周強(qiáng)

（海南省水利水電勘測設(shè)計研究院，海南?？?70203）

水利水電工程的三維協(xié)同設(shè)計

周強(qiáng)

（海南省水利水電勘測設(shè)計研究院，海南?？?70203）

隨著計算機(jī)圖形技術(shù)和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，一種嶄新的設(shè)計方式——三維協(xié)同設(shè)計，動搖著傳統(tǒng)工程二維設(shè)計理念.三維設(shè)計技術(shù)給工程領(lǐng)域帶來的革命，讓人們看到了真正的計算機(jī)輔助設(shè)計的美好現(xiàn)實(shí)與未來.文章在收集、綜合了大量國內(nèi)外工程三維設(shè)計資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國水利水電工程實(shí)際，系統(tǒng)論述了水利水電三維協(xié)同設(shè)計的概念、原理和方法，闡述了三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的先進(jìn)性、行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.

水利水電工程；三維設(shè)計；行業(yè)應(yīng)用；發(fā)展趨勢

在水利水電等工程建造領(lǐng)域，傳統(tǒng)的設(shè)計師們設(shè)計立體建筑物，是從原始的手工繪圖方式開始，或者利用后來發(fā)展的計算機(jī)輔助繪圖方式，總是先將立體設(shè)計對象轉(zhuǎn)化成平面形式來實(shí)現(xiàn)的.由于受技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)二維設(shè)計手段的最大弊端就是可想而不可見.對設(shè)計者而言，他們所構(gòu)思的三維建筑物之間的邏輯關(guān)系、工程的總體布置等，都需要轉(zhuǎn)換成數(shù)量龐大的二維平面設(shè)計圖紙，既耗費(fèi)設(shè)計師大量的時間和精力，又無法直觀并完全表達(dá)其原始設(shè)計意圖.

在信息化技術(shù)快速進(jìn)步和巨大市場需求的背景下，一種對結(jié)構(gòu)描述更加真實(shí)、更加準(zhǔn)確、更加全面的三維設(shè)計（也稱“三維產(chǎn)品仿真設(shè)計”）技術(shù)，以其可視化的巨大優(yōu)勢在國內(nèi)外水電工程設(shè)計行業(yè)風(fēng)生水起［1］.在三維設(shè)計中，集成化的三維項(xiàng)目模型的各種信息相互關(guān)聯(lián)，使得任何一個地方的設(shè)計或設(shè)計變更，只需在同一個地方完成即可，不僅可節(jié)省大量的設(shè)計時間，縮短設(shè)計周期，又能最大限度地減少差錯、提高設(shè)計質(zhì)量.三維設(shè)計已成為水利水電工程設(shè)計領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢.

1　水利水電三維設(shè)計系統(tǒng)

三維設(shè)計簡單地說，就是讓設(shè)計師的設(shè)計工作直接從三維開始，遵循一種完全符合人類大腦思維和行為習(xí)慣的模式，保證設(shè)計思維的連貫性，避免了經(jīng)過二維設(shè)計轉(zhuǎn)換的繁瑣過程.

三維設(shè)計的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了設(shè)計過程的可視化與智能化，它包括設(shè)計條件，如地質(zhì)，水文，地形，樞紐布置及施工條件等的可視化、設(shè)計建模的可視化、計算分析過程的可視化與成果展示的可視化.

三維設(shè)計系統(tǒng)是利用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過計算機(jī)仿真模擬設(shè)計軟件來實(shí)現(xiàn)的.目前在水利水電工程勘測設(shè)計領(lǐng)域具有三維協(xié)同仿真設(shè)計功能的軟件系統(tǒng)主要有三大產(chǎn)品，即法國達(dá)索公司的CATIA軟件、美國Bentley公司的MicroStation軟件和美國Autodesk公司的AutoCAD軟件.

三維設(shè)計系統(tǒng)的基本工作原理及關(guān)鍵技術(shù)可概括為四個方面：1）骨架設(shè)計與驅(qū)動，2）參數(shù)化設(shè)計與驅(qū)動，3）模板設(shè)計與知識工程，4）協(xié)同設(shè)計模式［2-3］.

1.1骨架設(shè)計與驅(qū)動

骨架（Skeleton，又稱骨架模型），是將某一數(shù)字幾何模型拓?fù)涮匦越?jīng)過某種特殊方法處理后具有類似生物“骨骼”般的可視幾何圖形，它以圖（Grahp）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行存儲［4］，是構(gòu)成工程全三維模型的核心和有效組織形式.

