水利水電工程三維協同設計研究

水利水電工程三維協同設計研究

李秀慧付艷林魏云潔

（河南省豫北水利勘測設計院，河南安陽455000）

三維協同設計是對傳統二維設計理念的深化與創新，特別在圖形技術、信息技術的支撐下，三維協同設計為工程設計領域注入了新的發展模式。本文將從國內外三維設計工程資料收集中，針對水利水電工程項目設計實際，來闡述三維協同設計的理念、方法，并就行業應用提出展望。

三維協同設計； 水利水電工程； 工作方法； 行業發展

傳統工程設計領域中，多是從手工繪圖方式入手，后期利用計算機來輔助繪圖來完成平面效果展示。由于技術的局限、傳統二維設計多停留在可想而不可見階段，而對于三維建筑工程構思來說，其邏輯關系及總體布局需要通過轉換成二維平面圖紙才能使用，期間費時耗力，還難以實現對原始設計意圖的完全表達。在現代信息技術，尤其是數據庫技術的支撐下，基于三維仿真設計技術，能夠從可視化效果中對建筑工程結構進行準確、全面、真實的呈現，從而為水利水電工程項目設計帶來巨大發展。

1　三維協同設計系統的優越性

三維協同設計是基于三維構圖模式，設計師從人腦思維模式上來完成工程項目設計的整體性和連貫性，避免二維設計中數據轉換的繁瑣。在三維協同設計中，通過可視化界面，利用各類設計元素來反映地質、地形、水文、施工條件及結構布置，滿足建模設計可視化、分析過程可視化、成果展示可視化等特點，突破了二維設計的技術瓶頸和缺陷，更具有應用優越性。

1.1有助于提升水電工程設計質量

借助于三維設計環境，設計師可以直接從三維空間上來對水電工程項目進行設計和布置，突破了傳統手工繪圖、計算機輔助繪圖帶來的二維平面轉換問題，也更能夠從三維視角來表現工程的整體創意，多角度、多專業的進行工程模型審視與平衡，優化設計方案。如借助于模型校驗技術來降低設計上的錯、漏問題，借助于碰撞檢查來減少碰、卻現象，特別是從三維空間結構上，來準確反映各建筑構件間的空間關系，模型中的數據信息直接就是真實的建設數據，保證了工程設計的準確性，提升了工程設計質量。

1.2有助于提升工程設計效率

從水利水電工程項目設計周期來看，設計階段在整個項目周期占比較大，也是影響工程設計效率的重要內容。特別是在傳統設計領域中，二維空間設計在設計質量及耗時費力上代價較大，而三維設計可以在同一平臺上滿足對不同工程領域的不同設計，并且能夠從專業融合上實現深度協同，及早發現可能存在的潛在問題，反饋給設計上下游及其他設計人員，降低出錯率，提升設計效率。

1.3有助于完善建筑工程結構模型

在水利水電工程設計中，對于建筑物結構強度問題通常需要進行結構應力分析計算，在傳統二維設計中是難以實現的。而三維設計模型，可以從結構分析計算上，為設計提供參考模型，如法國的CATIA設計系統，內置仿真設計方案和結構分析模塊，為設計師提供自動化校驗解決方案；同時，在CATIA系統中，利用網格規劃和有限元分析，能夠實現三維模型結構變化時，無需重建模型，其他結構跟著更新，縮短了建模時間；另外，還可以通過三維模型進行水工結構應力、位移等計算，對于復雜的工程結構，可以通過有限元分析軟件進行結構應力分析。

1.4有助于實現工程模型的可視化

三維協同設計能夠利用虛擬技術實現工程項目模型的可視化，設計師可以從水利水電工程建設全過程來進行模擬和展示，并對工程項目建成后的效果進行展示，便于獲得業主的視覺感受，提升方案中標率。

2　三維協同設計系統結構及工作原理

三維協同設計系統是利用計算機虛擬現實技術，通過仿真軟件來呈現可視化結果。在水電工程設計領域主要有法國的CATIA軟件、美國的AutoCAD軟件和MicroStation軟件。三維協同設計系統在構成上主要包括四部分。

2.1系統骨架及驅動模型

骨架是三維系統設計的基礎，也是對某一數字幾何量進行三維模型拓撲特性轉換的特殊處理方法，用以呈現三維工程各要件的可視化圖形，以圖（Grahp）數據結構形式來進行存儲和運算。從三維設計理論來看，對于骨架在組織上以多級樹結構來表示，如總骨架、子骨架，以及下級子骨架等，從而構成工程三維模型中的各個構件單元。如頂層基本骨架為工程設計的總骨架、其他單元骨架及零部件骨架。在三維設計思路上，以自頂向下的設計方法，從工程項目總體設計結構入手，逐漸拓寬和豐富三維立體模型的各部分空間結構和形狀。如大壩工程首先有基準點、線、面，再有構筑物的輪廓線、輪廓面等，并從空間關系、界面屬性等方面來進行協同，滿足對工程某項構件設計變更時，只需要對頂層設計控制參數進行修改，整個工程模型自動糾錯適應。

