首钢国际工程公司创新协同三维设计

首钢京唐钢铁厂是列入我国重点建设项目，是首钢国际工程公司作为总体设计单位的项目。按照新一代钢铁厂的新功能、新结构、新流程和坚持“高起点、高标准、高要求”的建厂方针，为实现钢铁厂“产品一流、技术一流、环境一流、效益一流”和“精品板材生产基地、循环经济和自主创新示范基地”的建厂目标，首钢国际工程公司将协同设计管理平台和三维工程设计手段集成创新并应用于设计项目，全面提升了首钢京唐钢铁厂的设计效率和设计质量；这是国内冶金企业首次通过协同设计管理平台采用三维工厂设计技术，进行数字化工厂的建设。

　　首钢京唐制氧厂三维工厂设计模型

1、研究背景

由于冶金工程专业多，标准不统一，针对首钢京唐钢铁厂设计目标，需采用协同设计管理平台和三维工厂设计集成，构建适合开展协同设计管理工作环境下的三维数字模型，改变以往设计流程，将设计审核提前，展现首钢京唐钢铁厂的宏观立体全貌，才能极大地节约人力，缩短设计工期，提高设计的准确性。首钢国际工程公司通过改变传统的设计习惯，对设计进行动态的、参数化的设计，积累设计管理框架模式和高水平的可视化数字模型，在设计应用中将数据和软件资源整合与共享，使下游专业能够方便地利用上游专业的成果，在不同专业软件之间进行协同设计管理及设计流程的变革。同时，还通过建立三维数字模型，把以往施工过程中才能发现的碰撞问题消灭在设计阶段。

首钢国际工程公司在首钢京唐钢铁厂多个项目中采用协同三维设计手段，包括：首钢京唐钢铁厂厂区（地上、地下）综合管网、2250热轧地下综合管网、2250热轧加热炉、5500m3高炉、75000m3/h制氧厂、1580热轧项目等。较好地实现协同设计的基础就是计算机网络和多媒体技术，采用协同设计管理平台可以不受地域与时间的限制，在公司内部不同设计部门、不同专业之间进行协调和配合，在一个统一的平台上通过联网的计算机进行讨论方案和工作交流，增强项目的协同性，改进设计质量和进度，确保首钢京唐钢铁厂协同三维设计顺利实施。

　　首钢京唐钢铁厂工业炉三维工厂设计模型

2、协同三维设计主要特点

2.1构建全新的设计模式

协同三维设计突破传统的设计习惯和流程，改变常规设计是主工艺、土建、其它专业配合设计的串行工作模式。将串行设计转变为部分并行设计，在协同三维设计环境下各专业同时开始工作，每个专业的每个人及专业管理人员都能“实时”看到对方的设计，实现各个专业的并行设计。建立起并行的协同三维设计工作模式，要制定出并行设计工作规则和标准，根据冶金专业特点制定项目文件目录结构，按照参与项目的专业或部门进行项目任务的分解和工程内容的组织、规范文档命名、完善安全机制等。

2.2集成应用提升设计精准性

整合集成应用是协同的技术核心，协同三维设计通过整合集成实现CAD参考图管理，采用基于网络的文件参考管理方式，文档直接进行相互间参考、互用操作，使得协同三维设计的内容可以得到及时更新，既保证文件的独立性和安全性，又保证协同三维设计的准确性。首钢国际工程公司提出并采用多级嵌套参考文件管理使用策略和思路，使不同专业已形成的设计文件可以不受干扰地反映出来。由于首钢京唐钢铁厂管网中管道局部交叉部位众多，既有大管径的水管，又有众多小管径的燃气管和液压管等，设计难度大。而三维设计模型包含了属性特征，多专业设计在统一协同设计环境进行三维模型检查，能够真实反映实际构造，可以直接观察出碰撞的结果，避免二维软件很难发现的管道与管道、设备、结构、建筑、电器、空调等碰撞问题，使安装时的碰撞问题在设计过程中得以解决。首钢国际工程公司协同三维设计系统，还可以实现协同三维设计中材料报表统计自动按照需求分类进行精确统计，解决了材料统计不准确，反复修改设计，反复统计等问题。在设计环境中实行动态协同设计管理，可以有效缩短设计阶段文件之间的关键路径，达到查询视图的可视化界面，形象直观，准确地表达出设计意图，使设计精准性得以提升。

