孙冠华, 贺永金, 缪 云, 张泽果, 孙建斌

(1.航天长征化学工程股份有限公司,北京 101111;2.南京强思数字科技有限公司,江苏南京 211899)

随着中国数字经济的不断发展,其作为国民经济“稳定器”“加速器”的作用更加凸显。2022年中国数字经济规模已达50.2万亿元,同比增长10.32%[1]。在数字化、智能化转型的强大趋势下,大型项目实施数字化交付已趋于常态。

保证工厂三维建模的完整性,是实施数字化交付、建立数字化工厂的基础。部分数字化交付项目采用EPC总承包的形式,通常要求各参与方使用同一种建模软件,由EPC装置院通过正向建模或反向翻模、整合装置界区内模型,设计总体院补充界区外部模型,最终形成完整厂区模型。对于非EPC项目,很难要求各参与方使用同一种建模软件,模型的来源将变得更为复杂,种类也多种多样。因此,如何保证数字化交付模型的完整性,成为一个必须考虑和解决的问题。

国内外对三维模型数据整合的研究高度关注[2-8]。郝大辉等[9]在澳门某口岸项目中对Revit,Tekla,Civil 3D,Rhino等建模软件数据进行整合,进而将项目内多个单体建筑模型统一导入到Navisworks中,实现了项目建模预定目标;陈辰等[10]在某输变电工程项目中,基于SuperMap平台和行业通用格式,将包括Revit,CADworx在内的不同三维格式模型进行了整合,为电力仿真系统和电力数据协同分析打下了基础;康凯[11]结合SolidWorks软件在工程项目中的整合实践,归纳了该软件数据进行整合时的途径及轻量化方法;曹方等[12]根据高铁车站建设项目,将3DS MAX和Revit软件模型转换为支持格式并在Web平台上发布,实现了车站的集成展示和全方位可视化管理;SZTIPANOVITS等[13]为了集成各类出自不同框架和计算机语言的信息,通过引入建模软件间的接口和工具构建模型集成平台,从而为构建网络物理系统(CPS)建立基础。

一方面,包括专利在内的现有文献涉及公建、民建BIM方面的整合研究较多,但对包含专业更多、占地更大、建设对象更加复杂的工业项目涉及较少;另一方面,现有文献对整合深度往往局限于模型拼合却没有属性信息的传递,而属性信息是模型数据的内在重要组成,它的完整接入也是实现数字化交付的重要一环。根据业内现状,工业项目的数据整合需求大且完成难度大,这些问题亟待被解决。AVEVA AIM平台(简称AIM平台)是工业数字化交付项目中应用最广的平台之一[14],却在整合方面的各类研究中鲜有提及。因此,本文以航天长征化学工程股份有限公司(以下简称航天工程公司)某化工气化气项目为例,对非EPC项目的数字化交付模型数据整合进行探讨,提出解决方案及优化方向。

本案例项目以煤为生产原料,采用粉煤加压气化技术生产粗合成气;再通过变换、净化、精制、压缩、氨合成等工序得到产品液氨;液氨作为原料生产尿素;尿素继续生产三聚氰胺和尿素硝铵溶液。项目总投资约53亿元。目前,项目实施全厂性数字化交付,致力于打造数字工厂示范项目。

本项目除个别装置(如气化、零排放等)采用EPC或EP总包形式之外,其他均采用设计(E)、采购(P)、施工(C)分开招标的执行方案,因此项目涉及参与方更多更广(多达数百家),数字化交付物的统一难度更大,涉及建模软件众多,具体如图1所示。

图1 项目装置单元分布概况及涉及建模软件Fig.1 Overview of the distribution of project equipment units and involving modeling software

模型数据通常来源于各装置EPC承包方。各承包方提供整个装置范围内的三维模型,但对于非EPC总承包项目来说,模型来源不限于设计院,还有部分设备供应商。模型数据应符合国家标准以及相关规范和规定,主要有GB/T 51296—2018《石油化工工程数字化交付标准》[15]、GB/T 40209—2021《制造装备集成信息模型通用建模规则》[16],以及针对项目发布的《数字化交付三维模型统一规定》等。一般来讲,项目统一规定的要求要严于国家标准。本项目中,设计院提供设计向建模的界面模型。所谓界面模型,是一种简化的设备模型,用于专业之间相关信息的传递,并不用于设备的内部设计;其管口位置、方向、支座位置、连接尺寸等准确无误,设备外观为大致示意。与之对应的称之为机械模型,属于产品设计模型,能够准确反映设备外形尺寸,并包含设备零部件及内部构造等信息,可用于指导机械制造加工和进行仿真培训等。一般来讲,设计方需要保证各类设备界面模型的完整性,而对于业主提出建模要求的设备,则由具备实施条件的厂家提供机械模型,由设计院和数字化总体院进行整合。

