三维协同设计平台在核电工程设计中的应用分析

摘   要： 三维协同设计平台是数字化、虚拟化、立体化、智能化等技术的融合，由于其直观性强，受到越来越多的核电工程设计单位的青睐。介绍了三维协同设计在核电工程布置设计、模型存储、图形展示中的应用特点，明确其在核电工程设计中应用的优势，分析了工程设计合理性、便于工程数据管理、提高施工图设计质量等方面的作用，阐述了核电工程设计人员在数据库定制、设计变更面临的挑战，并提出改进建议：1）提高设计人员对三维协同设计的适应性和熟练度;2）加大对数据库定制的投入，实现多项目复用;3）形成三维协同设计标准化体系和机制。科学准确应用三维协同设计平台可提升核电工程设计单位核心竞争力。

关键词： 核电工程;三维协同设计平台;布置设计;施工图设计;设计变更;数据库定制;标准化体系

中图分类号：TL48    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 04-131-04

工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.025

引言

近年来，核电事业不断发展，核电工程项目持续增多，传统的基于AutoCAD的计算机辅助设计、以OFFICE为主的分散设计及配套管理模式已经无法满足同时开展多项目设计的需求[1]。面临技术挑战，三维设计越来越受到重视[2]。利用三维技术手段进行设计，不仅可以实现数据模型的直观展示，还可以借助一系列的自动化手段（如工艺系统三维布置、抽取布置图抽取、材料报表抽取、碰撞检查等），将复杂的工作交由计算机来完成，大大提高生产效率[3-4]。

越来越多的核电工程设计单位已将建立核电工程三维协同设计平台作为迎接核电新机遇的重要任务[5-7]。本文首先介绍三维设计在核电工程设计中的应用特点;其次阐述在核电工程设计中应用三维协同设计平台的优势;最后分析三维协同设计在核电工程设计应用中仍面临的挑战，并提出改进建议。

1  三维协同设计在核电工程设计中的应用特点

三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础，是一种可以使设计目标更立体化、形象化的新型设计方法[8]。

核电工程是一个子项数量多、工艺复杂的巨大系统工程，其布置设计是一项极其庞大的工作[9]。采用三维设计，可以通过计算机创建覆盖核电工程设计全生命周期、全专业、全比例和可靠的科学、合理、快捷的核电站工厂三维模型，如图1所示。在核电站工厂三维模型中，包含了建筑、结构、设备、工艺管道、通风管道、电缆托盘等布置设计。

通过三维协同设计平台，可将核电工程项目的设计模型全面地存储下来。在设计过程中，可以及时发现设计过程中的不合理情况，非常直观地了解布置设计周围的环境情况，并选择合适的路径进行修正。例如，在设计支吊架时，可以对周边的可利用空间进行准确的判断，保证设计的支吊架不会与周围的物项产生冲突，避免引起不必要的返工[10]。

三维协同设计平台以数据为中心产生图形，其内涵是几何信息与属性的融合，最终表现成果为图纸、报表以及对最终三维模型附加的各种直观、立体的审核与检查。

2  三维协同设计平台在核电工程设计应用中的优势分析

相较于基于二维平面的传统工程设计，核电工程使用三维协同设计平台有着非常明显的优势。

2.1  提高设计合理性

三维协同设计将传统的二维设计转移到虚拟的工厂空间中进行，不同的工艺系统设计工程师可开展协同设计，不同工种之间数据共享但互不干扰，设计人员能够非常直观地查看各工艺系统布置之间的空间占位关系，及时优化、调整工艺系统布置设计，解决不同工艺系统之间的关联或干扰问题。

此外，通过三维模拟仿真，可以实现对大型设备、模块及主要工艺流程的可拆性、可达性和可维护性方面进行分析评估，从而提高设计合理性和便捷性。

图2所示是一种典型的三维布置模型。在布置设计过程中，产生碰撞干涉的位置会出现提示（图2灰色圆球为碰撞干涉点），能够使设计人员清晰地了解碰撞干涉是在哪个位置产生的、是与哪个工艺系统之间相互产生的、产生碰撞干涉的原因是什么、碰撞干涉如何解決等问题，有效解决传统二维设计的固有难题。

