三维设计在高温气冷堆核电站设计中的应用
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[摘 要] 核电站设计是一项极其庞大且复杂的工作，必须采用先进的设计手段。20万千瓦高温气冷堆核电站示范工程的核岛设计采用了三维设计软件Smart 3D，创建了全比例三维模型，在虚拟的空间工厂中进行了三维工艺布置，并实现了管线综合与碰撞检查。三维设计在高温气冷堆示范工程设计中的应用表明，三维设计有助于提高核电站设计质量和效率，在60万千瓦高温气冷堆核电站设计优化与标准化过程中值得大力推广。
[关键词] 高温气冷堆;核电站设计;三维设计;设计优化与标准化
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 11. 078
[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2019）11- 0180- 02
0 引 言
高温气冷堆具有安全性好、发电效率高、小容量模块化建造等特点[1]。20万千瓦高温气冷堆核电站示范工程，是全球首座具有第四代核能系统安全特征的核电站。
随着硬件技术的迅速发展， 近年来一些国际知名的软件公司逐步开发和完善了一批能够付之于工厂设计的三维整体设计系统。这些设计系统突破了传统的在二维平面进行图纸设计的概念，将工程设计转化到在一个真正的三维电子空间建立工厂实体模型的实践[2]。
对于高温堆示范工程而言，其核岛设计应用了上述三维工厂设计手段，采用了计算机三维设计软件Smart 3D，创建了全比例三维模型，实现了三维工艺布置。通过三维设计在示范工程中的实际应用，证明了三维设计在提高核电站设计质量和效率等方面的重要性，在60万千瓦高温气冷堆核电站设计优化与标准化中值得大力推广。
1 三维设计在高温堆示范工程中的应用
三维设计在高温气冷堆示范工程核岛设计中的应用主要包括4个方面。
1.1 三维布置
由于工艺系统的设计要以建筑专业的轴线或墙体予以定位，所以需要首先完成建筑专业三维建模工作。高温堆示范工程三维设计组按照工程进度计划，收集各设计项的设计接口资料，根据设计接口资料提交的设计图纸，首先利用Smart 3D中的Structure模块，绘制核岛厂房的建筑轴线、墙体、楼板、结构梁柱等。
在建筑模型完成的基础上，开展工艺系统的三维布置工作。给各专业分配不同的专业权限，专业之间的设计能相互查看，但不能修改，不会产生干扰，所以针对不同的设计项，可以多人同时开展三维布置工作。
利用Smart 3D软件的管道模块对工艺管道专业进行精确的三维布置，各系统建立了自身的三维管道模型。利用Smart 3D软件的通风模块对高温堆示范工程的通风和负压排风系统进行三维布置，从而形成了通风系统三维模型。利用Smart 3D软件的电气模块，完成高温堆示范工程厂房内电缆托盘的布置。
1.2 管线综合与碰撞检查
高温堆示范工程设计过程中不可避免会出现各专业间的干涉问题。这就要求设计人员通过管线综合、碰撞检查，尽快发现和解决设计中出现的干涉问题。
示范工程三维设计组根据设计项提交的设计图纸完成三维建模后，通过开启三维设计软件的碰撞检查功能，进行工艺系统之间的干涉计算，并在三维模型中自动标记存在干涉问题的准确位置，形成碰撞检查报告。
通过管线综合与碰撞检查，将高温堆示范工程设计中存在的问题尽可能在施工图设计阶段解决，以减少后期现场安装的碰撞和干涉。
1.3 抽取綜合布置图
绘制综合布置图是一项综合性很强的工作，在示范工程应用中，从三维设计中抽取出了综合布置图，这是完成综合布置图比较高效的手段。通过综合布置图，可以了解到安装区域存在哪些设计项、各工艺系统的基本布置情况，可以直接用来指导施工、安排施工次序，可以控制各专业和分包的施工工序，减少返工，加快施工进度。
1.4 抽取ISO图和材料清单
在示范工程的实际应用中，按照ISO图出图深度规定，结合Smart 3D软件功能，经过对高温堆示范工程出图模板的定制，实现了从Smart 3D抽取各工艺系统ISO图，并针对导出ISO图的管道导出详细的材料清单。
2 存在的问题和解决措施
三维设计在高温堆示范工程设计过程中起到了举足轻重的作用，但是实际应用中，还存在一些问题，本文提出解决措施。
2.1 采用SmartPlant P&ID绘制流程图
在高温堆示范工程的三维设计应用中，各工艺系统通过Auto CAD二维设计软件绘制系统工艺流程图，这种方式无法和三维设计进行数据互通，即：工艺流程图与三维布置之间没有任何数据的关联，也就不能校验工艺流程图和三维布置的一致性。在后续工程中，可以通过利用与已有三维设计软件相结合的SmartPlant P&ID工艺流程图设计工具开展工艺流程图设计，通过这种方式能够将工艺流程图的数据传递到三维设计平台，以实现数据的一致性。
2.2 增加对支吊架开展三维布置