为了进行项目三维模型的数据整合,根据设备的复杂程度和重要性高低,将业主采购的设备供应商分为2类:一类是常规(非成套)设备,其主要包括单体设备及工艺流程不复杂、重要程度不高的撬装设备(如泵、罐体、加药装置等)。另一类是成套设备,主要指工艺流程复杂、重要程度较高或涉及专利、专有设备的设备机组,如压缩机组、脱硫脱硝装置等。

常规(非成套)设备,除特殊要求外,由设计院提供界面模型,各设计院模型最终由数字化总体院在数字化交付平台进行整合,供应商无需提供三维模型。对于业主提出机械建模要求的常规设备,则由设计院在PDMS中用机械模型替换原有界面模型。如无法导入PDMS软件,则机械模型通过相关设计单位校核无误后由数字化总体院在AIM平台中进行整合。成套设备供应商提供的三维模型由关联设计院校核工厂对象位号、总体坐标及对接点方位等信息,无误后由数字化总体院在AIM平台进行整合。对于无法最终进入平台的模型,则通过Review软件单独进行浏览,本研究通过实践优化,使模型数据展示于统一平台,避免数据需单独浏览的情况发生。项目模型数据整合流程如图2所示。

图2 各参与方模型数据整合流程示意图Fig.2 Schematic diagram of model data integration process for each participant

随着这些年计算机软件的不断完善和专业人员技术能力的不断提高,三维建模在各个行业应用广泛。各类软件不仅可满足设计需求,同时不断完善可视化效果、校核计算、快速出图等功能,大大提高了设计效率及准确性[17]。由于本项目为非EPC项目,既有装置设计院,又有设备供应商,同时还有个别总承包单位,因此三维建模软件类型更为多样。对于装置设计院,项目要求统一采用PDMS软件;设备成套供应商所采用的建模软件主要有SolidWorks,CADWorx,Pro/E,UG,3DS MAX等;而总承包单位则主要采用Revit及PDMS软件。

上述软件不单涉及化工行业,还包括公建、民建、动画渲染、机械制造等各个领域,能够导出的模型数据格式不一,各格式数据不能直接连通。表1列出了项目涉及的三维建模软件需导出格式及配套数据要求。打通各自的信息孤岛,是保证数字化交付信息完整性的重要一环。本文通过对各类模型数据的测试验证,力求探索出一套包含上述数据类型的完整的整合方法。

表1 项目涉及三维建模软件及相应整合需求

将表1中各类数据进行整合,需完成2个方面内容的导入,即模型文件和属性信息。各类建模软件出自于不同厂家,可导出的格式类型各不相同,需要思考如何顺利导入到AIM平台并保证模型数据不产生偏差和缺失,解决该难点的核心思路是将各类模型转换为平台可直接处理的格式(包括RVM,IFC,DWG,等),再导入平台。属性数据主要包括模型的位号、类别、从属关系、设计参数等,主要通过AIM平台相应Gateway对模型自带信息进行提取处理,得到平台可用的XML格式属性文件,当模型属性信息无法被平台提取时,采用建模软件中参数赋予或单独填写数据模板等形式,间接形成属性文件,再将相应数据导入平台。简而言之,最终需要得到的是RVM/IFC/DWG+XML的模型数据,其整合流程如图3所示。

图3 各类型模型数据整合流程图Fig.3 Flow chart for data integration of various types of models

3.2.1 PDMS数据整合

由于PDMS与AIM平台同属AVEVA公司旗下产品,因此将PDMS数据导入AIM平台相对便捷。数据主要包括RVM格式的三维模型及XML格式的属性文件,其中,前者可在PDMS中直接导出,后者通过Gateway进行处理,数据导出为可以直接导入AIM平台的XML文件。导出数据前应保证PDMS中PBS层级结构及位号严格按照数字化统一规定要求,保证位号能够顺利被平台提取。PDMS建模数据及进入AIM平台效果如图4所示。

