测图、平立面图和材料报表从统一的数据库中提取等预期目标。
信息时代设计手段日新月异，我们在快堆项目中引入SmartPlant 3D三维设计平台，实现设计理念和设计模式的转变，提升整体设计质量、设计水平和设计效率，形成了专业化设计能力。在工程实践中，我们感受到Intergraph公司SmartPlant系统的前瞻性和先进性，我们将逐步实现示范快堆项目三维数字工厂的设计、施工、管理集成化目标。
图6 快堆某项目三维模型
参考文献
[1]邓培坤，马明.1.12 中国实验快堆（CEFR）控制棒驱动机构初步设计任务书[J].中国原子能科学研究院年报，1995.
关键词 快堆；三维数字平台；建模
中图分类号：TL43 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0129-03
核电站的设计是一项极其庞大的系统工程，要想做到优质高效的完成就必须有高质量的管理和先进的设计手段相结合。作为目前国际工程管理公司最为畅销的三维数字平台（或者有着不同的叫法，其核心内容和手段是一致的），是在统一的工作平台基础上，利用三维设计工具，各专业工种协作，资源共享，实现空间的实时可变的辅助设计。它最简单和显而易见的优点包括：
1）三维设计起步，直接抽取轴测图和平立面图。
2）与土建平行设计，土建偏差影响能直接得到直观反映。
3）三维仿真，建模过程完成碰撞和干涉检查。
4）安装中随过程修改，实时进行全面的碰撞检查。
5）从数据库中提取材料参数表。
6）三维模型导入管道分析软件，反馈及时。
7）统一智能平台管理，相应权限划分严格。
8）通过系统平台，总工程师控制全局。
1 三维数字平台的选择
设计则是精确的，设计软件是为了实际工程实施的设计工具，设计软件是为了实际工程实施的设计工具，分为一类以绘图为目的的CAD，这里D表示绘图，如DRAWING、AUTOCAD、MicroStation等软件；另一类是以设计为主的CAD，这里的D表示设计，它又可以分为两种：一种是以参数化为代表的机械类软件，比如PRO-E、SolidWorks、CATIA、INVENTOR等，以及相应更高层次的三维设计，这种设计属于离散型工艺，更接近以传动设备为中心的，非连续的工艺过程；另一种就是我们所要引入的流程化工程性质的三维数字平台，比如Intergraph公司的PDS系统和SmartPlant 3D系统、Bentley公司的PlantSpace系统和AVEVA公司的PDMS系统。
三维数字平台概念具体体现在以下几个方面。
1）集成化项目模型。各个专业的三维模型（建筑、结构、设备、管道、电缆桥架等）组成的全信息工程模型，包括：几何信息（长度、高度、厚度、坐标轴）；属性信息（样式、材质、单位重量、成本）。
2）三维设计。三维设计的最大特点就是在虚拟环境中建立项目的三维实体，正在反映了设计人员头脑中想象出各物项的空间形象，可以非常直观和明确的反馈各物体之间的空间关系，便于进行碰撞检查及调整修改。
3）多专业协同设计。在统一的设计平台，使用统一的数据库，让项目设计人员得以运用集成模型，进行团队合作和集成制造，实现多专业协同工作的目的。
还可以跨越地域以便同步分享图表与属性数据。工作团队，无论是在同一处室或在同一栋建筑，还是在不同的城市、国家、甚至是不同洲，其设计与工程信息之间的协调性可大幅地改善，对位于不同时区的跨国合作项目特别有帮助。
4）统一的应用平台。三维数字平台在一个工程中使用统一的应用平台，经过长期应用和探索分析，目前快堆工艺系统的三维数字平台是基于Intergraph公司的SmartPlant系统（见图1），目前正在该系统中进行快堆某些项目的设计。
图1 SmartPlant集成系统
2 SmartPlant 3D在快堆某项目中的应用
SmartPlant 3D作为最先进的工厂设计软件，是Intergraph推出的新一代的，面向数据的，规则驱动的更符合工程设计流程的软件，工程数据可以更好的被使用和复用。SmartPlant 3D以MS SQL和Oracle为基础数据库，所有模型都是以对象形式存放在基础数据库中，并且不需要其他的图形引擎，使用较易使用的Visual Basic作为开发工具。SmartPlant 3D是一个前瞻性的产品，它改变了工程设计的方式，它打破了传统设计技术的局限。与简单的完成工厂设计相比，SmartPlant 3D能够更有效的优化设计，提高效率并缩短项目周期。
Smartplant 3D是一个新型的三维工厂设计系统，它与我们以往所使用的设计软件在设计习惯上有所不同，在设计流程、二次开发、系统管理等方面对我们来说都是全的课题。
2012年3月-5月进行了快堆某项目的三维设计，由工艺、结构、管道等专业人员共同进行三维建模，具体内容和步骤如下。
1）管道元件数据库定制。由于快堆采用钠作为工作介质，运行温度较高，对于材料具有的特殊要求，而SmartPlant 3D附带的数据库中并没有我们工艺上所使用的管道、阀门和仪表等数据，要将SmartPlant 3D应用到工程实践中，必须在工程项目实施前对其进行全面的二次开发，定制适用于快堆项目的管道元件数据库，这是一项长期且复杂的工程，只有在不断的实际工程中逐渐补充完善。