骨架的組織形式一般采取多級樹形結(jié)構(gòu)，分為總骨架和子骨架，子骨架又可衍生下級子骨架.水利工程三維模型中的骨架，大致分為工程總骨架（也稱“頂層基本骨架”）、單元工程骨架和零部件骨架三類.

骨架設(shè)計是三維設(shè)計的基礎(chǔ)工作，采取自頂向下的設(shè)計方法.骨架設(shè)計的思路是，在工程總體設(shè)計初期（可研設(shè)計階段），從產(chǎn)品裝配的最高層面考慮工程的設(shè)計結(jié)構(gòu)［5］，確定產(chǎn)品模型的主要空間位置和空間形狀，例如大壩的基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面，其他構(gòu)筑物的點(diǎn)、輪廓線、輪廓面等，定義工程主模塊與子模塊的關(guān)聯(lián)（驅(qū)動與繼承）關(guān)系，如空間要求、界面及其他幾何屬性等拓?fù)浼s束關(guān)系［6］.當(dāng)工程發(fā)生重大設(shè)計變更（如地質(zhì)、建基面、樁號變更）時，只要在頂層基本骨架中完成所有控制參數(shù)的修改，便可驅(qū)動整個模型的更改.

1.2參數(shù)化設(shè)計與參數(shù)驅(qū)動

三維設(shè)計的另一個重要技術(shù)手段就是參數(shù)化設(shè)計與參數(shù)驅(qū)動.參數(shù)化設(shè)計技術(shù)以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動為特征，允許設(shè)計者在設(shè)計的初期只畫一個產(chǎn)品草圖，然后將產(chǎn)品的幾何尺寸、位置關(guān)系定義為參數(shù)變量，需要時，只要修改這些參數(shù)變量或約束，即可直接或間接地改變圖形的尺寸及形狀，并驅(qū)動模型中所有其他相關(guān)聯(lián)部分圖形的修改，極大地改善了圖形的創(chuàng)建和修改手段，提高了設(shè)計的柔性和工作效率［7］.

1.3模板化設(shè)計

模板化設(shè)計是三維設(shè)計中知識重用思想的具體體現(xiàn)和重要技術(shù)手段.在水工建筑物中，有許多典型結(jié)構(gòu)，如擋土墻，廠房上部結(jié)構(gòu)中的牛腿、板、梁、柱、樓梯等，其重復(fù)利用率非常高.如果每次重復(fù)建模，會浪費(fèi)很多時間［8］.模板化設(shè)計就是把一些定型的、在多個工程項(xiàng)目之間反復(fù)使用的一些構(gòu)件的設(shè)計過程做成模板，供任意工程設(shè)計時調(diào)用，以達(dá)到快速三維建模的目的，大幅提高工作效率和工作質(zhì)量.把參數(shù)化設(shè)計與模板化設(shè)計兩者相比較可以看出，如果說參數(shù)化設(shè)計是著眼于同一工程項(xiàng)目的一族產(chǎn)品的快速設(shè)計和修改的話，那么模板化設(shè)計則定位于不同工程項(xiàng)目的同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計.模板化設(shè)計是參數(shù)化設(shè)計思想的延伸和另類應(yīng)用，法國達(dá)索公司的CATIA的知識模板功能提供了一個很好的實(shí)現(xiàn)模板化設(shè)計的軟件工具.

1.4協(xié)同設(shè)計

水利水電設(shè)計工作是一個涉及不同設(shè)計階段、眾多工程專業(yè)深度配合的系統(tǒng)工程，需要在各專業(yè)技術(shù)人員之間建立大規(guī)模的深度協(xié)同的工作關(guān)系，需要對設(shè)計信息及設(shè)計成果的高度集成和共享.傳統(tǒng)的離線設(shè)計方式需要大量面對面地溝通交流，設(shè)計流程復(fù)雜，效率和質(zhì)量得不到保證，而三維設(shè)計系統(tǒng)的在線協(xié)同功能是使所有設(shè)計者都在同一環(huán)境下在線工作，設(shè)計數(shù)據(jù)同步且唯一，設(shè)計流程清晰簡單，不同專業(yè)或不同部位的設(shè)計產(chǎn)品之間能夠相互關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了與業(yè)主、施工單位、專業(yè)間的實(shí)時溝通［9］.如文獻(xiàn)［10］設(shè)計水電站廠房的三維設(shè)計（見圖1）.

