工程数字化中逆向3D模型项目及实施

罗小燕

摘  要： 随着国家指引方向，工程数字化交付已成为各行业的发展方向，不同行业的工程有各种关于数字化交付的3D模型的项目需求，在工程项目 的整个生命周期里， 3D模型有其重要作用。本文就此从过往项目积累中， 对3D模型的项目需求及目的进行归纳， 希望对工程数字化过程中的项目选择和 实施起到一定的指引。

关键词： 工程;数字化交付;3D;模型

引言

从蒸汽机时代（工业1.0 ）到今天智能化时代（工业4.0 ），全球工业 走向智能智慧化。借助于工业4.0和特有的中国制造2025宏伟战略的推进， 越来越多的工厂开始践行数字化转型和交付[1]。数字化交付是以工厂对象 为核心的一系列操作，很多时候离不开数字化3D模型。 3D模型可以1 ：1的 还原工厂的设备结构管道等专业的实际内容，尤其是与实际相接近的3D模 型，既有设计属性，亦有实际特性，是实现智能化操作的基础底座[2]。工 程数字化交付给行业提供了机遇，也增加了挑战。优质的3D模型将对数字 化交付起到最重要的根基保证。

1 分列典型的行业项目

随着国家资源开采的积累，新建项目在增加，但是已建在役项目已经 到了无法忽略的数量。许多工程行业单位，积极进行在役工厂的逆向3D建 模， 力求与实际工厂情况一致。以下列举几个典型的逆向3D模型的需求 项目：某石油化工厂，在某次生产事故停用多年后要重启，涉及到多个装 置区需要重建带属性的3D模型， 已供改造使用。原设计模型不全且不可 编辑，尤其是经过多年变化，实际现场已经与原设计模型不完全一致了。 因此需要结合图纸，参考现场的点云数据，对设备管道结构进行真实地还 原，以提供给改造设计最真实的带属性的3D模型。某药企，在不断的改扩 建生产工段，鉴于其空间小，设备较紧凑，工艺要求严格，采用3D模型做 辅助对工程施工进行拆解。某牛奶生产车间，要进行大的改造，旨在将改 造后的实际车间，以真实的3D模型呈现，达到更好的宣传作用。由于行业 特殊，通用的模型库无法满足牛奶生产工段3D模型要求，因此所需的全部 元件库需要定制， 由此呈现的3D模型为带属性的3D模型。在此基础上， 进行美化渲染，最后制作视频，效果非常不错。某园区管廊管理部，为更 好的从系统里管控全局和处理管廊管道结构发生的一系列变更调整。提出 需要更新完善原来的3D模型，并配上显眼的结构编号及周围的环境，后期 直接通过远程平台对管廊相关工作进行处理安排。某天然气处理厂，随着 生产及数字化发展，打算将整个厂在数字化平台上进行呈现，亦发起了重 构整个厂的3D模型， 并提出更高的要求， 要求3D模型需要能挂接其流程 P&ID，能与现场的DSC系统进行挂接和跳转等。无论行业、无论企业规模 都在积极探讨工程数字化转型，对逆向的3D模型的需求也越来越大。