2.2  便于工程数据管理

三维协同设计平台拥有后台数据库，核电工程工艺系统设计工程师完成三维布置设计后，设计信息将自动存储到后台数据库，实现设计信息数据化，更加便于数据流转和数据管理。

通过利用信息化手段，还可实现三维协同设计平台工具以及设计接口资料管理系统、采购管理系统、仓储管理系统之间的集成，实现电子化数据管理，以保证核电工程数据在整个设计过程中的一致性，实现对数据的全程跟踪与监控。

2.3  提高施工图设计质量

由于二维出图标准已经比较完善，因此作为工程设计、施工的主要介质的施工图在行业内的垄断地位短期内无法改变，形式相对固化，设计质量不易提高。主因是传统的核电工程二维设计中，工程设计人员只能通过对工艺系统布置走向的空间位置关系进行想象来绘制二维平面图、立面图、轴测图等，如果修改局部工艺布置，相关联的图纸都要做相应修改，造成的误差和工程量可想而知。

而采用三维协同设计，可以依据出版图纸的深度规定要求，对三维协同设计平台软件进行标准化定制，更为灵活方便。例如：对图框、图纸、图例的要求，对报表格式的要求等，都可以标准化定制，在完成三维布置设计的前提下，从三维模型抽取所需材料。由于出图的数据唯一来源为三维模型，这既保证了出版图纸的标准化要求，又能极大地减少工程师的重复工作。抽取图纸的工作交由计算机处理，避免手工绘制图纸出现误差，有效提高施工图设计质量。

2.4  提高核电工程设计单位核心竞争力

核电工程工艺系统复杂，使用三维协同设计可以合理使用人力资源。多人协同设计的模式，可极大缩短设计周期，尤其在施工图设计阶段，可节省大量手工绘制施工图时间，更好地满足现场施工需求，进而缩短整个核电站的建造周期，节省建造总投资。

目前在国内核电行业中，三维协同设计还是一项比较先进的技术，只要能够对其熟练掌握并实际应用，就可以更快地在行业内占据领先地位。

综上所述，三维协同设計在核电工程设计中优势明显，能够提高核电工程设计合理性，便于工程数据管理，提高施工图设计质量，从而极大提高核电站设计建造的经济性，有效实现工期、质量、费用的三赢，值得大力推广。

3  三维协同设计在核电工程设计应用中面临的挑战及建议

3.1  对设计人员提出更高要求

由于三维协同设计与传统的二维设计有很大差别，采用的设计理念、设计标准、设计方法和设计技巧也完全不同，因此工程师往往习惯于将传统的二维平面设计、制图理念沿用到三维协同设计中，未能实现三维协同设计的真正应用。

为了更好地采用全新的三维协同设计方式，工程师需要尽快适应新的设计流程，掌握新的设计工具，以提高设计质量和效率，这对工程设计人员的能力提出了更高的要求。随着大量工程设计人员逐步掌握与三维协同设计平台的使用技巧，工程设计效率将得到明显的提高。

3.2 三维协同设计平台数据库定制工作量大

原生三维协同设计平台数据库不可能满足核电工程所有的设计需求，需要核电工程设计单位对后台数据库进行定制。三维协同设计平台的后台数据库定制是一个专业性很强的工作，需要数据库定制人员对三维协同设计平台的使用、数据存储和转换方式相当熟悉。定制工作在整个三维协同设计中用时很长、工作量大，在三维协同设计过程中，数据库还需要更新和维护，对数据库定制人员提出了更高的要求。

为此，在核电工程项目中，设计单位可根据项目的设计需求，制定标准化体系，规范材料、规格选型，例如管道等级、通风等级、电缆桥架等级、支吊架库等，都可以标准化，力求实现多项目复用。有条件的设计单位甚至可以一次性投入较大精力完成数据库定制，更好实现数据库的多项目复用。

3.3  修改后台数据对三维协同设计影响大

在核电工程项目三维协同设计过程中，如果中途修改后台数据库，可能会对各工种的三维布置设计造成很大影响。以在核电工艺管道设计过程中修改管道材料等级表为例，如果在修改管道材料等级表之前，已经有工艺系统采用原管道等级开展了三维布置设计，那么在修改管道材料等级表后，该部分已完成的三维模型会出错，甚至需要重新进行三维布置，增加了三维协同设计的工作量，耗费了大量时间。