2.2參數化設計模式

從三維協同設計軟件實現方法上，參數化設計是整個系統的核心。設計師需要就工程項目草圖中的幾何尺寸、位置信息進行標注，并從參數化變量中對這些參數進行設置，即可對三維模型進行尺寸、形狀上的修改，滿足其他關聯部件進行同步，提升了工程設計的柔性和工作效率。

2.3模板化設計理念

模板化設計是三維協同設計的重要思想，也是實現三維模型仿真顯示的重要技術。在水電工程設計中，由于很多構件具有典型性，如擋土墻，板、柱、梁、樓梯等，其使用頻率較高，如果每次進行建模，比較費時。采用模板化設計，對一些定型構件做成設計模板，在設計中可以多次重復調用，以節省設計時間，提升設計效率。另外，對于模板化設計、參數化配置技術，兩者在融合中也可以通過軟件工具來實現協同。

2.4協同化設計

對于水利水電工程項目設計來說，由于涉及到多個工程專業，在不同設計階段又需要開展設計協同優化，設計師需要針對設計模型就設計信息進行修改和整合，特別是在某些復雜的工程細節上，三維設計的深度協同將能夠從同一環境下的在線設計，滿足數據的同步且唯一，簡化設計流程，實現了跨專業、不同部位的多頭協同，提升了軟件的適應性。

3　三維協同設計在水利水電行業的應用前景

從三維協同設計在水利水電工程項目設計中的應用來看，我國雖然早些年前就已經開始引進和應用，但多集中在大型設計院，在技術研究、系統培訓及產學研融合中來逐步推進。據統計，通過三維協同設計軟件來進行設計，工程圖紙一次性校驗審定通過率達到90%，差錯率減少了80%，與傳統設計相比提升了42%以上的設計效率，比傳統設計周期縮短30%時間。從當前國家行業層面來看，我國已經著手三維協同設計標準的制定，并從行業三維模型數據庫建設，以及三維模型平臺建設等方面進行開發，截止2015年上半年，已有20多家各級水利水電勘測設計單位使用了三維設計軟件，而三維協同設計將成為未來水電工程設計的新主流。三維協同設計在行業中的廣泛應用，三維模型結構及模型數據開發必然成為主要趨勢。

3.1數字化設計與工程施工一體化

從當前三維協同設計開發實踐來看，計算機虛擬設計技術與數字化工程數據的融合，必然需要將設計與現場施工進行統合，體現行業特色。如充分利用水利水電工程三維模型信息，來構建多種應用的數字化設計模型，滿足可視化要求；在設計理念及方法上，利用數字整體移交技術，將工程現場施工數據與現場管理融入到三維模型中，以增強軟件設計的附加值。如利用CATIA/SimuPower平臺，來完成工程現場施工組織與設計的可視化，并結合現場施工數據來呈現實際施工面貌，預測未來一個月、一年后的三維施工狀態，從而優化施工組織方案，推進三維設計對遠程施工管理的指導。

3.2數字化設計與全周期管理一體化

全周期管理是項目管理中的一種理念，也是從項目的可行性分析到項目運行、直至項目完成整個過程中各項管理工作的一體化管理方法。借助于三維協同設計技術，從水利水電工程項目數據入手來構建虛擬的項目模型，逐步構建以設計、采購、施工、運行管理等業務子系統，從而實現工程項目全數字化虛擬資產的整體移交，為工程全生命周期管理提供技術參考服務。三維協同設計思想及數字化設計、全過程生命周期管理的一體化整合，將成為未來推進水利水電工程建設的新的變革方向。

4　結語

三維協同設計系統具有顯著的優勢，在當前水利水電工程設計中也逐漸成為主流趨勢，特別是對于水利水電勘測設計單位來說，三維協同設計理念將有助于推進設計領域管理創新，提升設計企業產業升級，增強設計企業核心競爭力。為此，積極從水利水電行業發展實際與三維協同設計技術的融合中，加強技術、人才培養和引進，為水利水電工程設計提供完善的、先進的解決方案。

［1］ 王國光，徐震，單治鋼.地質三維勘察設計系統關鍵技術研究［J］.水力發電.2014（08）.

［2］ 陳亞軍.三維協同設計在水利水電工程設計中的應用［J］.中國建設信息.2013（18）.

李秀慧（1981.10-），女 ，大學本科，工程師，研究方向:水利水電工程設計。

TP391.7

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1003-5168（2015）11-047-02