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摘要:大型化工装置结构设计是工业设计院设计过程的关键环节，其特点是：结构空间体系复杂不规则，且还需要解决与密集的管道、设备管口碰撞问题。本文以某海外石化有限公司60万吨/年VCM装置二氯化烷精制单元设计为例，利用TEKLA STRUCTURE强大的三维表达能力，通过创建三维信息模型、建立各类数据库、基于软件的二次开发等方法，实现了由传统二维设计向三维信息化设计的转变，增强了化工装置结构设计的真实性与协调性，成功实现了结构标准节点设计自动设计、结构工程量自动获取、图纸自动抽取等一系列应用成果。
关键词:结构三维设计 大型化工装置 三维信息化
1、背景：
大型化工装置设计是工业设计院业务领域的一个重要组成部分。各大型化工装置设计都有一个共同的特点：空间布置复杂不规则。其中连接各个生产装置、各个生产设备之间的是一组组的空间管线、桥架。管线高低不平、错综复杂，在二维的CAD图纸上已经很难清楚的表达各个管道的布置。基于这种特征，同样是需要进行空间设计的大型化工装置结构设计，就非常迫切的需要一种三维化、协同化、信息化的解决方案。其不仅能够直观的进行三维空间表达，同时还需要具备基于三维模型实现结构计算分析、节点详细设计、工程量自动分类获取、图纸自动抽取等功能。
TEKLA STRUCTURE（下文简称TEKLA）是一款先进的结构三维设计软件，他是通过先建立具有数据信息的三维模型后，自动生成结构布置图、节点详图、各种报表的BIM软件。其所有设计成果以模型为准，因此设计人员能容易的发现空间布置中的碰撞点，以空间多视角的模拟确保设计成果的正确性。
2、工程概况：
本项目为某海外石化有限公司60万吨/年VCM装置二氯化烷精制单元结构设计。其中二氯化烷精制单元框架的结构形式为钢结构支框架，层数4层，总高度23.1米。钢结构框架中有多台塔型设备。如下图所示：
3、结构体系特征：
根据工艺要求，布置专业在初设时将二氯化烷精制框架与工艺塔组合在一起，导致在整个二氯化烷精制框架范围内的设备、管线的布置十分密集。各类管线在楼层范围内的水平横穿、楼层与楼层之间的竖向贯通现象均大量存在。
该装置最为核心的设备是由外商提供的工艺塔。由于计算规范、计算软件不一致，外商提出来的荷载条件十分巨大，这些荷载通过该设备传递到钢框架上，导致框架的梁、柱断面都十分大，在一定程度上有可能影响设备上人孔的开设、管道的走向。在钢框架顶部还布置有附属设备及各类动力管线。在生产使用阶段，这些附属设备将给钢框架传递较大的水平力和竖向力，这些荷载需要较大的梁柱断面、密布的柱间支撑来抵抗。在很大程度上这会影响管道的走向。
该项目为EPC总承包项目，业主方对于进度控制的各个时间节点卡得很严，稍有拖延面临的就是大笔的进度罚款。鉴于以上这些情况，在以往的项目中所采用的设计完后再建模、材料到现场后再根据现场配管等实际情况修改设计图纸并施工的模式不再可行，要求三维设计必须尽早的介入，将大量的不合理设计、大面积的碰撞情况消灭在设计阶段，尽可能减轻现场的修改内容、尽可能的加快现场的施工进度。
4、三维方案设计：
常规的方案设计主要是需要完成柱间距布置、主梁平面基本布置、设备支撑主梁平面布置，以及装置框架的垂直支撑体系，水平支撑体系布置。笔者改变传统方式，在方案设计阶段，基于TEKLA搭建一个初步的未经计算的结构模型，其涵盖构件为：主梁、主柱、主支撑等构件。通过这个模型去与其他专业进行沟通与交流。在布置专业提出布置条件时，依据方案设计模型中主梁、主柱的定位，可以快速构建起整个装置的结构体系。
整个二氯化烷精制单元的核心设备就是工艺塔、上升下降管组成的体系，而这个体系将工艺塔、二氯化烷精制单元框架串在了一起。不可避免的就会有大量的管线交织其中。二氯化烷精制单元框架是一个钢框架，钢框架在其柱的弱轴方向必须每一榀都要设置柱间支撑。因此，在方案设计阶段初期，就在三维模型中确定下来柱间支撑的位置，而不是计算乃至平立面制图都完成后再与布置专业沟通此柱间支撑是否设置合理。
二氯化烷精制单元框架中布置有较多的卧式设备，这些设备大多跨度都比较大，因此根据这些卧式设备的走向基本可以确定柱子的方向。在确定了柱子的方向后，根据模型进行三维可视化设计，一榀一榀的观察管道穿行的情况以确定柱间支撑可以布置在哪些地方。
5、三维计算分析：
由于TEKLA是一款三维设计软件，起软件功能中并没有完整的分析计算模块用来进行结构计算。但由于其可以在三维模型中根据实际情况空间布置荷载，并根据国标对荷载进行组合。因此如果能够实现三维模型与计算模型数据之间的互导，将事半功倍，大幅提提升设计效率的同时，还可以在TEKLA里直接布置次梁、支撑等详细设计构件。
目前国内的主流化工结构分析是使用的建科院PKPM软件进行结构的计算与分析，但是由于软件数据库的制约，现阶段通过TEKLA与PKPM进行数据交互的这种模式还无法实现，只在一定精度上将简化后的计算模型导入到TEKLA中，而且这个步骤需要大量的修改工作，十分不经济。故笔者最终放弃了以PKPM进行计算分析的模式，采用了能够与TEKLA完美数据交互的STAAD PRO进行结构设计分析。
