应用研究
李晶1，谭红莹1，刘钰2
（1.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）（2.中海石油（中国）有限公司天津分公司， 天津 300451）
[摘 要] 海上平台是我国海洋油气田工程开发的重要设施，其设计阶段主要分为基本设计、详细设计、加工设计三个阶段。为保证设备布置及总体方案的合理性及协同性，近年来基本设计阶段已经启动三维建模工作。但受限于基本设计范围侧重及工作周期，短期内高效三维建模方法逐渐受到工程公司重视。本文以基本设计管理要求为出发点，探索高效三维建模的实施方案及工程应用，可对海上平台工程开发设计提升及数字化应用提供一定的指导作用。[关键词] 海上平台；基本设计；三维建模；高效建模；数字化
作者简介：李晶（1985—），男，天津人，研究生学历，高级工
程师，海洋石油工程股份有限公司工程师。
2020年，突如其来的新冠肺炎疫情对我国经济社会造成巨大冲击，国际油价“断崖式”下跌使全球油气行业陷入低迷。极低油价叠加新冠疫情，给海油行业造成巨大影响，发展面临的外部环境异常严峻复杂，面对疫情和低油价给行业增储上产带来的巨大挑战，海油人主动作为，坚定不移推动“七年行动计划”的实施，坚持提速提效原则，不断改革创新，保障增储上产成果。海洋平台三维建模技术已在工程各阶段全面应用，经过多年的研究和完善，已有一套完整的流程和行业规范可循，而基本设计工作周期较短，作为主体方案、项目报批、投资概算的前端，其三维
建模的需求及时效性已逐渐在项目中提出。
本文以渤海某项目基本设计三维方案及应用进行梳理，并针对其三维高效建模方案及应用进
行延伸，梳理和探索更适用于该行业高效建模、数字化发展进程的办法。1 基本设计三维概况
基于集团公司管理规定，基本设计（简称基设）主要工作任务是对总体开发方案的内容深度确认；在总体开发方案基础上，对工程设施的设计内容进行深化和必要的优化，确定具体的工程技术方案，使项目经济性更加合理；考虑现有建造和安装能力，使设计成果具有施工的可实施性。
1.1 基本设计三维目标
基于上述基设工作定位，其三维工作主要定义为三维工程师通过计算机辅助设计系统，应用相关三维
设计软件，依据基设方案和成果在计算机三维空间模拟项目的设计模型；基设工程师在该模型环境中进行方案设计、可行性检查、完整性核实，发现方案中的缺陷、优化专业设计，最终建立一个总体开发性的设计模型。其具备以下应用目标： 以三维模型复核总体方案，通过模型可视化等角度论证总体方案的可行性及匹配性；
通过统一平台论证多方专业设计在总体开发
表1 渤海某项目基设三维范围&深度要求
方案中的协同性、经济性及完整性；
关键节点及审查时，利用三维模型的静态和动态展示，辅助工程技术的合理性；
如涉及重大工程方案，如海上吊装等，需利用三维模型对方案可行性进行施工模拟。
即基设三维主要用途，为论证总体方案合理
性及可行性，校核部分关键工程方案以及为设计成果及方案审查做必要支持。1.2 基本设计三维范围
参照项目企业标准及以往项目要求，其基设三维范围如表1所示：
专业
深度要求
机械暖通
只做总图中设备和发电机房中的设备，需表示出设备类型及操作面，要求详细建模。房间中的风管（仅限于
集中空调）
安全只做救生艇、救生筏、救生圈、逃生通道电气主开关间、主变压器间内的变压器、盘柜，海缆接线箱、宽度600mm以上电缆托架仪表中控室内控制盘柜，宽度400mm以上电缆托架通讯无
管道只做撬块之间的管道（管排考虑2寸及以上，其余考虑4寸及以上）及4寸以上的阀组结构全部结构构件
舾装只做房间墙面及顶板，防火墙，梯子，栏杆其它
直升机
鉴于上述工作目标及范围描述，基设建模大致可理解为方案性建模，其对完整性和厂家设备定制化等有一定限制性，比如管线仅完成4寸及以上的管排&阀组。
