垃圾焚烧发电厂汽水管道基于OPSE的三维支吊架设计应用

垃圾焚烧发电厂汽水管道基于OPSE的三维支吊架设计应用

张文坤郑鹏

（中国恩菲工程技术有限公司北京100038）

摘要：针对汽水管道支吊架设计中现有设计方法出图效率低、出错率高等问题，基于Bentley三维设计平台下的OpenPlantSupportEngineering（简称OPSE）采用二次开发的方式实现支吊架实体建模及自动出图，提高了设计环节的工作效率和出图质量，为相关的设计提供了一种新的方法。

关键词：实体支吊架、OPSE、三维设计

0引言

近年来，各大工程公司都普遍开始使用三维设计软件，三维设计在机械、建筑、石化、煤炭、钢铁、有色等领域广泛应用，使得设计效率和质量与原有设计手段相比都有了长足进步。但目前三维设计软件在各行业应用广度不断提高的同时，各个工程公司结合所在行业特点对三维软件能够达到深度的要求也越来越高。从而国际通用的三维设计基础平台和专业设计软件在中国工程建设领域落地的最后一公里问题，包括大量软件的本土化和行业适应性，成为三维设计技术在实际工程应用中普遍存在的最大瓶颈，进一步解决三维软件在实际工程中的应用成为迫在眉睫也势在必行。而基于底层对二次开发的开放和支持程度给使用者针对各自需求，通过专业定制建立一套科学、高效、合理的适合自身工程三维数字化协同设计的解决方案成为现实。

随着管道三维设计软件在火力发电厂设计中的广泛应用，国内电力行业数字化设计水平得到显著提高[1]。OpenPlantSupportEngineering工厂设备建模软件可对管道、电气和HVAC设备的详细支持内容进行快速准确的设计和建模。其自带的元件和组件可完成实体支吊架建模并实现单个支吊架出图，但其元件组件库较少并且没有垃圾焚烧发电厂汽水管道所需的水利电力部西北电力设计院《火力发电厂汽水管道支吊架设计手册》的元件及组件。另外，bentley系列软件中管道建模采用OpenPlantModeler，应力分析采用Autopipe软件，所以在管道设计时需要采用上述三个软件模块数据有效传递，但现有的这三个模块之间的数据互不相通，这样在使用OPSE软件时还无法满足垃圾焚烧发电厂工程设计需要。所以我们需要在OPSE基础上通过二次开发实现工程设计所需的功能是解决支吊架三维设计的必由之路。

1汽水管道支吊架传统设计方法

管道支吊架在工程应用中起到承受管道荷载、限制管道位移、保证管道稳定减少管道振动等作用，所以支吊架在设计时需要满足上述功能，同时还需要充分考虑是否满足每个支吊架的生根条件，而且还要避免管道之间、设备、电缆桥架、建筑等发生硬碰撞，以及在管道运行状态下由于热力管道的热态下位移还需要避免与上述要素间发生软碰撞。

与手工进行计算和绘图的设计方式相比，目前管道支吊架可利用计算机软件进行辅助设计，并且可对支吊架建立三维模型，在三维软件中可进行实体建模进行展示，大大提高了设计工作效率，减少碰撞等问题的发生。但是目前管道支吊架设计流程仍然较为繁琐，主要问题是目前的支吊架设计所使用的应力分析软件、支吊架设计软件、三维工厂设计软件各自是独立的软件，在不同的软件中需要重复建模、数据输入等，而且支吊架三维模型是在相应的计算完成之后建立的，往往滞后于管道三维模型，导致支吊架碰撞经常不能及时发现，支吊架的重新调整和计算增加了设计人员的工作量，甚至可能造成建设工期的延误。

2基于OPSE管道支吊架设计系统及设计过程

根据垃圾焚烧发电厂汽水管道常规设计需要，利用OPSE软件进行二次开发，主要增加三个设计系统，结合现有设计过程完美的将设计工作完全转移到三维设计系统中。管道支吊架设计系统包括：

1）实体支吊架插入模块；

2）应力分析处理模块；

3）支吊架出图模块。

管道支吊架设计过程：在管道三维模型布置完成后导入应力分析软件进行管道应力分析，应力分析过程中选定管道上的支吊架节点和支吊架类型，并完成该管道走向修改及导出应力分析报告，应用应力分析处理模块读取应力分析报告筛选并获取支吊架设计所需要的数据。根据在应力分析过程中对管道支吊架的选型信息使用实体支吊架插入模块完成该管道上每个支吊架点的实体支吊架插入，并通过应力分析处理模块将每个支吊架点应力数据、位移数据、弹簧计算选型结果等数据导入每个实体支吊架模型，使其除了具有实体材料数据的同时附加上应力分析数据，成为信息完整的实体支吊架。然后进行全模型碰撞分析，对实体支吊架与周围管道、设备、结构等进行碰撞分析，找到碰撞点并加以处理，如需要修改管道走向或支吊架形式可重复上述步骤。当模型检查无误后使用支吊架出图模块进行整根管系上所附支吊架的自动二维出图，每张支吊架图纸上包括支吊架视图及尺寸信息表、支吊架材料表、支吊架位置定位图、支吊架应力分析数据表、支吊架轴侧视图等信息。然后结合土建模型提出土建埋件条件，并在模型中切出土建预埋件条件图。

