三維協同設計在荒溝抽水蓄能電站項目中的應用

三維協同設計是提高設計質量和工作效率的有效手段，在水利水電工程設計中的廣泛應用也將是必然趨勢。中水東北勘測設計研究有限責任公司（下稱中水東北公司）在荒溝抽水蓄能電站工程項目中的實踐經驗，對三維協同設計工作的整體部署、有效開展和存在的主要問題進行了有益的探索和總結。

三維協同設計是新一代數字化、虛擬化和智能化設計平臺的基礎，它是建立在平面和二維設計的基礎上，讓設計目標更加立體化、形象化的一種新興設計方法，其在機械、電子、航空、航天以及建筑等部門已經得到廣泛的應用，并在實踐中證明是提高設計質量和工作效率的有效手段，在水利水電工程設計領域中的推廣和廣泛應用也將是必然趨勢。

中水東北勘測設計研究有限責任公司（下稱中水東北公司）多年來一直密切關注三維協同設計技術的發展，從2009年開始進行三維設計軟件測試和工程設計應用試點工作，最終搭建三維協同設計基礎平臺。在此平臺的基礎上，圍繞實際工程項目，逐步推進和開展三維協同設計工作，先后選擇旁多水利樞紐工程、豐滿大壩重建工程、荒溝抽水蓄能電站工程和蓄能電站典型設計等項目開展三維設計工作。試點項目涵蓋了中水東北公司的主要工程類型和設計階段，包括地質、地形、場地、開挖、建筑物和設備等主要水電工程設施，經歷了任務分解、文件組織、三維建模、模型組裝、碰撞檢查、圖形輸出等三維設計過程。通過試點工作統一了協同工作環境，統一了圖層、顏色，初步掌握三維協同設計方法，初步具備三維建模能力，初步形成項目管理模式，運用碰撞檢查手段很好解決了設備沖突問題，并通過試點工作培養了一批熟練掌握建模技術的各專業設計人員，為進一步推進三維設計奠定基礎。本文以荒溝抽水蓄能電站工程為實例，簡要介紹三維協同設計工作在該項目中的應用。

項目概況

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省牡丹江市海林縣三道河子鎮，下池為蓮花水電站水庫，上池為牡丹江支流三道河子右岸的山間洼地。電站總裝機容量為1200MW，安裝四臺水泵水輪機-發電電動機機組，單機容量為300MW。年平均發電量14.13×108kw?h，年發電小時數為1178h,年抽水用電量為18.67×108kw?h，年抽水小時數為1556h，綜合效率為75.6%。工程承擔電力系統調峰、填谷、調頻及緊急事故備用。

2012年荒溝抽蓄工程項目進入招標設計階段，經多方權衡，中水東北公司決定該項目從此階段開始應用三維協同設計取代傳統的二維設計。

荒溝抽蓄項目三維協同設計依托ProjectWise平臺，根據項目設計工作的需求，結合中水東北公司的專業設置，對該項目進行了如下分解：

其中，各專業的編號與中水東北公司文件歸檔及檔案管理辦法的要求相一致，二級與三級目錄的設置（以廠房專業為例），主要考慮了滿足設計流程、設計內容、質量管理及權限控制等多方面需求，從而保證三維協同設計工作能夠有效、有序和可控的開展。

根據對該工程項目的分解，荒溝項目經理部編制招標設計階段三維設計工作大綱，明確目標、任務、實施計劃，負責項目進度控制，保證項目進度，各設計處、室專業設計人員經前期軟件培訓，開展本項目的三維設計工作。

項目主要設計流程及成果

各相關專業設計人員在ProjectWise平臺提供的統一的工作環境下，按照項目分解的內容，應用各自的專業軟件（MicroStation、Architecture、Building Mechanical System等）進行計算、建模和拼裝等三維設計工作，既相互獨立又彼此聯系，各專業完成模型建立工作后，三維模型總裝工作由三維設計室完成，各專業內的碰撞檢查由該專業設計人員完成，總裝模型的碰撞檢查工作由項目經理牽頭，組織協調各專業人員共同完成，項目主要設計流程如下：