图4 PDMS模型数据整合效果Fig.4 Diagram of PDMS model data integration effect

3.2.2 Revit数据整合

使用Revit建模的参与方,需将模型导出为IFC格式,通过AIM平台专用的IFC Gateway进行处理后导入平台,同时,模型所对应的位号信息统一填入“Object ID”栏中,通过参数赋予由Gateway进行提取,再由交付平台建立位号与相关数据的关联关系。其中,设备类可直接选中设备,在属性框中“Object ID”栏定义位号;土建类需定义位号的土建内容 → 创建组 → 确定 → 选中组 →属性框中“Object ID”栏定义位号。Revit建模数据及导入AIM平台效果如图5所示。

图5 Revit模型数据整合效果Fig.5 Diagram of Revit model data integration effect

3.2.3 SolidWorks,UG及Pro/E数据整合

PDMS支持导入STEP格式文件,用SolidWorks,UG及Pro/E导出STEP格式文件,然后依托PDMS的MEI接口将STEP格式的模型导入PDMS,再通过自研插件自动将每个sube层级转换为equi层级,并将成套设备拆分成单个的管道、设备、仪表等。转换完成后,在PDMS内对其进行方向和位置的校对调整,再将模型导出为RVM格式。位号属性则由参与方填写总体院统一制定的表格,由专用插件处理后形成config文件,形成位号信息清单并建立工厂对象间的从属关系。SolidWorks模型数据整合前后效果如图6所示。

图6 Solidworks模型数据整合效果Fig.6 Diagram of Solidworks model data integration effect

3.2.4 CADWorx数据整合

CADWorx常用导出格式为DWG,针对该格式的模型数据,通过AIM平台专用工具GCT(gateway configuration tool)进行处理,将DWG格式三维模型转换为XGL文件,然后导入平台。CADWorx中包含的位号信息则需要将块名称定义为相应的位号名称,通过配置GCT中mapping files文件对相应块内容进行提取,最后由Gateway处理后形成XML属性文件。CADWorx模型数据整合前后效果如图7所示。

图7 CADWorx模型数据整合效果Fig.7 Diagram of CADWorx model data integration effect

3.2.5 3DS MAX数据整合

将3DS MAX绘制模型以ascii编码的形式导出为STL格式文件,然后导入至AVEVA E3D中,在macro file路径下面生成相应的MAC格式文件,再将MAC文件拖入E3D或者PDMS的commond窗口进行导入,并执行2项操作:一方面通过移动对模型进行重新定位,赋予其绝对坐标值;另一方面在E3D或PDMS中对各工厂对象定义位号,并定义从属关系。接下来,将完善好的模型导出为RVM文件,同时通过Gateway处理形成XML属性文件。3DS MAX模型数据整合前后效果如图8所示。

图8 3DS MAX模型数据整合效果Fig.8 Diagram of 3DS MAX model data integration effect

3.2.6 Navisworks数据整合

Navisworks并非建模软件,但通过该软件可以重新整合NWD及NWC格式的模型数据。首先,通过插件Codemill IFC Exporter将上述2种格式文件导入Navisworks(schema version选择IFC2×3),然后再将其以IFC格式导出。由于此时文件中没有相应位号信息,因此不能如Revit一般进行属性提取,而是需要将IFC再次导入至E3D中,余下所需步骤与上文STL文件导入E3D后操作相同,最终形成可导入平台的RVM和XML文件。Navisworks模型数据整合前后效果如图9所示。

图9 Naviswork模型数据整合效果Fig.9 Diagram of Naviswork model data integration effect

本研究通过直接或间接导入平台的形式,将本项目涉及的所有类型模型数据进行了整合,尤其是如图10 a)所示的各类无法直接导入平台的数据,通过模型数据的转换和调配,让项目中的厂前区、中水回用、污水处理、烟气脱硫、硝铵装置、循环水场等区域及装置的模型完成整合,同时也让诸多成套设备(磨煤机组、压缩机组等)的机械模型导入到平台。据AIM平台模型匹配数量的报表显示,全厂设备类的模型匹配量由70%提升至95%以上,全厂模型整合效果如图10 b)所示。剩余需单独浏览模型为勘察单位地基建模,导入后失去分层展示的功能性。与此同时,模型属性信息也通过各种形式导入至平台,有效解决了数据完整性的问题。通过整合,现全厂有效模型数据量已达89 000余条,包含设备、管道、仪表、特殊管件及建(构)筑物等重要工厂对象,单一对象具备唯一位号及参数属性,这些静态数据一方面可以方便业主进行运维管理,同时还可以对接AVEVA公司的PI,ERM等系统的动态数据,形成数字工厂的数据底座,实现一系列智能应用[19]。