图1发电厂房汽水管道实体支吊架布置图

3实际工程应用

以某一垃圾焚烧项目发电厂房的汽水管道设计为例，通过对管道支吊架三维设计、实体建模、自动出图方法的二次开发，实现了管道支吊架全过程三维设计，并能通过三维软件自动切出土建预埋件条件图供相关专业配合设计。此套系统的应用在三维管道设计更加直观精准的基础上，使管道上附属的支吊架实现实体建模，使模型更加接近现实有利于设计人员更加有充足的精力放在支吊架设计优化上。

垃圾发电厂房汽水管道支吊架设计是不可缺少的重要组成部分，其各类支吊架图纸占工艺总图纸量的30%~40%，所有汽水管道支吊架数量2000~3000个。每个支吊架要经过应力分析计算选取，还要考虑合适的型式和生根位置。根据上述支吊架设计过程实体支吊架的插入采用二次开发后的元件库选取与应力分析相一致的组件并依次完成单个支吊架组合件的实体选型（图2）。

图2OPSE实体支吊架工具栏及操作视图

在完成实体支吊架建模后应用应力分析处理模块将应力分析报告导入到实体支吊架中并生成逻辑支吊架实物点，用以管道切平剖图时作为二维图纸支吊架点的标记。每个支吊架点的应力分析数据导入后可使用支吊架属性对话框查看支吊架的数据，包括该点冷热态位移、安装载荷、工作载荷、结构载荷、支吊架编号、支吊架图例、实体支吊架尺寸信息等数据。还具有支吊架统一编号，和应力分析数据重载功能按键。并能提示该支吊架是否已关联逻辑支吊架实物点号等功能（图3）。

图3支吊架逻辑点视图及支吊架属性信息对话框视图

当完成支吊架实体模型设计后，最后进入到从三维模型出二维图纸的步骤，此部分为对OPSE进行二次开发的核心，也是国外三维设计软件本土化的关键。是否能够自动、一键、标准化的完成由三维模型出二维图纸是能否提高三维设计效率首要解决的问题。为了解决此问题并应用在垃圾焚烧项目发电厂房的汽水管道设计中两三千个支吊架能够成批出图，对此进行了大量开发工作。实现了单根管道支吊架全自动成批出图，图纸中包含每个支吊架的应力分析数据、支吊架安装数据、支吊架详图、支吊架平面定位图、三维轴侧示意图、支吊架材料明细表，并可最终实现所有支吊架材料汇总完成CAD格式或EXCEL格式的材料清单（图4）。

图4支吊架出图功能示意图

在垃圾焚烧发电厂中，支吊架根部与混凝土梁、板、柱一般通过预埋件进行固定，因为工艺管道专业需要向结构专业提预埋件条件。在应用三维设计时预埋件条件关键在于如何使用三维软件进行实现。要点是各种支吊架型式是其根部的坐标信息及生根面信息需要从三维模型中导出。主要的预埋件包括梁底、粱侧、板底、柱侧、楼面/地面等预埋件。三维软件导出其生根坐标信息的同时，需要将应力分析计算获得的各个支吊架点的载荷信息导出。不同类型的支吊架载荷信息不同，主要有XYZ三向的力的信息和XYZ三向的力矩信息。将这些数据汇总到定制的表格中，并结合二次开发的标注工具在三维模型切出的埋件位置图中标记上支吊架位号即可生成支吊架预埋件条件图。

图5每个支吊点预埋件条件图

4结论

三维设计被视为既摒弃图板设计后的又一次工程届的革命性改变，而三维支吊架设计极大地提高了工程设计的质量，并大大缩短了安装周期。对OPSE的二次开发实现三维支吊架设计与传统设计流程相结合并达到传统的出图要求，对三维设计软件在工程中的应用具有重大意义。二次开发的方法也对提高国内工程应用国外三维软件的使用深度具有一定借鉴意义。

参考文献：

[1]刘明，白佳.基建阶段火电机组管道支吊架全过程监督管理探讨[J].内蒙古电力技术，2017，35（4）：87-91.

[2]水利电力部西北电力设计院《火力发电厂汽水管道支吊架设计手册》.