三維協同設計在水電站廠房中的應用研究

歐陽君

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

引 言

水電站廠房是一項非常復雜及浩大的系統工程，所涉專業多、各專業自身結構較復雜、且在同一空間內進行各專業的結構/設備/管路布置，工作量和難度都非常大。在以往的二維設計過程中，專業圖紙需要分樓層、分區塊制圖，圖紙的系統性不強；設計需要充分考慮與相關專業的協調與配合，避免設備及管線的碰撞現象；一旦設計方案有所變更，各相關專業還需重新配合，設計工作量將成倍增加。為保證設計質量、提高設計效率，需要利用更為立體、直觀、精確地三維協同設計。

三維協同設計不僅可直觀地展示設計成果，還可以通過一系列的自動化手段（如材料統計、碰撞檢查等）將復雜的工作交由計算機完成，可大幅提高生產效率、保證設計產品的質量。與傳統的二維設計相比，三維協同設計具有以下特點：

（1）三維模型更加直觀、形象，避免了二維思維的盲區，能夠快速發現錯、漏、碰等問題，方便設計人員交流。

（2）三維模型的系統性更強，通過三維設計的空間模擬，可以很輕松地理解建筑物與設備之間的空間關系，圖紙表達能力更卓著。

（3）基于統一且動態更新的共享平臺，各專業之間可以實現動態協同，保證數據的一致性和實時更新，提高設計產品質量；同時減少了專業間溝通成本，提高設計效率。

（4）固化后的設計模型重復利用，可減少錯誤的發生，減輕勞動強度；利用軟件的自動出圖功能，可將設計人員從繁瑣的施工圖制圖中解放出來，縮短設計周期；利用模型及時解決現場問題，減輕了設代人員修改圖紙的壓力，提高了生產效率。

1 實際應用

1.1 三維協同平臺

該三維設計采用的是Bentley公司ProjectWise（PW）軟件平臺。在PW平臺建立項目文件夾和模型文件夾，根據需要設置不同的管理權限，并統一配置企業級和項目級的標準化文件。設計人員在PW平臺上進行三維設計時，參考應用相關專業模型，及時發現錯、漏、碰、缺等問題；在項目完成初步的三維模型后進行碰撞檢查、邏輯校驗，能夠最大程度地避免設計過程中的錯誤，保證設計質量；文件檢出、檢入實時記錄，工作流狀態清晰，設計人員工作時間、狀態一目了然，專業協同方便，提高設計效率。

1.2 水電站廠房三維建模

水電站廠房三維協同設計流程大致如下：首先，根據項目的大小，制定三維協同設計實施計劃；明確各專業作業內容、項目完成時間。其次，在PW平臺上搭建項目設計目錄、設置人員權限、配置工作空間等。再次，利用專業軟件進行制圖規則設置，建立各專業三維模型，進行碰撞檢查和三維校審，完成模型組裝，進行模型固化，形成滿足相應設計深度要求的三維模型。最后，利用專業應用軟件抽取任意想要的平面、剖面、軸測圖，并添加標注、說明、材料表等，完成二維出圖。

基于PW平臺的水電站廠房的三維協同設計，相比傳統設計方式具有以下特點：

（1）基于統一協作平臺，模型可在項目內共享并互為參考，專業配合更加簡單、高效。協作平臺上各專業的模型文件都是實時更新的，節約了專業配合時間。圖1是某水電站未參考其它專業模型的副廠房模型，圖2是參考了水機及電氣模型的副廠房模型。對比圖1、2可見，利用協作平臺上的共享模型，可以在設計過程中避免設備碰撞，提高工作效率。

圖1 未參考其它專業模型的副廠房模型

圖2 參考機電模型后的副廠房模型

（2）可視化的展示手段使設計理念的表達更為明確。相比傳統的水電站設計方式，雖然設計人員對結構構造、設計理念了如指掌，但是涉及專業多、系統龐大，對于讀圖者和施工者來說，如果對其它專業不夠熟悉，很難理解設計者的意圖，三維設計很好地解決了這一問題。如圖3所示，三維模型本身就像是虛擬施工現場，各專業設備、管線的相互位置關系在模型空間上一目了然。