图10 各类模型数据整合效果Fig.10 Integration effect of various types of model data

1)通过类比实测摸索最佳途径

在对本项目整合路径探讨的过程中,并非事先知晓转换效果是否合乎预期、是否属于最佳解决方案,因此需通过不断尝试摸索,寻求最佳途径。比如3DS MAX可以导出SolidWorks (.SLDPRT,.SLDASM)、STEP(.STP,.STEP)、StereoLitho (.STL)、Pro/E (.PRT)等软件兼容的中转格式,通过实测发现,转换为STL格式后视觉效果最好、文件大小适中,且不存在数据丢失的问题,因此选用STL格式而不选取应用更多的STEP格式。再如SolidWorks导出的STEP及SAT格式均可被PDMS接收,通过实测,STEP较SAT格式大小相差很小,且导入效果相同,因此通过综合考量选用更为广泛的STEP格式作为整合的中间格式,这与文献[11]中的建议相左,但更适用于本项目的执行。通过上百次的横、纵向测试,得出最佳途经,将所执行的具体操作汇总编制成本项目数字化交付《模型数据处理操作手册》,供相关参与方参照执行。

2)使用插件及接口实现格式转换

在模型数据相互转换的过程中,信息孤岛间需要一座连接的桥梁,而各类插件和接口就能起到这样的作用。比如STEP文件导入PDMS,通过采用MEI export接口完成,无需使用E3D软件(E3D支持导入STEP文件)来进行这步操作,让没有E3D软件的供应商亦能实现整合工作;同时,通过MEI export接口导入后,STEP模型是作为整体在PDMS中显示的,利用自研插件将模型进行拆分并命名,将模型子部件与位号建立一一对应关系,从而使数据完整性和一致性得以实现;再如NWD及NWC格式的模型数据,则采用Codemill IFC Exporter插件导入Navisworks,完成格式转换后方可导入E3D,实现整合工作。

3)运用数据导入完成属性赋予

属性信息和模型文件同等重要[18]。对于AIM平台来说,除AVEVA公司旗下PDMS,E3D以外,其他大多数建模软件的属性信息无法直接提取,因此,需要设计方探索有效途径解决该问题。通过测试实践得到:对于Revit和CADWorx,可通过参数赋予的方式,在原建模软件中指定位置填写属性,再将平台数据处理工具进行针对性配置,让模型与属性信息建立的关联关系能够被提取;对于SolidWorks,3DS MAX等软件,由总体院提供属性填写模板,供应商按要求填写后处理为Config文件,将该文件导入平台后,得到位号及模型间的关联关系。

4)利用CAD转三维坐标点快速校对模型位置

快速校对各方所提供模型定位的工作十分重要。在CAD中,将道路轮廓线及装置区红线定义为单一图层,并稍加完善,使道路及装置区线条封闭,定义其中2个点的坐标实现定位,再通过Netload命令加载二、三维转换插件生成txt文件,导入PDMS生成对应的Pannel模型,保存的RVM格式模型导入到Navisworks中即可形成可快速校准其他模型的总图模型。

为了扩大数字化交付项目可接纳建模软件类型,降低投标方准入门槛,降低项目实施费用,本文基于AVEVA AIM平台,对整合多行业、多类型三维模型数据的技术方法进行研究,主要结论如下。

1)对Revit,SolidWorks,CADWorx,3DS MAX,Pro/E,UG等在内的近10款主流软件整合效果进行对比分析,得出最佳路径。并在3DS MAX和SolidWorks的整合实践中对原有文献论述进行了验证并提出优化意见。

2)利用插件及接口实现格式转换,从而使某些没有特定软件的供应商亦能实现整合工作,使模型数据的信息孤岛得以打通;同时可使整合工作的部分繁琐步骤得以简化,减少大量人工工作。

3)借助数据导入实现属性赋予,保障了模型文件转换整合过程中位号及模型间的关联关系,同时,运用自研插件,提高了转换后属性数据的保真效果。

4)项目模型数据完整度由70%提升至95%以上,提高了交付效果,减少了参与方的翻模工作。

本文所提优化方法提高了数字化交付的可行性,可供业内公司参考借鉴。目前,项目还处于建设阶段,仍需要提升数字化交付平台自身的兼容性,并在数据整合过程中发现问题、解决问题,进一步提高整个行业的数字化交付能力水平。

河北工业科技2023年6期