三維協同設計在浯溪口水利樞紐中的應用

翁發根，梁必必

（江西省水利規劃設計研究院，江西南昌330029）

三維協同設計在浯溪口水利樞紐中的應用

翁發根，梁必必

（江西省水利規劃設計研究院，江西南昌330029）

隨著信息化的逐步深入，水利水電工程設計越來越需要不同專業的分工與合作，需要跨專業、跨區域的基于網絡化和信息共享的三維協同設計，目前三維設計已成為工程設計的發展方向與趨勢。基于Bentley軟件平臺，以浯溪口水利樞紐為實例，提出對水利水電工程三維設計的一點認識和體會。

三維協同設計；浯溪口水利樞紐；水利水電工程

1 概述

三維技術在國外起步較早，主要應用于制造行業，如歐洲空中客車公司采用Catia平臺設計空客飛機。三維技術大規模引進國內開始于20世紀80年代，主要用于制造業、建筑業等[1]。在我國，三維設計在其他行業如電力、石油化工等行業應用較為成熟，電力、石化行業的三維設計主要運用于工廠化設計，解決空間管道的布置以及多個專業空間布置設計協調問題，已有成熟的工廠化設計軟件在國內應用。在水利水電工程設計中因為牽涉到地形、地質情況的多樣性，很難形成類似建筑行業的標準化的設計，尤其是場地開挖設計中，這樣就顯著增加了三維設計的難度。

目前，國內水利水電設計行業的三維設計大都處于試點摸索階段，全面推廣仍有一定的難度，國內各單位針對不同解決方案平臺進行了各種嘗試。基于Bentley軟件平臺的三維設計有龍開口水電站設計等，基于Catia軟件平臺的三維設計[2]有溪洛渡水電站設計等，基于Autodesk軟件平臺的三維設計有觀音巖水電站設計等。

三維設計在工程設計方案的優選與比較、縮短設計工作周期、提高設計產品質量等方面比二維設計具有明顯優勢，成為設計行業發展的主流趨勢，也是水利水電行業技術儲備和發展的要求[3-6]。

2 水利水電工程中三維協同設計相關基礎

協同設計主要是指設計單位內部不同設計專業（部門）或者同一工程的不同設計單位之間進行協作與配合。大型水利水電工程設計參與專業較多，有測繪、地質、壩工、廠房、金屬結構、施工導流、水力機械和電氣等專業，這就需要不同專業設計人員必須在一個相互支持、信息相互共享的公共平臺進行。

此外，協同設計不僅應具有獨立的設計作用，還應有相應的管理作用，要實現水利水電工程中不同設計專業（人員）高效的三維協同設計，需解決三維協同設計功能和模型信息實時共享管理上的相關問題[3]。

統一的工作平臺創建，不同專業都在一個共同的軟件平臺工作，不僅能使各專業設計成果即時分享，同時不同專業之間工作接口實現無縫鏈接，這樣既能解決各專業成果無法相互讀取問題，又能使各專業修改內容及時得到更新。在整個工程設計周期內，都能實現模型信息實時共享，不同的設計人員之間可以相互參考查閱，及時發現設計中的毛病，這樣對提高設計成果的質量、縮短設計工作時間有很大幫助。

水利水電工程設計工作任務量大，涉及專業多，為方便各個專業設計人員之間準確無誤的理解并相互參考模型及設計圖紙，需要定義一套標準的工作環境，進而確保設計過程中不同專業設計人員參考和引用的快捷性和準確性。此外，對不同人員應設置不同的權限，確保文件不被隨意修改，保證各設計文件的完整性與安全性。水利水電工程涉及專業眾多，不同的專業設計針對個體不同，而不同專業必須要在統一的工作平臺下協同設計。針對不同的專業特點，要有針對性的專門設計軟件，不同設計軟件的成果又必須能相互讀取、參考，這就需要一個門類齊全的專業工作平臺。

水利水電工程（尤其是大型樞紐工程）一般施工周期較長，在施工期間設計完成后的三維模型能直觀明了地指導施工，并依據現場實際情況作出修改。同時，三維數據的移交為運營管理部門帶來直觀的工程印象，為業主及施工單位創造不可估量的價值；全站的三維模型更方便后期的工程運行與維護，更方便運行單位管理，大大提高了業主滿意度。

