OpenPlant Modeler三維設計軟件在大型水電站的應用分析

楊貴程，黃靖乾，和 扁，岳志偉，許志翔

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州310014）

1 概述

水機專業作為水電站設計的主要角色之一，水機設備及管路的布置合理性直接影響到相關專業的三維設計。OpenPlant Modeler（OPM）軟件是基于ISO 15926開放信息模型的三維工廠設計軟件[1]，它結合了AutoPlant和PlantSpace兩者的優點[2]，增強了與其他工廠設計軟件、供應商數據庫和任何采用ISO 15926標準的應用程序之間動態交換信息的能力，為工程項目數字化應用提供了更多可能。

在設計階段，借助先進的三維設計軟件對水電站水機設備及管路進行優化布置設計，不僅可以提高工程的美觀度，也可以減少設計過程中錯漏碰撞的問題，提高工程建設進度。

2 三維建模

2.1 數據庫的建立

2.1.1 水電站標識系統編碼

目前，大多數新建數字化水電站均采用KKS編碼系統實現對設備資產的管理[3]。OPM可以根據不同工程項目的需求定制相應的數據庫，因此，結合水力發電廠標識系統編碼相關規定和水力發電廠設備管理相關要求，OPM軟件數據庫為該水電站配置了相應的設備系統碼編制規則及各系統設備的顏色屬性等。該系統碼由發電單元編號、系統分類碼和分支子系統碼3部分組成，發電單元編號分為公用發電單元（編號為00）、獨立發電單元（編號為01、02、03……）子系統的序號取 10、20、30……，子系統的分支則從11、12、13開始標識。如01PAB10則表示1號機組技術供水系統，02PAB20則表示2號機組技術排水系統。OPM設備編碼則基于系統碼，根據設備類型、設備編號自動進行。OPM軟件編碼規則如圖1所示。

圖1 OPM軟件編碼規則

當采用OPM內置元件庫建模，每個模型生成時即擁有唯一的設備碼及相應的屬性信息，同時OPM也支持對非標元件添加屬性信息。相比于以往的三維設計過程，KKS編碼工作需在三維模型完成后人為的進行設備編碼工作，OPM內置的編碼功能將大大減輕后期電站數字化移交[4]的工作量，為電站數字化建設、電站智能發電及電站智慧管理奠定基礎。

2.1.2 設備元件庫

水電站水力機械附屬設備主要包括水泵、濾水器、空氣壓縮機、儲氣罐、濾油機、閥門、管路及管路附件等。通過查找相關設計規范及相關設備制造廠家樣本庫，目前已完成閥門、管路及管路附件的元件庫錄入，其他設備（水泵、罐體等）可通過設備的約束尺寸直接驅動進行建模。

OPM閥門和管路數據庫包含等級庫和元件庫兩部分，等級庫即為設備的壓力等級情況，元件庫配置需要包含水電站應用的主要標準體系下閥門、管路及管路元件的材料、型式、規格、尺寸等數據[5]。因此，在設備元件庫建成的情況下，設備建模只需要簡單的參數化驅動即可完成。

2.2 三維設計

在水電站設計過程中，水機專業三維模型主要包括水電站技術供水系統、檢修滲漏排水系統、透平油系統、中低壓氣系統、消防系統設備及各系統的管路和管路附件等。在OPM軟件里進行三維設計時，需首先根據不同的系統創建相應的管線號。

當管線號建成后，選擇相應的設備模塊，選1個Specification和Nominal Diameter即可驅動數據庫進行設備的布置設計，操作簡便，相對于傳統的“線面體”建模可以大大提高項目三維設計效率。OPM管路建模參數選擇界面如圖2所示。