圖1　水電站廠房三維模型Fig.1Three-dimensional model of hydropower station

2　水利水電三維設(shè)計系統(tǒng)的先進(jìn)性

水利水電工程三維協(xié)同可視化設(shè)計技術(shù)，突破了許多二維設(shè)計中的技術(shù)瓶頸，具有二維設(shè)計無法比擬的優(yōu)越性，較為突出的主要有以下幾個方面.

2.1提高了水電產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量

在三維設(shè)計條件下，設(shè)計者實(shí)現(xiàn)了三維空間布置和設(shè)計，大大提升了產(chǎn)品的設(shè)計和創(chuàng)新手段.設(shè)計師們不再是圖紙的奴隸，他們的時間和精力被充分釋放，設(shè)計靈感受到極大激發(fā)，能夠站在工程設(shè)計的整體高度，進(jìn)行多角度、多領(lǐng)域（專業(yè)）的產(chǎn)品審視、平衡，并進(jìn)行設(shè)計方案的快速優(yōu)化和比較選擇.通過碰撞檢查和模型校驗(yàn)，可以大大減少設(shè)計上的錯、漏、碰、缺現(xiàn)象，使得三維設(shè)計能更真實(shí)、更準(zhǔn)確地描述設(shè)計物的結(jié)構(gòu)以及各結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系，模型中的數(shù)據(jù)信息就是實(shí)際建設(shè)中的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，既避免了工程建設(shè)的資源浪費(fèi)節(jié)省了投資，又保證了工程體的高度安全，工程設(shè)計質(zhì)量得到了大幅提高.

2.2提高了水電工程設(shè)計效率

設(shè)計效率一直是影響水利水電工程建設(shè)周期的關(guān)鍵環(huán)節(jié).在傳統(tǒng)二維設(shè)計中，如果強(qiáng)調(diào)提高設(shè)計效率，往往意味著要以增加資源消耗和降低設(shè)計質(zhì)量為代價.由于三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)對設(shè)計成果集中管理，能夠使設(shè)計工作在同一平臺上的不同專業(yè)的技術(shù)人員做到深度協(xié)同配合，在產(chǎn)品開發(fā)流程的早期及時發(fā)現(xiàn)和更正潛在的問題，并通過協(xié)同機(jī)制及時反饋給上、下游或同專業(yè)其他設(shè)計人員，避免了設(shè)計盲區(qū)，降低了出錯概率，同時又減少了決策的時間和成本［11］，“又好”、“又快”不再發(fā)生矛盾.

2.3提供了理想的結(jié)構(gòu)分析模型

水利工程設(shè)計針對建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的預(yù)測、后驗(yàn)校核和事故分析，是通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計算來完成的.而水利工程三維設(shè)計模型成果往往可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析計算提供理想的模型基礎(chǔ).法國的CA?TIA三維設(shè)計系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)分析與仿真解決方案為設(shè)計者提供了高度自動化、透明的解決方案.CATIA能夠自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分和初步的有限元分析，同時與原三維模型保持關(guān)聯(lián).當(dāng)三維模型結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有限元模型也跟隨更新，無需重新建立模型，大大縮短了建模時間，提高了分析效率.設(shè)計人員可以隨時修改三維模型，而分析人員可以利用已有的三維模型，進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等計算分析［11］.對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可采用軟件組合的方法，例如，通過CATIA建模，再導(dǎo)入專業(yè)有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計算.

2.4提供了可視化的產(chǎn)品展示模型

三維協(xié)同設(shè)計另一個突出的優(yōu)勢，就是能形成虛擬的三維工程模型，使設(shè)計人員能將其設(shè)計理念和設(shè)計成果進(jìn)行可視化三維展示，既能在投入施工之前模擬出水利水電工程建設(shè)的全過程，還能模擬出工程建成后的使用情況.這樣就能充分滿足業(yè)主方和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)在聽取匯報時的視覺感受，提高了設(shè)計單位的方案中標(biāo)率.