3 Microstation平臺在浯溪口水利樞紐三維協同設計中的應用

Microstation是美國Bentley公司旗下的基礎平臺軟件，所有Bentley專業軟件都是基于該平臺的，保證了不同專業設計之間的無縫鏈接。它能將壩工、廠房、施工、地質、電氣及金屬機構等專業整合起來統一進行三維協同設計，利用Bentley Project Wise平臺進行項目管理工作，有利于幫助團隊提高質量、減少返工并確保項目按時完成。根據江西省水利規劃設計研究院實際開展項目，并利用現有設計圖紙，以浯溪口水利樞紐作為試點工程開展三維協同設計。

3.1 試點項目前期準備工作

依托Bentley軟件強大的設計系統，參考國內成功的經驗，根據專業特點選擇不同的設計軟件，此次浯溪口水利樞紐三維協同設計軟件配置情況見表1。

表1 三維設計采用軟件匯總

為便于建立良好的協同工作環境，在三維設計開始前利用ProjectWise軟件進行項目管理，實現項目的標準化，其具體內容如下[1，3]：①設置一套統一的工作空間(協同工作環境)和種子文件(設計模版)；②建立層次化、不同專業、不同三維模型的詳細工作目錄；③建立項目統一的坐標系統（軸網）；④針對不同參與人員設置不同的訪問權限。

3.2 浯溪口水利樞紐三維設計實施過程

利用服務器托管的工作環境，在ProjectWise管理平臺上進行三維協同設計。測量專業利用Geopak軟件建立數字流域地面模型；水工專業利用MicroStation、AECOSIM及Geopak Site軟件建立整個樞紐的三維模型（包括各種類型水工建筑物及其開挖設計）；電氣專業利用Substation軟件建立各種電氣設備及其連接裝配的模型；水機專業利用PSPD及MicroStation建立主、輔機模型；金屬結構專業利用MicroStation軟件建立各種金屬結構模型；各專業模型完成后，由水工專業在ProjectWise軟件平臺進行拼裝，通過在Navigator碰撞檢查并修改模型形成最終總體模型。后期通過Microstation實現渲染和動畫的制作，最后通過視頻編輯軟件形成三維可視化匯報系統。

3.3 浯溪口水利樞紐三維設計相關成果

項目三維設計成果包括三維數字地模、相關部位剖切抽圖、工程演示動畫、浯溪口水利樞紐三維可視化匯報系統等。通過浯溪口水利樞紐項目形成了三維協同設計的基本原則和工作開展方法，包括ProjectWise協同環境中建立工作目錄、設置工作環境、分配使用權限、設定軸網和使用規則、設定文件參考引用規則、確定模型總裝方法、二維剖切抽圖規則等操作性文件。項目形成的這些規則是三維協同設計的靈魂，為其他工程進行類似三維設計奠定了堅實的基礎，引導設計團隊高效率地開展工程項目的三維協同設計。此次項目主要成果，如圖1—5所示。

圖1 基于數字地面模型生成的開挖曲面

圖2 左岸非溢流壩段實體模型

圖3 機組中心線剖面圖

圖4 浯溪口水利樞紐各結構模型總裝

圖5 浯溪口水利樞紐全站總裝

3.4 浯溪口水利樞紐三維協同設計項目總結

回顧整個試點項目工作歷程，其成功實施經驗有以下幾點：

（1）單位領導層對三維設計工作給予足夠的重視，選拔有一定基礎的專業技術人員培訓并實戰，并在政策上大力支持。

（2）從浯溪口水利樞紐項目來看，采用Bentley平臺基本上可以滿足常規三維設計需要。因此，不應過于強調二次開發工作，也無需投入過多精力專注于此，后期軟件推廣后尤其是在二維抽圖切圖后，可根據江西省水利規劃設計研究院制圖、設計習慣由各專業設計人員定制專門的小插件。