圖2 OPM管路建模參數選擇界面

2.3 碰撞檢查

水電站三維設計通常包含10余個不同專業的三維設計成果。Bentley平臺的ProjectWise協同設計軟件提供了水電站設計不同專業在同一平臺上進行三維協同設計的功能，通過Bentley任意款設計軟件的參考功能即可實時看到項目各專業的三維設計成果[6]。但在設計初期，各專業三維設計過程相對獨立，其三維設計成果可能相對合理，而在三維模型總裝后，設備與設備之間、設備與設施之間往往會出現各種型式的碰撞，包括構件實體交叉產生的硬碰撞、構件空間上無法滿足設計或施工要求的軟碰撞兩種形式[7]。

OPM集成了碰撞檢查功能，包括單個文件內部碰撞檢查和多個文件間的碰撞檢查，支持設備與設備之間、設備與設施之間的直接碰撞檢查以及設備之間的間隙合理性檢查。當水機專業各個子系統模型設計完成時，利用軟件內置的“Clash Detection”功能進行碰撞檢查，可及時糾正各個子系統中設計不合理的情況，也有助于專業內部設計產品的校審工作。利用文件的參考功能可實現水機專業各系統文件甚至與其他專業三維產品的碰撞檢查，相關碰撞檢查報告可用于協同設計的各個專業三維模型的改修完善工作，最終達到“零碰撞”的效果。

3 三維設計應用

3.1 三維模型

圖3為某大型水電站引水發電系統三維效果圖，該電站樞紐由大壩及泄能消防系統、引水發電系統等組成，引水發電系統布置在左岸山體內，主副廠房、主變洞、尾閘室平行布置。水機三維模型主要集中布置在地下廠房內，包括主廠房、副廠房、主變洞、連接洞等，圖4為地下廠房水機設備透視圖。

三維模型作為水電站三維設計的主要成果，可分專業、分系統的展示電站細部結構，同時也整體展示電站全貌，有助于項目人員全面直觀了解整個工程。

圖3 水電站引水發電系統三維效果圖

圖4 地下廠房水機設備透視圖

3.2 二維出圖

利用Bentley平臺ABD軟件的切圖管理器，可迅速將OPM三維軟件轉化為二維視圖（包括設備平剖面圖和三維軸側視圖等），用于最終的二維圖紙設計。該設計流程可有效避免傳統二維出圖中各視圖中設備不對應的情況，保證了出圖準確率，極大地提高了出圖效率。

3.3 數字化應用

三維模型應具有更廣泛的沿用價值，應利用一個模型，貫穿從設計階段到施工階段再到運維階段的全過程。

我院承擔的某大型設計施工總承包水電站項目，為了建設期的項目管理需要，搭建了專業的設計施工BIM管理系統，實現了電站建設信息的綜合展示、設計管理、進度管理、投資管理及安全監測等功能，系統界面如圖5所示。目前，土建專業三維模型已在BIM管理平臺內集成，用于現場施工進度模擬。OPM三維模型亦可用于施工仿真，指導現場設備運輸、安裝，輔助現場項目管理人員的決策工作。同時，該三維模型亦可延用至電站運維階段，由于OPM三維模型自帶編碼信息及設計數據，大大減少了設計階段的數據移交；以三維模型為載體，掛接整個項目施工和運維階段中的數據，實現項目全過程數據的存儲和快速查閱等功能。

圖5 某大型水電站設計施工BIM管理系統

4 總結

（1）基于Bentley平臺的OPM三維設計軟件操作便捷，能快速有效地建立水機設備三維模型，相關設備模型尺寸合理、外形較真實美觀。

（2）OPM與Bentley平臺下不同設計軟件的兼容性較好，以三維建模為基礎的二維切圖設計流程仍可繼續沿用，并能有效提高產品的設校審效率和保證產品質量。

（3）OPM水機專業三維設計成果作為水電站三維設計的重要組成部分，亦可用于施工模擬，指導現場施工作業、進度仿真以及項目管理輔助決策。

（4）OPM三維模型自帶編碼信息并已集成部分設計數據，大大減輕了電站數字化移交工作量；以設備編碼為紐帶，可將工程設計圖紙、施工文檔甚至電站后期的設備運行數據與三維模型掛接，實現以三維模型為載體的電站全壽命周期數據的存儲和查閱等功能。