3　我國水利水電三維設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

3.1行業(yè)三維設(shè)計應(yīng)用現(xiàn)狀

早在十幾年前，我國的水利水電工程領(lǐng)域就已經(jīng)開展了三維設(shè)計系統(tǒng)的引進(jìn)、應(yīng)用及研究工作，但主要集中在一些大型設(shè)計院.他們成立工程數(shù)字化研究中心，大力開展技術(shù)培訓(xùn)，并實(shí)施產(chǎn)學(xué)研一體化策略等措施［12-15］.已有成果表明，采用三維設(shè)計使設(shè)計圖紙的一次校審?fù)ㄟ^率可普遍提高至90%，設(shè)計產(chǎn)品的差錯率減少約80%.比傳統(tǒng)設(shè)計效率提高42%以上［16］，工程項(xiàng)目設(shè)計周期縮短了30%［17］，大大提升了設(shè)計單位的生產(chǎn)力、生產(chǎn)水平和市場競爭力.目前國家已從行業(yè)層面進(jìn)入到三維設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制定、三維模型庫建設(shè)及三維平臺建設(shè)的整合開發(fā)階段.截止2015年上半年，在國內(nèi)各級水利水電勘測設(shè)計院中，開展三維設(shè)計的已超過23家.隨著時間的推移，三維協(xié)同設(shè)計的巨大生命力將日漸凸顯.可以預(yù)見，水利水電工程的設(shè)計將進(jìn)入三維協(xié)同設(shè)計時代.

3.2行業(yè)發(fā)展趨勢

隨著三維設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用的逐步深入，三維模型數(shù)據(jù)也將會不斷得到充實(shí)、豐富，這為設(shè)計企業(yè)開展工程數(shù)字化新業(yè)務(wù)創(chuàng)造了先機(jī)、開辟了方向.

3.2.1數(shù)字化設(shè)計與施工一體化

水利工程數(shù)字化設(shè)計與施工是計算機(jī)虛擬設(shè)計與虛擬制造在工程領(lǐng)域的典型應(yīng)用.設(shè)計與施工的一體化與相互融合是工程建造領(lǐng)域發(fā)展、進(jìn)步的必然趨勢，充分利用水利水電工程三維模型信息量豐富、可視性強(qiáng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，使實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計與施工一體化成為可能.用數(shù)字整體移交的理念和方法將三維模型運(yùn)用于工程現(xiàn)場施工與管理以獲取三維模型的附加收益［16］.如通過CATIA/SimuPower平臺，可使施工組織設(shè)計全部數(shù)字化和可視化，使施工現(xiàn)場的一切面貌均可在計算機(jī)屏幕上一一再現(xiàn)，并以現(xiàn)場實(shí)際施工面貌為基礎(chǔ)，預(yù)測一個月、一年以后工程區(qū)的三維施工面貌，從而決策優(yōu)選施工組織方案.這樣，人們向往的遠(yuǎn)程施工管理就可實(shí)現(xiàn)三維可視化.

3.2.2數(shù)字化設(shè)計與全生命周期管理服務(wù)一體化

全生命周期管理（ELM—Engineering Lifecycle Management）是對項(xiàng)目從可研到運(yùn)行，到最終報廢等全生命周期的項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的一種先進(jìn)的工具、方法與理念.設(shè)計單位通過三維協(xié)同設(shè)計建立起來的工程信息數(shù)據(jù)就是ELM所需要的最可靠、極珍貴的前端數(shù)據(jù).設(shè)計單位以三維設(shè)計數(shù)字模型為基礎(chǔ)，逐步構(gòu)建滿足設(shè)計、采購、施工到運(yùn)行和維護(hù)管理等需求的全信息三維數(shù)字化模型，整合工程安全等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，最終將實(shí)物資產(chǎn)和全信息數(shù)字化虛擬資產(chǎn)進(jìn)行整體移交，為工程業(yè)主提供工程全生命周期管理服務(wù)［16］.可以預(yù)見，數(shù)字化設(shè)計與全生命周期管理一體化，必將極大地帶動我國水利水電工程建設(shè)領(lǐng)域生產(chǎn)方式的變革和全面升級，從而促進(jìn)水利水電事業(yè)的大發(fā)展.