2 综合概述项目类型

基于各种各样的出发点的工程数字化项目需要提供更优质的3D模型， 大体可分为以下几类需求类型。

（ 1 ）P&ID升级。小到采气井口，大到复杂化工厂的工艺仪表流程 图（ P&ID ），从早期手绘版，到标准化图例的DWG版，再到现在的智能 P&ID。力求将二维P&ID活化，让图例带上其相应的属性，便于在平台端 进行查看。同时后期与3D模型，进行挂接切换。这就是智能P&ID项目。 （ 2 ）老版图纸资料到3D模型。工厂建设和运行，涉及到的设备图纸、管 道图纸、结构图纸等很多，尤其是老厂翻新，需要根据以往的图纸资料在 三维软件中，进行1 ：1的3D建模，以达到将图纸信息直观反应出来，并 方便进一步的优化完善。（ 3 ）技改变更结果到3D模型中再现。工程项目 过程中或者投产后，都免不了要进行变更。基于3D模型的变更执行，可优 先在模型上进行处理，查验效果是否为预期，优化完善后，再在现场进行 施工变更操作。若实际操作中，无法每次变更都跟进完善模型，可采用定 期收集变更项及现场的实际操作项，再对已有的3D模型进行一次性更新。 （4 ）带属性的3D模型与现场相一致。当今社会借助于各种机器设备，可 以对工厂进行航拍、扫描，再通过软件处理出反应工厂外形的模型。但此 类模型有其优缺点：优点是贴近实际现场，缺点为无属性、不够美观。而设计软件产出的3D模型，虽有属性，但其美观度和现场有较大的差别。基 于此， 通过3D软件， 参考航拍、点云模型进行3D逆向建模， 得到带属性 的3D模型。同时通过现场采集素材，按照实际对模型进行美化渲染，以达 到接近真实现场的效果，用于后期展示和开发利用。此项需求，在工程3D 模型项目中，也逐渐成为必不可少的一项技术要求。（ 5 ）3D模型与P&ID 相跳转。 3D模型与P&ID，在数字化交付平台上进行二三维跳转，能够方便 现场对流程的管控和分析。因此在此项需求中，带属性的3D模型与带属性 的P&ID是基础，鉴于此开展的一系列探讨在不断更进。（ 6 ）仿真型3D模 型。许多复杂单体模型也需要细化美化模型，此为三维仿真的基础。仿真 型的3D模型，在工程中进行越来越多的应用。当然时代在变化，技术在进 步，需求和实施也在不断更进，不同的项目需求类型也应运而生。

3 实施选择及目的

项目的数字化交付中，每个阶段选择能实现的最适合的3D模型成果， 结合其他数字化措施，为客户实现当期目标。

3.1  在工厂规划设计阶段

在初设阶段，可选择根据初设图纸搭建的3D模型，以估算个别项的 需求，同时初设图纸也可根据此版3D模型进行优化。在详设阶段，采用优 质的带属性的3D模型，能很好的还原真实现场，对施工材料采购可以起到 精准的提资，对现场施工中的可能情況进行提前预判应对，对各专业的界 区，进行清晰的划分，辅助促进后期工程的施工进度等。

3.2  在工厂的施工阶段

在施工阶段，若产生施工问题，或导致施工难度不确定，或导致设计 变更等。当有施工难度时，在原有3D模型基础上，进行适当的调整演练或 更新补充，待方案确认可行，步骤清晰后，再在现场进行施工，大大降低 现场的施工难度，提高工程效率。当出现变更后，对现场模型进行虚拟状 态下的3D模型复原，以期于保持3D模型始终与现场一致，便于后期利用和 改进。

3.3  在工厂生产运营阶段

工厂投入运营，此为在役项目的基本条件。部分老旧厂在早期设计施 工时，无相应的3D模型，基于当今先进技术，可采用扫描、航拍快速还原 一版3D模型。在此基础上，收集早期设计资料，在设计软件中还原一版带 属性的3D模型。在运营阶段，出现改扩建时，此时需要已有3D模型能完全 与真实现场相一致，便于人员确定改扩建效果。工厂运营阶段，以3D模型 为基础的数字化运维管理，能够有效助力企业运维。

3.4  在工厂退役阶段

服役多年的工厂，只要有与现场相一致的数字化3D模型，那么工厂中 的各类设备管道等设施才能环保的处理和拆除，进行最大化利用和最小化 伤害。数字化3D模型，在工厂的各个阶段都能起到重要作用，其虚拟可视 化的展现，能有效地反馈物理工厂的真实现状[3]。

4 结束语

工程数字化交付在智能化智慧化的今天，已成国家的重点规划方向， 因此成为各行业的发展转型方向。必不可少的3D模型与其大量的数字化数 据、文档及其关系，共同拼接成完整的数字化虚拟工厂，助力时代发展[4] 。

参考文献：

[1]林中.工程数字化的应用及前景[J].化工设计，2019，29（1）.

[2]GB/T51296-2018-石油化工工程数字化交付标准.

[3]e-works闫东.数字化交付，助力流程行业迈向数字世界[DB/OL].数字化企 业2021-12-04.

[4]达美盛，工厂数字化交付过程全解析[DB/OL].达美盛.2020-05-20.

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