因此本文主要以上述基设三维目标及特点为出发点，考虑相应三维高效建模方案。2 三维高效建模方案推荐
结合上述基设三维目标范围和基设项目特点即周期短、建模多、输入迭代等，因此推荐以下高效建模方案。
方案一：结构计算模型数据延用；方案二：多维度跨平台模型转换；方案三：企业级三维素材库搭建；
注：相应高效建模方案是基于基本设计建模深度、工作用途以及项目流程开展，即其在其他阶段的适用性及优化性，还需另行评估及调配处理。
3 方案一结构计算模型数据延用
海上平台结构专业通常使用SACS （Structure Analysis Computer System ）软件完成结构计算模拟。以往项目设计流程中，结构工程师需先应用SACS 软件进行模拟计算，然后采用Auto-CAD 绘图，再在三维软件PDMS 中上对照Auto-CAD 文件
进行建模。这样造成同一个钢结构两次建模，工作重复、效率低。
通过对比两个软件数据结构，发现其计算结构图机理存在相似之处，并制定了相应工作程序，可使用把SACS 模型直接导入PDMS 的方法。基本原理如下所示：
通过SACS 软件接口，输出通用数据文件（如DXF 格式）；
利用人工或批量处理该文件，使其与PDMS 软件数据库对应；
最后利用PDMS
导入模块，将处理模型导入。
图2 SACS软件中计算模型示意图
在渤海某项目中，以实现SACS结构计算模型数据延用，后续根据总体方案，完善其余专业布置，并增加电仪、设备、管线等专业输入，即完成基设项目的三维模型。所以基设阶段，该方案效果非常明显，不仅为三维建模节省了大量时间，同时为对比论证提供完整实体审查，减少设计失误，具有特别的意义。
4 方案二多维度跨平台模型转换
目前常见三维软件有Auto-CAD、PDMS、Solid-Work、Analysis等，但由于厂家、数据库等多方面原因，企业间、厂家间、甚至部门间三维软件平台都不尽相同。且跨平台转换时经常出现数据丢失、特征缺失、模型畸变，甚至造成转换失败等问题。上述问题不仅影响项目应用及数据参考，同时对于三维高效建模的发展产生制约。
本文中多维度跨平台模型转换，作为结构计算模型延用方案的拓展，同时考虑基设深度要求，其重点关注几何数据，包括空间数据描述及特征，如点点、线、面等元素。
4.1 经专用接口进行转换
计算机辅助设计发展初期，为了满足在不同软件平台之间模型转换需求，各大软件公司都设置专项模块，用于开发数据转换接口，优点是专用转换接口能够最大程度保留原三维模型的数据信息，缺点是任何两个软件平台之间都需要单独开发转换接口。但随着软件平台种类的增加，专项模块开发耗费大量成本，且软件更新升级后，尚需要重新开发。
如今跨平台软件接口已成为评价三维软件功能的重要指标。以PDMS软件为例，其虽支持其它软件平台模型的导入，但仍需专用接口模块，且对应格式要求较为复杂。经实测结果看，其可满足几何数据转换，但树型、特性、属性等信息无法完全转换。
4.2 经中性格式进行转换
现国际上已明确一系列标准化的中间格式，一定程度上缓解了转换接口过多的问题。Iges和Step是最常见的两种格式。Iges标准发布较早，内容相对单一，拓扑关系容易丢失，目前使用较少；Step支持的数据信息相对较为丰富，且Step协议，对模型颜、标注等信息的支持更加完备。
以PDMS软件平台为例进行测试，标准中间模型Step文件可直接导入，供PDMS软件读取，但由于其计算机图形构架存在差异，因此无法进行参数化编辑。总之，中性格式主要出于兼容性考虑，其数据结构较为简单；但部分软件的数据格式无法完全映射到中间格式，因此致使转换后特
征残缺或出现其它错误。
图3 基于渤海某项目中STP格式导入PDMS工作流程
示意图
4.3 经专用软件进行转换