高温堆示范工程三维设计时，只完成了设备、工艺管道、通风管道、电缆桥架的三维布置，然后进行碰撞检查，没有对支吊架进行详细的布置，严重影响了三维碰撞检查的精度，也无法从三维设计工具抽取支吊架图纸。在后续工程中，需要开发定制布置所需的各种形式支吊架，在布置时对支吊架进行精确的选型和定位，才能实现设计更加完整，碰撞检查更加精确。 2.3 提前定制管道、電缆桥架等级库
高温堆示范工程三维设计之前，没有定制严谨的管道等级、通风等级和电缆桥架等级，在三维布置时，无法严格选取设计所需要的等级，导致无法从三维设计软件抽取准确的材料报表。在后续工程开展三维设计之前，需提前针对三维设计软件定制完整的管道等级、通风管道等级和电缆桥架等级库，实现三维设计软件自动导出材料报表。
2.4 优化三维设计工作模式
高温堆示范工程的三维设计工作模式存在如下问题：设计项完成二维平面布置，通过接口资料提交三维组，由三维组根据设计项提供的二维平面图纸进行三维建模，并进行碰撞检查，将碰撞详情反馈给设计项，然后根据设计项返回的布置意见修改三维模型，如此反复，直至解决碰撞问题。这种三维设计方式没有完全发挥三维设计的优势，而且设计项对三维组提接口时容易出现版本混乱或者接口资料漏提的情况，导致由三维组根据设计项接口资料完成的三维模型可能与设计项最终出版的施工图不一致，也直接影响碰撞检查结果的准确性。
在后续工程中，设计项直接在三维协同设计平台开展设计工作，并且从三维设计软件抽取各专业的施工设计图纸，保证三维模型和出版施工图的一致性。
3 三维设计在60万千瓦高温气冷堆核电站中的应用展望
在高温气冷堆示范工程基础上，清华大学等相关单位正在积极推进高温气冷堆技术的产业化工作。60万千瓦高温气冷堆核电站是20万千瓦高温气冷堆核电站示范工程的后续主打堆型。在示范工程设计基础上，重点要开展好60万千瓦高温气冷堆的设计优化与标准化工作，而三维设计是促进设计优化与标准化工作的有效手段。本文对三维设计在60万千瓦高温气冷堆核电站中的应用提出如下展望。
3.1 大力推动使用统一的三维协同设计平台
所有设计项在统一的设计平台开展设计工作，在统一的设计平台中为设计项定制不同权限组，实现不同的设计项之间可互相查看三维布置情况，但不可对不同设计项的布置予以修改和删除;统一定制工厂结构，工厂结构的每一个节点设置对应的权限组，以实现每个设计项只能将三维模型布置在所属的工厂节点，方便进行数据管理。
3.2 引入SmartPlant P&ID工艺流程图设计软件
根据高温堆示范工程的经验，定制适用于60万千瓦高温气冷堆核电站的工艺流程图图例，采用SmartPlant P&ID设计和绘制工艺流程图，并将数据传递到Smart 3D三维设计软件进行三维建模，检查工艺流程图与三维布置的一致性。
3.3 定制等级库
根据示范工程的经验以及管道管件标准设计手册，开发适用于60万千瓦高温气冷堆核电站的阀门外形，定制管道等级库。与相关专业沟通确定60万千瓦高温气冷堆核电站所需通风和电缆桥架的等级，定制三维协同设计平台的通风和电缆桥架等级库。最终将等级库导入三维协同设计平台，为三维设计提供数据依托。
3.4 定制支吊架库
根据高温堆示范工程的经验以及经过各设计项确认的支吊架类型，开发适用于60万千瓦高温气冷堆核电站的不同形式支吊架符号，并导入三维数据库，以便各设计项在进行三维布置时，能够选取所需的各种形式支吊架。
3.5 定制三维图纸、报表模板
定制60万千瓦高温气冷堆核电站出图所需的图框、出图风格（包括：平面图、立面图、ISO图、支吊架图等出图风格）、标注样式以及三维导出各类报表的样式，以满足60万千瓦高温气冷堆核电站从三维设计软件出图的要求。
4 结 论
三维设计可以实现电厂设计、施工、调试、运行、检修和最终核电站的退役整个生命周期的全过程管理，最大限度提高设计质量，降低设计、运行、管理、维修的各项成本，从而全面提高核电站的效益[3]。
在高温堆示范工程设计中，Smart 3D三维设计软件已经成为综合布置设计的重要工具，在碰撞检查、管线综合等方面均发挥了重要作用。在高温堆示范工程基础上，60万千瓦高温气冷堆核电站的重要任务是实现设计优化与标准化，三维设计无疑是很好的工具。根据三维设计在高温堆示范工程使用中反馈的问题和经验，本文提出了对应的解决措施。在60万千瓦高温气冷堆核电站的设计优化与标准化过程中，三维设计值得进一步推广和应用。
主要参考文献
[1]吴宗鑫. 我国高温气冷堆的发展[J]. 核动力工程，2000（2）：39-44.
[2]朱明，何莹. 三维工厂设计系统在电力设计工程中的应用特点[J].广东电力，2002（8）：39-44.
[3]田立成，张洁，陈明亮. 核电三维协同设计平台建设与应用研究[J].核工业勘察设计，2016（1）：65-72.
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