（3）三維設計和常規二維平面設計在未來相當長時間內共存。在大中型水利樞紐工程中，涉及專業多尤其是在前期方案設計中優化比選及工程量統計方面，三維設計更有優勢。而對于小型常規泵閘、灌區及堤防、河道整治等線狀工程來說，設計相對簡單，采用三維設計耗費的人力與時間也未必是允許的。要合理區分，發揮二維、三維設計的各自優點。

（4）三維設計的推廣是一個循序漸進的過程。在沒有相應的作業指導文件和質量控制標準的前提下，大范圍展開風險較大，對設計業務不利，現階段也是不現實的。這就需要依托典型項目，培養相關技術人員，積累一定的實施和管理經驗，分類型、分批次地逐漸展開。

3.5 浯溪口水利樞紐三維設計展望

浯溪口水利樞紐三維設計的成功案例，為今后的三維設計工作的開展提供了寶貴經驗，仔細分析并總結此次設計工作的得與失，可在以下幾個方向上進行深入探索和研究。

（1）本項目受實際條件限制，缺少工程設計的三維地質模型，這就為基礎開挖、邊坡設計、工程量統計帶來不便，后期進行類似工程時應建立基于三維地質分層的數字地模。

（2）本項目開展是利用已有二維設計圖紙生成三維數字模型，從實施效果看，二者保持很高的相似度。但在后期類似工程開展時，設計人員在沒有現成圖紙時，應加強專業技術知識學習，提高空間想象力及設計水平，保證設計產品質量。

（3）三維模型完成后，可導入相關三維有限元計算軟件進行數值仿真分析，真正實現三維設計和數值計算的緊密耦合。

（4）使用數字化模型進行施工模擬。施工過程模擬采用全站模型階梯剖切，展示不同時間對應的工程面貌，并查閱此時的工程相關信息屬性（工程量等）。后期模型信息屬性用于工程運行維護管理，有利于工程的高效管理。

4 結語

三維協同設計打破了常規二維設計在空間上的局限，它以高效的協同工作模式、形象直觀的設計手段、實時共享的信息管理模式沖擊著工程設計行業，為設計方、業主、施工方提供了更好的溝通交流平臺，為工程的數字化發展奠定了技術基礎。三維設計的推廣，設計單位應根據自身業務特點做好規劃，理清思路，處理好三維與傳統二維設計之間的關系，實現平穩過渡和互補共存，并逐步設定和完善相關的設計、校審程序及相關質量體系管理文件。三維協同設計的模型信息驅動，實現工程數字化模型，不僅為運行管理部門帶來價值，延長設計產品服務周期，同時還將其轉化為生產力，助力設計單位。

[1]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，2013，19（9）：40-43.

[2]王進豐，李小帥，傅尤杰.CATIA軟件在水電工程三維協同設計中的應用[J].人民長江，2009，40（4）：68-70.

[3]陳功軍，張金輝，高英.實施水利工程三維協同設計的探索[J].人民長江，2013，44(16)：105-108.

[4]李明超，鐘登華，王忠耀，等.水利水電工程地質－水工三維協同設計系統研究[J].中國工程科學，2010，12（1）：43-46.

[5]宋明佳.水利水電行業三維協同設計中三維可視化的應用與研究[J].水利規劃與設計，2013，26（12）：57-59.

[6]孫程.基于GEOPAK Site的三維開挖輔助設計[J].人民長江，2013，44（17）：26-28.

Application of 3D Cooperative Design in Wuxikou Water Control Project

WENG Fa-gen，LIANG Bi-jue
（Jiangxi Provincial Water Conservancy Planning And Designing Institute，Nanchang 330029，China）

With the development of information technology，water conservancy and hydropower engineering design more and more need specialization and cooperation between different professions，which need cross professional and cross region?al that information sharing based on the three-dimensional collaborative design.3D design has become the development di?rection and trend of engineering design.Wuxikou water control project as an example，a little knowledge and experience is proposed for 3D design in water conservancy and hydropower projects based on Bentley software platform.

3D cooperative design；Wuxikou water control project；water conservancy and hydropower projects

TV222

A

1004-7328（2016）06-0060-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.019

2016—09—20

翁發根（1985—），男，工程師，主要從事水工結構設計工作。