圖3 各專業設備相互位置關系示意圖

（3）碰撞檢查的合理運用有效地保證了設計質量和生產效率。碰撞檢查可用于檢查專業內部以及專業之間設備碰撞情況。對于水電站廠房的設計來說，系統復雜、工作量大、各專業之間聯系緊密，設計人員不可能做到設計成果完全沒有疏漏。碰撞檢查可用迅速捕捉到設備碰撞情況，如圖4所示。減輕了設計人員和校核人員的工作負擔，對于提高設計質量和生產效率都十分有利。

圖4 某電站廠房管路之間碰撞檢查圖

（4）多窗口、多視角的設計方式，減輕了設計者的設計負擔。三維設計一般采用多窗口、多視角的設計方式，如圖5、6所示。使設計人員能在不同視角把握模型，簡化設計人員腦中二維、三維的切換過程，一定程度上減輕了設計人員的負擔。

圖5 某電站廠房整體三維模型圖

1.3 模型的應用

在每一階段性項目完成之后，項目所有設計人員需對模型進行確認，避免出現錯、漏、碰、缺等問題，優化設計。設計人員可根據設計產品的需要，利用模型生成圖紙。三維設計軟件可以在任何需要的位置切出平面、立面及剖面圖紙，設計人員只需要人工加標注和文字信息即可。對于某些傳統圖紙表達不清的地方，還可以配以軸測圖闡釋設備之間的相互關系。

如圖7、圖8所示，水電站內廠房管路、橋架縱橫交錯，僅僅通過二維圖紙是很難完全表達清楚空間關系。通過三維軸測圖，直觀的展示出這些復雜對象之間的空間關系，這種圖紙表達方式，大大提高了閱讀效率，減少了施工識圖難度。

圖6 某電站廠房內部機電設備圖

圖7 某電站廠房運行層平面布置圖

圖8 某電站廠房運行層三維軸測圖

模型完成之后，還可以將廠房模型導入ABAQUS、ANSYS、Adina等CAE軟件中進行分析計算，實現水電站廠房復雜結構的計算均由CAE分析軟件計算完成，使設計方案能夠達到最優。大大減少了以往計算建模的工作量，實現模型共享，避免了重復建模，提升工作效率。見圖9。

圖9 某電站廠房流道有限元分析結果圖

2 面臨的問題

2.1 標準流程的制定

目前，水電行業各大設計院已經開展了三維設計，也取得了一些成果，但是暫未形成統一的水電站廠房建模流程及方法，設計人員操作困難。同時，三維設計目前尚未有完善的質量檢查體系，導致三維設計工作執行不夠認真，協同不夠，影響設計成果的質量。標準化設計流程的探索、統一的使用手冊的編制工作就顯得尤為重要。

2.2 軟件功能不全

目前，水電行業使用的三維軟件主要有Bentley、Autodesk、Catia 三種，湖南院經過比選，最終選擇Bentley軟件搭建了三維協同設計平臺。因水電站廠房涉及專業多、協同設計要求所有專業都能夠在一個平臺上共享成果，而這些專業之間特點差別大、基本是一個專業一個款軟件。如：水工專業采用ABD、測繪專業采用Geopak、施工專業采用PowerCivil、電氣專業采用BRCM和Substation、水機專業采用PSDS等，這些專業軟件仍不能完全實現所有專業使用功能需求。如在設計過程中，水工專業需要完成結構計算，Bentley軟件自帶的結構計算軟件并不是很強大，還需要將模型導入到計算軟件中進行結構分析。為了能夠在統一的Bentley軟件平臺下實現利用現有結構模型進行計算，還需要進行二次開發，實現符合我國規范的結構計算功能。