将完成了方案设计后的二氯化烷精制单元，按照标准形式布置上次梁构件与水平支撑，保证参与计算的结构构件能组成完成体系，满足基本计算简化模型要求。利用TEKLA的荷载功能，直接将各类设备、操作荷载等恒荷载布置在TEKLA构件上。由于TEKLA是基于数据库进行建模的，因此完成荷载布置后每个单根构件的数据属性中会自动出现其相应的荷载情况。而活荷载的布置通常是以面荷载的形式存在，而模型在进行数据交换的过程中，面域的分割会导致在计算软件的分析中，有限元网格会出现比较大的差异。因此笔者最终选择将活荷载放置到STAAD PRO中进行布置。
完成荷载布置后的模型，需要使用二次开发的数据交互端口D-LINK进行模型交互。该数据交互端口是基于标准CISii数据标准进行的数据传递，能够完整的传递杆件、面单元、荷载等结构体系，保证分析结果与设计一致。数据交互完成后，在STAAD PRO中就会有具有完整构件、荷载及其他约束信息的分析模型。根据结构计算要求，在STAAD PRO中进行分析，分析完成后同样是通过D-LINK数据端将分析结果进行回归。最终实现了分析与设计的交互。
6、三维详细设计：
结构的详细设计阶段也称之为工程图设计阶段，是整个大型化工装置结构设计过程中工作量最大的一个阶段。这个阶段中需要基于计算分析结果对设计成果进行图纸表达。同时过程中还需要不停的与相关专业进行对接，布置孔洞、增设次梁、避免碰撞干涉发生。实际设计过程中各因素考虑得更详细也会带来主、次梁的截面，次梁的走向、定位的变化。同时在这个过程中也会布置平面水平支撑。详细设计是一个时间持续较长的过程，在这个过程中其他各专业必然不断地反馈模型中存在的问题、他们新的需求及修改，这些也将带来一定量的修改工作。
笔者首先对TEKLA模型的深度和精度进行了细化。修改的重点是调整主次梁的截面、次梁的定位，这些信息需要与详细设计的成果保持一致。在调整完成后通过ACSII的数据格式将TEKLA模型导入到工厂设计系统中供其他专业参考。由于在布置次梁的阶段就重点注意了有可能存在的管道开孔，因此在布置专业提出管道开孔条件时所需要修改的内容已经不是很多了。直接的梁与开孔碰撞并不多见，大多数都属于水平支撑与开孔的碰撞。在此时就需要结构专业与管道专业一起在模型里查看，确定支撑和开孔的精确位置，并修改。
TEKLA的出图原则为切割原则，既在模型对应的平立面上切割一刀，所见即所得。而目前国内的设计成果表达仍然大量为二维平面图纸，不是以三维模型进行设计成果交付。因此软件抽取的图纸仍然需要二次加工后再作为设计成果。笔者以TEKLA模型为中心，独立开发了一套图纸模板，采用图纸组合的方式，将模型与传统二维图纸进行穿插融合，保证平立面布置的杆件图及构件标注能够直接从模型中表达。
7、深化设计阶段
深化设计是一个非常繁琐设计过程，需要依据节点设计标准，将钢结构的连接节点按照加工的标准进行设计。深化设计的计算工作量不是特别大，但是需要将所有的连接节点进行深化，通常节点的数量是构件的5倍以上。传统的常规做法是将钢结构深化设计外包给钢结构加工厂的。在钢结构深化完成后，钢结构加工厂将深化后的模型反馈给设计，作为深化设计阶段成果。
通过使用TEKLA的自动节点功能，首先建立了完整的节点数据库，其中涵盖了梁柱连接节点、梁梁连接节点、垂直支撑连接节点、水平支撑连接节点，钢楼梯连接节点、直爬梯连接节点。数据库节点主要控制参数为构件的截面尺寸，当截面发生变化时，TEKLA自动对比数据库中对应截面的标准节点，完成自动节点匹配功能。进行装置框架节点设计时，只需要在TEKLA中将需要进行自动节点设计的构件全部选择，执行自动节点功能。所有节点即会以批处理的形式，与数据库进行对应，完成自动节点设计。自动节点设计成果与人工设计结果对照，完全一致。
8、结束语
经过此次某海外石化有限公司60万吨/年VCM装置二氯化烷精制单元的结构设计过程，实现了工业建筑全流程三维信息化设计、工业建筑智能建模、全自动节点设计、钢筋结果自动转换、工程量自动获取、图纸自动抽取等一系列成果。这些成果作为大型化工装置数字化移交整体概念中的核心技术，突破了工业建筑全流程信息化建设；工业建筑智能设计；工业建构筑物数据库整合、数据回归等瓶颈。
尽管目前三维设计过程中，还存在一些技术瑕疵和和问题需要解决，但是笔者编写此篇文章更大的用意在于抛砖引玉，希望在以后的设计过程中多用三维设计、善用三维设计。三维协同设计是BIM的一个重要组成部分，也将会是未来的潮流。
参考文献：
【1】 中国建筑信息模型标准框架研究 中国建筑工业出版社，2011
【2】 陈健陵 Tekla Structure在电站锅炉烟风道详图设计中的应用 中国钢结构协会锅炉钢结构分会年会，2012
【3】 周署宾 三维详图设计软件Tekla Structure的二次开发 城市建设理论研究，2013
【4】 高剑 Tekla Structure的二次开发在工程中的应用 施工技术，2018
论文作者:侯零凯
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/24
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