管道元件数据库的建立主要是将工程前期准备好的管道材料表按SmartPlant 3D标准Excel文件进行输入，通过SmartPlant 3D附带的Bulkload Utility导入工具，将Excel文件中的数据加载到SmartPlant 3D数据库中以满足工程设计应用。管道元件数据库的定制主要涉及以下几个Excel文件：AllCodeLists——所有代码的声明、Piping Catalog——管道元件物理参数、Piping Specification——管道元件属性描述、Instrument Data——标准仪表数据库、Equipment——标准设备数据库等，这些Excel文件在定义管道元件是相互关联的，稍有错误就会影响三维模型的生成，必须导入测试服务器中数据库中进行仔细检查和测试，发现错误则返回Excel文件修改，直到能生成正确的三维模型，才能将定制的管道元件数据导入实际项目的数据库中。此项工作是使用SmartPlant 3D必不可少一个工作步骤，应组织经验丰富的工艺管道工程师按标准和规范逐步完善管道元件数据库。 我们在引入SmartPlant 3D设计平台后，定制的快堆专属管道元件数据库（见图2）。
图2 部分快堆工程管道元件数据库
2）操作权限划分。SmartPlant 3D作为全厂设计软件，所有专业都是在同一个环境下进行设计，所有数据都存储在服务器中，通过权限组和项目层级相匹配的方式来保证不同专业、不同人员既能互相协作而又不互相干扰。在开始一个项目设计前，系统管理员需要在服务器端建立一个项目，并划分层次结构和设定权限，权限组的层次如下：
项目/参考数据库——最高层的权限组；
权限组目录——含有用户权限组的目录；
用户权限组——根据Windows登录用户或用户组分配访问权限。
操作权限级别如下：
Read—仅能浏览模型对象；
Write—可以建立、修改、删除模型对象；
Full Control—可执行写权和批准模型对象。
我们目前按专业进行了权限组的划分：Piping、Structure、Electrical、Drawing等。
3）土建结构建模。首先，结构专业人员根据项目的总体方案，使用Grids模块进行项目的轴网布置，在Structure模块中进行土建结构建模，确定厂房的尺寸和坐标，便于设备布置和定位等，再建立厂房整体结构，使模型具备土建条件。
图3 快堆某项目厂房结构模型
4）设备建模和布置。设备建模在Equipment and Furnishings模块中进行。SmartPlant 3D数据库中有部分标准设备模型，本项目所需的大部分设备模型都需要利用标准几何体进行拼装，并保证外形尺寸、接管尺寸和方位等与设备的设计参数一致。当然也可以将设备的三维设计模型导入到SmartPlant 3D数据库中使用。设备建模完成后，可以按厂房的尺寸坐标和工艺要求进行布置设计。
5）管道布置。管道的设计在Piping模块中进行，必须严格按照工艺流程图进行，并遵循先主工艺专业后辅助专业，先主要管道后次要管道的原则。此外，根据钠系统的特殊要求，在进行管道设计布置设计时必须遵守下列原则：设备与管道必须采用焊接方式；要遵守相应等级的设计规范；由于钠管道的高温和材料的特性，合理利用弯管、弯头或矩形补偿器吸收热膨胀；须有符合规范要求的倾斜度；设置合理的固定点；合理配置支吊系统等。
图4 本项目中典型系统的设备及管道布置
6）碰撞检查。SmartPlant 3D的碰撞检查有两种工作模式，一种是基于服务器的碰撞检查，检查所有模型的所有碰撞；另一种是基于客户端的交互式的碰撞检查，可以实时帮助设计人员检查模型是否发生碰撞。
在SmartPlant 3D中可对整个项目的模型进行碰撞检查（见图5），即可以检查出各专业模型间的直接碰撞（硬碰撞，红色圆球或方块提醒），包括：管道与管道、管道与设备、管道与结构等，也可检查出各模型与预留空间（如操作空间、检修空间和保温层等）的碰撞（软碰撞，黄色圆球或方块提醒）。
图5 本项目中的实时碰撞检查
7）图纸和报表生成。三维建模只是手段，我们真正需要的是用于施工的管道轴测图、平立面图、材料报表等。SmartPlant 3D中自带的图纸和报表模板并不满足我们的要求，必须对图纸和报表模板进行定制。相对于定制数据库的繁琐，定制图纸和报表模板难度更大也更重要，需要了解定制模板相关的无数的选项和开关，需要理解数据库中的数据存储方式等。模板的定制是我们所遇到的最棘手、最困难的部分工作。经过我们的不懈努力，并在Intergraph工程师的帮助和指导下，最终完成了此项工作。
3 结束语
在该项目设计过程中实现了各专业协同设计，最终项目成果见图6。在本项目的设计过程中完成三维建模、多专业协同设计、碰撞和干涉检查、施工模拟、轴测图、平立面图和材料报表从统一的数据库中提取等预期目标。
信息时代设计手段日新月异，我们在快堆项目中引入SmartPlant 3D三维设计平台，实现设计理念和设计模式的转变，提升整体设计质量、设计水平和设计效率，形成了专业化设计能力。在工程实践中，我们感受到Intergraph公司SmartPlant系统的前瞻性和先进性，我们将逐步实现示范快堆项目三维数字工厂的设计、施工、管理集成化目标。
图6 快堆某项目三维模型
参考文献
[1]邓培坤，马明.1.12 中国实验快堆（CEFR）控制棒驱动机构初步设计任务书[J].中国原子能科学研究院年报，1995.