其中，測繪專業提供經專業模塊處理、滿足精度要求的原始地形數據；地質專業利用上述數據建立三維地質模型；壩工專業主要使用GEOPAK Site和 Architecture軟件進行場地開挖及壩體結構建模等工作。工廠三維設計則涵蓋廠房、水力機械、電氣、暖通、給排水、建筑及金屬結構等多專業，上述專業在協同設計平臺ProjectWise下，以廠房結構模型作為設備布置定位坐標，從相關專業軟件數據庫中調入元件和設備模型，以完成水力機械、暖通和給排水等專業的設備布置（對于數據庫中暫缺的的設備。本項目采用基本的三維建模工具由設計人員進行人工建模）；模型總裝并經碰撞檢查無誤后，進行相關的三維及二維圖紙的輸出工作。項目主要設計成果包括：

1） 上水庫庫盆結構建模、庫區回填體建模和主、副壩結構模型等。

2） 輸水系統三維模型。

3） 上水庫環庫路、上下庫聯系路和施工支洞模型。

4） 廠房及開關站模型。

5） 水力機械設備、電氣設備及金屬結構模型。

6） 采暖、通風、空調及消防設備模型。

在荒溝抽水蓄能電站工程招標設計評審會上，該項目三維協同設計成果受到與會專家的一致認可和好評，這進一步堅定了中水東北公司做好三維協同設計工作的決心。右圖是部分設計成果：

項目存在的主要問題及應對的思考

與傳統的二維設計不同，三維協同設計目前還未形成一套成熟的設計流程、標準控制和質量管理體系，相關標準的建立工作亟待進行。ProjectWise是三維協同設計的基礎平臺，承載著整個設計活動，因此，設計人員用好和管理人員管好，是三維設計工作能夠開展好的前提。

在本項目的應用中，設計人員存在的主要問題是專業內和專業間的模型重復參考現象比較嚴重，對嵌套深度的把握存在不足，從而極大的降低了后期的模型總裝、碰撞檢查以及出圖工作的效率，影響工作進度。三維設計工作的特點決定了專業間的模型參考是不可避免的，為了解決重復參考的問題，除了要加大對設計人員的培訓力度和責任心的宣傳，還必須將此項工作列入校核工作的重點。對管理人員來說，項目怎樣分解更加合理，權限如何控制更加有效也是亟待解決的問題。

此外，在本項目壩工專業設計上，特別是在庫盆結構重新建模過程中，受軟件計算能力和硬件設備水平的限制，工作量大，工作進度緩慢，不能滿足實際工作需要。解決該問題除了要對軟硬件進行升級外，更重要的是要進一步研究在進行這種大范圍的地理模型構造時的精度要求，從而提高工作效率。

專業軟件集成的模型庫不完整、配筋圖的繪制功能薄弱，尚不能滿足工作需要，迫使設計人員手工繪制部分構件，降低工作效率。為解決該問題，模型庫的建立和相關功能的二次開發工作不可避免。

通過切圖的方法將三維模型轉換為二維圖紙是三維協同設計工作中的重要環節，也是三維設計全面取代二維設計，應用于實際生產中的關鍵技術之一。該項技術在本項目的實施工程中，主要存在切圖時間過于冗長和生成的二維圖紙后期修改量過大這兩個問題。

導致上述兩個問題發生的主要原因是多方面造成的，包括設計人員的基礎模型建立方法，Part屬性設置、切圖過程中切面放置的技巧以及軟件自身的部分原因等。解決該問題需要設計人員通過工作實踐，探索出最適宜的建模方法和Part屬性設置并提高切圖技巧、積累切圖經驗，同時軟件也亟待對相關功能進行進一步的優化和升級。另外，三維設計的出圖、組圖方式，是否一定要與二維設計的表現形式完全相一致，這涉及到觀念的轉變和質量管理體系標準的建立。

結語

中水東北公司經過近幾年的不斷探索，對三維協同設計的基本工作流程和基本設計方法有了初步的掌握，通過若干工程項目的實踐，也積累了一些經驗，培養了一批能夠適應三維協同設計工作環境的設計人員，但三維設計工作目前仍處在探索階段，需要完善和提高的地方還有很多，更有一些重要問題需要解決，我們的主要精力放在了三維建模技術的學習和掌握，對三維設計技術的研究不足，三維設計校審工作沒有及時跟進，仍然停留在二維圖紙校審階段，不能滿足三維設計校審需要。這些問題制約了三維設計的發展，我們要統一認識，明確目標，克服困難，著力解決當前遇到的問題，加快三維設計推進速度，在技術上、體系上形成一套適用于中水東北公司情況的、基本成熟的、實用的解決方案及與之相關的管理體系，達到實用化要求。