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(tǒng)工程，所涉專業(yè)多、各專業(yè)自身結(jié)構(gòu)較復雜、且在同一空間內(nèi)進行各專業(yè)的結(jié)構(gòu)/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(yè)圖紙需要分樓層、分區(qū)塊制圖，圖紙的系統(tǒng)性不強；設計需要充分考慮與相關專業(yè)的協(xié)調(diào)與配合，避免設備及管線的碰撞現(xiàn)象；一旦設計方案有所變更，各相關專業(yè)還需重新配合，設計工作量將成倍增加。為保證設計質(zhì)量、提高設計效率，需要利用更為立體、直觀、精確地三維協(xié)同設計。

三維協(xié)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(tǒng)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(chǎn)效率、保證設計產(chǎn)品的質(zhì)量。與傳統(tǒng)的二維設計相比，三維協(xié)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(qū)，能夠快速發(fā)現(xiàn)錯、漏、碰等問題，方便設計人員交流。

（2）三維模型的系統(tǒng)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(tǒng)一且動態(tài)更新的共享平臺，各專業(yè)之間可以實現(xiàn)動態(tài)協(xié)同，保證數(shù)據(jù)的一致性和實時更新，提高設計產(chǎn)品質(zhì)量；同時減少了專業(yè)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(fā)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(xiàn)場問題，減輕了設代人員修改圖紙的壓力，提高了生產(chǎn)效率。

1 實際應用

1.1 三維協(xié)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(jù)需要設置不同的管理權(quán)限，并統(tǒng)一配置企業(yè)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(yè)模型，及時發(fā)現(xiàn)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(zhì)量；文件檢出、檢入實時記錄，工作流狀態(tài)清晰，設計人員工作時間、狀態(tài)一目了然，專業(yè)協(xié)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(xié)同設計流程大致如下：首先，根據(jù)項目的大小，制定三維協(xié)同設計實施計劃；明確各專業(yè)作業(yè)內(nèi)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(quán)限、配置工作空間等。再次，利用專業(yè)軟件進行制圖規(guī)則設置，建立各專業(yè)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(yè)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(xié)同設計，相比傳統(tǒng)設計方式具有以下特點：

（1）基于統(tǒng)一協(xié)作平臺，模型可在項目內(nèi)共享并互為參考，專業(yè)配合更加簡單、高效。協(xié)作平臺上各專業(yè)的模型文件都是實時更新的，節(jié)約了專業(yè)配合時間。圖1是某水電站未參考其它專業(yè)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(xié)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(yè)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(tǒng)的水電站設計方式，雖然設計人員對結(jié)構(gòu)構(gòu)造、設計理念了如指掌，但是涉及專業(yè)多、系統(tǒng)龐大，對于讀圖者和施工者來說，如果對其它專業(yè)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(xiàn)場，各專業(yè)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(yè)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(zhì)量和生產(chǎn)效率。碰撞檢查可用于檢查專業(yè)內(nèi)部以及專業(yè)之間設備碰撞情況。對于水電站廠房的設計來說，系統(tǒng)復雜、工作量大、各專業(yè)之間聯(lián)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(zhì)量和生產(chǎn)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(xiàn)錯、漏、碰、缺等問題，優(yōu)化設計。設計人員可根據(jù)設計產(chǎn)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)水電站廠房復雜結(jié)構(gòu)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(yōu)。大大減少了以往計算建模的工作量，實現(xiàn)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(jié)果圖

2 面臨的問題

2.1 標準流程的制定

目前，水電行業(yè)各大設計院已經(jīng)開展了三維設計，也取得了一些成果，但是暫未形成統(tǒng)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(zhì)量檢查體系，導致三維設計工作執(zhí)行不夠認真，協(xié)同不夠，影響設計成果的質(zhì)量。標準化設計流程的探索、統(tǒng)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(yè)使用的三維軟件主要有Bentley、Autodesk、Catia 三種，湖南院經(jīng)過比選，最終選擇Bentley軟件搭建了三維協(xié)同設計平臺。因水電站廠房涉及專業(yè)多、協(xié)同設計要求所有專業(yè)都能夠在一個平臺上共享成果，而這些專業(yè)之間特點差別大、基本是一個專業(yè)一個款軟件。如：水工專業(yè)采用ABD、測繪專業(yè)采用Geopak、施工專業(yè)采用PowerCivil、電氣專業(yè)采用BRCM和Substation、水機專業(yè)采用PSDS等，這些專業(yè)軟件仍不能完全實現(xiàn)所有專業(yè)使用功能需求。如在設計過程中，水工專業(yè)需要完成結(jié)構(gòu)計算，Bentley軟件自帶的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析。為了能夠在統(tǒng)一的Bentley軟件平臺下實現(xiàn)利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模型進行計算，還需要進行二次開發(fā)，實現(xiàn)符合我國規(guī)范的結(jié)構(gòu)計算功能。

2.3 優(yōu)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(guī)范和經(jīng)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(yè)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(xié)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(fā)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(yè)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(xié)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(yè)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(huán)境、各建筑之間的空間邏輯關系，從而有利于增強業(yè)主的認知。

（2）標準化、參數(shù)化元件庫的重復利用，便于設計修改。參數(shù)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(lián)的部分反映出來。構(gòu)件的移動、刪除和尺寸的改動所引起的參數(shù)變化會引起相關構(gòu)件的參數(shù)產(chǎn)生關聯(lián)的變化，需保證所有模型的一致性。

（3）基于統(tǒng)一協(xié)同設計平臺，提高團隊效益。水電站廠房設計涉及專業(yè)范圍廣，一般包括水工、機電、金結(jié)、施工、概算等專業(yè)，專業(yè)之間的溝通協(xié)調(diào)是非常重要的。在三維協(xié)同設計環(huán)境下，各專業(yè)對工程都有直觀的認識，溝通較為方便；同時，各專業(yè)都在同一的基礎模型上進行設計，成果共享，可避免出現(xiàn)錯、漏、碰、缺等問題。這種協(xié)同設計節(jié)省了各專業(yè)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(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)遠程辦公。利用遠程瀏覽軟件和互聯(lián)網(wǎng)向不同用戶提供相關模型和圖紙，實現(xiàn)遠程辦公。還可以利用搭建設代處服務器的方法，實現(xiàn)設代處與院內(nèi)進行協(xié)同設計，可及時解決施工現(xiàn)場出現(xiàn)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(shù)字模型，拓寬業(yè)務范圍。利用現(xiàn)有三維數(shù)字模型，可以開展基于工程基礎數(shù)據(jù)庫的施工模擬系統(tǒng)、建設進度和質(zhì)量控制系統(tǒng)、投資與效益分析系統(tǒng)等相關工程咨詢業(yè)務。

4 結(jié) 語

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

[1]張翔，章程，徐蒯東，蔣海峰.三維設計在龍開口水電站的應用 [J].水力發(fā)電，2013，39（2）：43-46.

[2]楊小龍，吳貴春.大型水電站廠房三維設計研究與應用[J].云南水力發(fā)電，2015，31（5）：132-138.

[3]補舒棋.關于REVIT Architecture軟件在電站廠房設計中的應用探索[J].陜西水利，2013，（5）：113-115.