因此，建议设计单位形成标准化技术团队，保证标准化工作连续性，建立信息反馈、讨论修改的机制，进而提高标准化质量和水平。只有标准化设计足够完善了，三维协同设计平台后台数据才不至于受到较大幅度的修改，而三维协同设计工作应在标准化工作基本完成，无需再进行较大修改后才开始。

4  结束语

三维协同设计在核电工程设计工程中能做到直观化、精细化、自动化的优势融合。合理地选择、运用三维模拟仿真软件，能够在复杂的核电工程项目设计中，以逼真三维实体模型解决项目中出现的各类问题。通过自动化碰撞检查及自动化图纸文件和各类数据报表生成，可以有效减少施工图设计阶段的设计变更和现场工作量的大幅修改，使三维协同设计更好地为核电工程设计服务。

相信随着核电工程三维协同设计实际应用经验和设计水平的不断提高，核电工程设计单位能够形成对三维协同设计平台进行标准化定制及二次开发的不断优化机制。三维协同设计平台功能的升级和完善，必会使三维协同设计在核电工程设计中发挥更大的作用。

参考文献

[1] 曾保罗， 马屹松， 康斌. 核电站三维设计的发展和应用[J]. 产业与科技论坛， 2019， 18（2）： 65-66.

[2] 高元， 王凯. 三维协同设计在核电设计中的应用[J]. 产业与科技论坛， 2018， 17（13）： 49-50.

[3] 焦力兴， 杨泽恒. 三维技术在核电工程建设中的应用探索[J]. 产业与科技论坛， 2017， 16（6）： 77-78.

[4] 苏成君， 吴卫. 浅述三维设计的必要性及应用中出现的问题[J]. 一重技术， 2008（3）： 105-106.

[5] 王凯， 龙球. PDMS在核电站布置设计中的应用分析[J]. 城市建设理论研究： 电子版， 2018（2）： 2.

[6] 刘永腾， 王凯峰， 卢晶， 等. 谈PDMS在工程项目应用中存在的问题及解决方案[J]. 工程建设与设计， 2018（9）： 281-282.

[7] 秦旭映， 宋元鑫， 钱宽. 三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用[J]. 中国管理信息化， 2019， 22（11）： 180-181.

[8] 张琳. 核电站三维设计验证平台的开发[J]. 计算机系统应用， 2019， 28（12）： 99-104.

[9] 向朝辉. 三维数字化设计——PDMS在现场管道设计中的应用[J]. 城市建设理论研究： 电子版， 2017（24）： 105-106.

[10] 焦力兴， 杨泽恒. 三维技术在核电工程建设中的应用探索[J]. 产业与科技论坛， 2017， 16（6）： 77-78.

作者简介：

宋元鑫（1986—），通信作者，男，北京西城人，中级工程师。研究方向：高温气冷堆三维设计。

E-mail： yxsong@chinergy.com.cn

（收稿日期：2020-06-03）

Application Analysis on 3D Collaborative Design Platform for Nuclear Power Engineering Design

SONG Yuan-xin

（CHINERGY Co.， Ltd.， Beijing 100193， China）

Abstract： 3D collaborative design platform is an integration of digital， virtual， stereoscopic and intelligent design， which is favored by more and more nuclear power engineering design units due to its intuitiveness. The application characteristics of 3D collaborative design in layout design， model storage and graphic display for nuclear power projects are introduced. The advantages of 3D design for the nuclear power engineering design are ensured， and its impact in improving the rationality of engineering design， facilitating the management of engineering data and improving the quality of construction drawing design are analyzed. The challenges brought by 3D design for nuclear power engineering designers， database customization and design changes are stated， and suggestions for improvement are put forward： 1） improve the adaptability and proficiency of designers in 3D collaborative design; 2） increase the investment in database customization to realize multi-project reuse; 3） form a 3D collaborative design standardization system and mechanism. Scientific and accurate application of 3D collaborative design platform can enhance the core competitiveness of nuclear power engineering design units.

Key words： Nuclear Power Engineering; 3D Collaborative Design Platform; Layout Design; Construction Drawing Design; Design Change; Database Customization; Standardization System