2.3 優化設計的局限

三維模型中的碰撞檢查，只能解決簡單的“硬碰撞”檢查，大量的“軟碰撞”（如：安裝空間、檢修空間、人員通道、管道間和設備間距等)檢查，計算機是不能代替的，只有按規范和經驗進行人工檢查。設計人員也不能一味依賴計算機，而需要提高自己的專業水平，更好的完成“軟碰撞”檢查。

2.4 成果應用范圍

就目前的三維設計來看，主要應用在設計過程的協同設計，錯漏碰和合理性檢查、施工圖及效果展示。完全沒有發揮目前三維設計成果的衍生應用，如項目施工期、運行期管理等。

2.5 觀念錯誤

雖然三維設計的概念在工程界推廣了幾年，但人們對三維設計的認識程度仍不盡相同。首先，一些設計人員不愿接受新鮮事物，不愿學習、使用三維設計軟件，存在抵觸畏難情緒。其次，三維設計過程不等于沒了二維。很多人認為，三維設計全過程都在三維模型上溝通交流，只在最后出圖時形成二維圖紙，這是非常極端的想法。正常的設計工作總是先有概念，再有草圖，最后才形成具體方案。在方案尚末形成之前，使用較多的是在二維草圖上進行粗略的設計，待草圖配合后開始三維建模。最后，三維設計不是翻模。目前，存在三維設計滯后的問題，大都是在二維圖紙上配合好了，基本沒有改動了，才開始集中三維建模，這種做法只能算是三維翻模，有僅為了完成三維建模的任務之嫌，違背了三維設計的初衷，并不是真正意義上的三維設計。

3 應用前景

如今很多設計院，特別是大型設計院都基本上完成了設計手段從二維到三維的變革。隨著業主對工程全生命周期管理認識的不斷提升，對三維設計將提出更高的要求，三維模型將不僅限于設計階段，其在工程建造階段中的重要性將日益顯著。就目前BIM工作開展情況來看，三維協同設計可以給設計院帶來以下改變：

（1）可視化的模型，便于業主的理解認識。三維模型可以從任意角度展示工程的整體面貌或局部特征，描述工程與周邊環境、各建筑之間的空間邏輯關系，從而有利于增強業主的認知。

（2）標準化、參數化元件庫的重復利用，便于設計修改。參數化設計技術可以使設計的任何改動都可以自動的在其它相關聯的部分反映出來。構件的移動、刪除和尺寸的改動所引起的參數變化會引起相關構件的參數產生關聯的變化，需保證所有模型的一致性。

（3）基于統一協同設計平臺，提高團隊效益。水電站廠房設計涉及專業范圍廣，一般包括水工、機電、金結、施工、概算等專業，專業之間的溝通協調是非常重要的。在三維協同設計環境下，各專業對工程都有直觀的認識，溝通較為方便；同時，各專業都在同一的基礎模型上進行設計，成果共享，可避免出現錯、漏、碰、缺等問題。這種協同設計節省了各專業間的銜接等待時間，提高了整個工程的設計效率。

（4）利用互聯網技術，實現遠程辦公。利用遠程瀏覽軟件和互聯網向不同用戶提供相關模型和圖紙，實現遠程辦公。還可以利用搭建設代處服務器的方法，實現設代處與院內進行協同設計，可及時解決施工現場出現的問題，減少設代人員的配置，特別是國外項目，可大大降低工程成本。

（5）借助已有的數字模型，拓寬業務范圍。利用現有三維數字模型，可以開展基于工程基礎數據庫的施工模擬系統、建設進度和質量控制系統、投資與效益分析系統等相關工程咨詢業務。

4 結 語

目前，水電站廠房設計正處于從二維到三維發展，從計算機制圖向計算機建模轉變，從紙質化向數字化發展的變革時代。基于數字和信息技術的三維協同設計已成為設計行業發展不可阻擋的主流趨勢，作為產品設計的主要手段，三維協同設計具有的一系列優勢，可使設計效率、產品質量及服務水平等得到大幅提升。通過三維協同設計亦可提高企業的核心競爭力，拓寬設計單位設計咨詢業務范圍，在勘測設計單位中具有廣泛應用前景。

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