2.3建立冶金行业标准管件数据库

在首钢京唐钢铁厂协同三维设计项目中，从三维工厂模型建立→碰撞检查→提取施工图→提取材料报表→模拟施工进度设计全过程，有标准元件数据库支持，使其具有高度的一致性。数据库中记录着管件的直径、压力等级、端面连接方式、管子的壁厚、材质、管件标准、重量、生产厂家……等等一系列管件属性参数，有了这些管件属性参数的支持，使得在三维模型中每一个管件都带有相应的属性信息，能从数据库中抽出相应的二维图、ISO图及材料报表等。首钢国际工程公司在三维设计的应用实践中不断积累冶金行业标准管件数据库，建立符合冶金专业特点的标准管件数据库，最大限度地实现了资源的优化和共享，并不断对数据库进行扩充、充实和完善，标准化数据库的采用增强了三维设计的开放性和通用性，增强支持设计过程的自动执行能力、可实施性和主动适应能力。

2.4确保设计工期

协同三维设计方案在交付业主前，业主可以通过协同三维设计平台了解项目的设计情况，及时更改设计方案，利用已有三维模型直接生成二维图，既减少设计图纸变更又能够避免可能出现的施工过程中的施工返工，使设计图纸更符合施工要求，为施工方提供完整的设计资料。在设计阶段预先完成的碰撞检查和模拟安装三维模型，既能满足建设方的安装指导又能满足业主虚拟工厂培训和今后日常维护与管理，协同三维设计可以提供更出色、可行性更高的效率，赢得各方的满意。以热轧工程为例，如果出现多次严重碰撞，会影响总的投产工期。按吨钢利润计算，达产一天的利润为数百万元，拖延一天将会产生巨大的损失。

　　首钢京唐钢铁厂5500m3高炉三维工厂设计

3、协同三维设计的应用效果

3.1设计模式转变

首钢京唐钢铁厂协同三维设计在协同设计环境下，各专业同时开始工作，每个专业每个人与专业管理人员及项目管理人员能够实时看到对方的设计，既能浏览也能查询，各个专业并行设计适时展现工作成果，减少了协调解决问题时间，提高了设计效率，经济效益明显。

3.2设计精准性提高

三维工厂设计的特点是即通过建库、定制、建模、对模型赋予属性、干涉检查、安装模拟、自动生成管道的轴测图、二维施工图、材料统计表等，从一开始就建立出“三维效果”，然后再从“三维图”中直接生成“二维图”，提交高质量的设计和施工图。设计人员可以通过协同三维设计平台将设计细节及难点部位的设计意图和设计创意进行清晰的表达，通过高标准三维模型的直观形象感受，加强沟通和并行工作模式的应用，加快工作进度。据不完全统计，首钢国际工程公司应用管道碰撞检测，在首钢京唐钢铁大厂综合管网项目中共检测出严重碰撞点约九十多处，避免了施工现场出现碰撞时，设计和施工方返工和材料设备浪费等现象的发生。

3.3减少管理层次，审核提前

按照以往的设计习惯，设计审核在一审、二审完成后再审核，一个审核人员通常只能负责一个专业审核任务，会审只能通过多专业协作来完成。在协同三维设计环境中可以随时进行设计审核，也可异地参与三维工厂设计和审核，没有距离和空间，减少了审图人员重复翻阅图纸和计算核对数据的任务量。

3.4节约人力资源

从三维模型直接抽取二维图，投入人力少，节省人力资源，与同项目的二维设计相比，可以大大节省人力资源。现在三至五个人，三个月可以完成一个大型项目方案的三维布置，而这个工作量相当于过去二十几个人三个月左右的工作量。提取二维图纸仅设计和审核人员的工作量，至少可以节约30%左右。

3.5精确统计材料量

通过三维模型可以进行安装模拟，漫游模拟、检修空间的预览，抽取平面布置图、ISO图、支吊架示意图等；通过数据库实时抽取任何类型的数据统计表。通过实时抽取材料表，不仅节省了手工统计的时间，而且还提高了统计的精度。从目前的工程来看，自动统计材料量比手工统计节省5%～10%。大大提高材料概算的准确度。

　　首钢京唐钢铁厂热风炉轴侧三维模型

4、协同三维设计团队

从2007年至今，首钢国际工程公司整个协同三维设计团队通过不懈努力，运用动态有序、精准设计体系，完成了大型新一代钢铁厂设计，实现了新一代钢铁厂整体布局合理，技术装备先进、实用、配置合理、流程优化，单体工序技术装备水平高的目的，使得整个公司协同三维设计团队设计水平获得提升，开阔了设计眼界和思路。

经过首钢京唐钢铁厂设计过程的实践锻炼和设计技术人员的不懈努力，首钢国际工程公司协同三维设计团队逐步总结形成了公司冶金行业标准数据库，解决了冶金行业没有统一标准的三维建库和设计中遇到的问题，并发挥以点带面的示范效应，不断推进协同三维设计工作取得新的创新水平。

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