市面上同样存在三维模型转换专用工具，其工作原理是在数据转换过程中，采用交互式算法，对软件无法识别或表达不清的环节批量修正，如Collaboration Gateway、Accu-Trans 3D等。
以Accu-Trans3D为例，其支持主流三维软件平台数据转换，并可实现参数化特征信息交换，其通过存储特性数据，可在目标软件重建、编辑和修改参数化特征模型。通过多重特征转换器结合，可以将零件的全几何显式模型导入到装配体模型中，并提供FCA（Feature Creation Analysis）功能对转换后的特征进行几何校验，在此基础上还可以通过MMC（Mirror Model Comparator）进行更精确的双向校验。但问题是模型转换专用工具，一旦三维软件版本更新，专业工具也需同步升级。
由此可见，采用专用接口、中间格式和专用转换工具，具有各自的优势，同时也存在各自的问题。渤海某项目使用过程中，优先选用中性格式转换方式，无需单独耗资购置专用工具，在转换过程中较好地保存了三维模型几何数据信息。
5 方案三企业级三维素材库搭建
基于高效建模方案特点，无论是计算数据延用还是跨平台模型转换，其都需要上阶段或企业自身项目的积累和储备。因此将企业级三维素材
库搭建，列为高效建模方案考虑之一。企业级三维素材库功能与数据库接近，但不同是其定位涉及企业背景、发展方向及项目实践，且存储工作中频繁使用、深度定义、公司综合评估素材集。鉴于该项工作存在一定的系统性和体系性，因此并未作为渤海某项目工作范围，但可在后续工作中持续完善和素材积累。其具体搭建思路如下：（1）锁定目标对象的素材库库范围。设备类可锁定几个固定的较全面的设备分类，如常压容器、压力容器、离心泵、电站等；电仪类可锁定房间盘柜的基本形式、电仪托架规格、现场设施/表件等；以上述为例，可将企业资源或以往项目应用材料收集到本地，建立信息数据库和索引数据库，从而对工程师提出的检索做出响应，之后由人工对抓取到的资源进行分类、筛选，从而得到相应的三维素材库。
（2）对三维素材库的定义。考虑项目资源及软件版本的迭代性，推荐使用中间格式来进行基础素材的储存。其不仅有利于数据分类，避免盲目笼统地进行收集素材，同时考虑其主要受众对象是工程师，可以将素材以类型、规格、应用项目、外形尺寸、特殊备注等工程语言进行标签化，这样的素材库才显得具有操作性且目的性明确。
（3）建立实用的网络数据库平台。美观且实用的网络数据库平台可实现素材资源共享的功能，一个实用的数据库可供用户进行检索、上传和下载等功能。同时，应对用户进行分类管理，检索功能应开放面向所有用户；上传功能开放给部分申请上传素材的用户，后台管理员对上传数据进行审核通过后才可发布，这样可实现素材库内容的不断更新。
6 高效建模应用及总结
以下应用数据均来自实际项目，具体信息如下：
方案结构计算模型延用多维度跨平台模型转换企业级三维素材库搭建应用项目渤海某项目渤海某项目NA
应用场景基设前期基设&详设全阶段
转接口应用专业结构全专业全专业
应用效果节省二次建模，简化对比审查，满
足基设要求
中间格式：现阶段实现几何数据转
化
完善企业标准素材库，提高后续项
目效率
改进措施对于部分节点细节处理还需调整特性属性数据转化有待提升持续开发中
表2 高效建模方案应用表
相比较传统的三维建模，高效建模方案已部分实现了从传统设计跨越至智能化建模的突破。随着技术的发展，三维设计在数字化发展中得到了极大的提升，高效建模的能力越来越强。随着海上油田工程开发呈现集成化、标准化、可视化及交互化的的发展，高效建模必将实现突破，以更加高效和科学的方法，实现数字化提升，生产效率大大提高，为海上平台工程建设高效发展提供有力支撑。
收稿日期：2021-01-14；修回日期：2021-05-07
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