4　結(jié)語

由于三維設(shè)計系統(tǒng)有諸多明顯優(yōu)勢，目前已迅速發(fā)展成水利水電工程設(shè)計的熱門技術(shù)，成為水利水電勘測設(shè)計企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級、創(chuàng)新管理模式、提高企業(yè)核心競爭力的必然選擇.在海南，由于存在人才、資金、技術(shù)等瓶頸因素，開展水利水電三維設(shè)計還有很多困難，目前還僅僅處在起步階段.建議海南結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，積極開展水利工程三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)的前期調(diào)研和應(yīng)用研究工作，吸引更多的有識之人關(guān)心和參與三維設(shè)計系統(tǒng)這一最新技術(shù)，爭取早日在海南水利水電工程勘測設(shè)計中實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計零的突破.

［1］黃建山，張社榮，顧巖，等.水利水電行業(yè)中應(yīng)用三維設(shè)計的探討［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2008，27（3）：65-9.

［2］李斌，宗志堅，鄭會春.水利水電工程三維設(shè)計方法引進(jìn)與研究［J］.人民黃河，2011，33（5）：136-137.

［3］陳緒勛.CATIA在水工三維設(shè)計中的優(yōu)勢初探［C］.2013年全國水利水電勘測設(shè)計單位計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研討會論文集，長春，2013：43-45.

［4］齊曉明.骨架驅(qū)動的網(wǎng)格模型自適應(yīng)變形技術(shù)研究［D］.大連：遼寧師范大學(xué)，2012.

［5］王進(jìn)豐，李小帥，傅尤杰.CATIA軟件在水電工程三維協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用［J］.人民長江，2009，40（4）：68-70.

［6］張長.基于CATIA軟件平臺的自頂向下參數(shù)化裝配設(shè)計［J］.青海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，25（1）：83-85.

［7］蓋雨聆.淺論參數(shù)化設(shè)計技術(shù)［C］.第15屆全國機(jī)械設(shè)計年會論文集，北京，2009：26-29.

［8］王巍.CATIA三維設(shè)計軟件在電站廠房設(shè)計中的應(yīng)用［C］.2013年全國水利水電勘測設(shè)計單位計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研討會論文集，長春，2013：32-34.

［9］周杰.三維協(xié)同設(shè)計在吉林院中的應(yīng)用［C］.2013年全國水利水電勘測設(shè)計單位計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研討會論文集，長春，2013：10-16.

［10］林婕.三維可視化設(shè)計在水電工程中的應(yīng)用初探［J］.小水電，2007（3）：54-56.

［11］黃志澎，楊敬，趙永剛.基于CATIA的拱壩三維協(xié)同設(shè)計［J］.水電站設(shè)計，2011，27（4）：9-14.

［12］李瑞陽，劉晶，田新星.GC在水電站廠房蝸殼三維參數(shù)化建模設(shè)計中的應(yīng)用研究［J］.水利水電工程設(shè)計，2013，32（4）：18-20.

［13］王國光，徐震，單治鋼.地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.水力發(fā)電，2014，40（8）：13-17.

［14］李明超，鐘登華，王鐘耀.水利水電工程地質(zhì)—水工三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)研究［J］.中國工程科學(xué)，2010（1）：43-46.

［15］齊文彪，劉樹峰.吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院三維設(shè)計模式及開發(fā)特點(diǎn)［C］.2013年全國水利水電勘測設(shè)計單位計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研討會論文集，長春，2013：1-9.

［16］王金鋒，陳健，王國光.水利水電工程三維數(shù)字化設(shè)計平臺建設(shè)與應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2014，40（8）：1-4.

［17］陳亞軍.三維協(xié)同設(shè)計在水利水電工程設(shè)計中的應(yīng)用［J］.中國建設(shè)信息，2013（18）：23-24.

責(zé)任編輯：畢和平

Three-Dimension Design Era of Hydraulic and Hydro-Power Engineering

ZHOU Qiang
（Hainan Survey&Design Research Institute for Water Resources and Hydropower，Haikou 570203，China）

As the rapid development and improvement of computer graphics technology and information technology，threedimension cooperative design—a brand new design method is challenging the traditional 2D design concept.The engineer?ing revolution brought by 3D design technology has shown people the wonderful reality and future of CAD.Based on collect?ing and integrating large number of domestic engineering 3D design materials combined with the practical experiences of China's hydraulic and hydro-power engineering，this paper systematically discussed the concept，principles and methods of hydraulic and hydro-power engineering 3D cooperative design，elaborated the progressiveness，present industry application and development trends of 3D cooperative design system.

hydraulic and hydro-power engineering；3D design；industry application；development trends

TB 21

A

1674-4942（2015）04-0461-04

2015-08-14