楊貴程，黃靖乾，和 扁，岳志偉，許志翔

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州310014）

1 概述

水機(jī)專業(yè)作為水電站設(shè)計(jì)的主要角色之一，水機(jī)設(shè)備及管路的布置合理性直接影響到相關(guān)專業(yè)的三維設(shè)計(jì)。OpenPlant Modeler（OPM）軟件是基于ISO 15926開放信息模型的三維工廠設(shè)計(jì)軟件[1]，它結(jié)合了AutoPlant和PlantSpace兩者的優(yōu)點(diǎn)[2]，增強(qiáng)了與其他工廠設(shè)計(jì)軟件、供應(yīng)商數(shù)據(jù)庫(kù)和任何采用ISO 15926標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序之間動(dòng)態(tài)交換信息的能力，為工程項(xiàng)目數(shù)字化應(yīng)用提供了更多可能。

在設(shè)計(jì)階段，借助先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)水電站水機(jī)設(shè)備及管路進(jìn)行優(yōu)化布置設(shè)計(jì)，不僅可以提高工程的美觀度，也可以減少設(shè)計(jì)過程中錯(cuò)漏碰撞的問題，提高工程建設(shè)進(jìn)度。

2 三維建模

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

2.1.1 水電站標(biāo)識(shí)系統(tǒng)編碼

目前，大多數(shù)新建數(shù)字化水電站均采用KKS編碼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備資產(chǎn)的管理[3]。OPM可以根據(jù)不同工程項(xiàng)目的需求定制相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，因此，結(jié)合水力發(fā)電廠標(biāo)識(shí)系統(tǒng)編碼相關(guān)規(guī)定和水力發(fā)電廠設(shè)備管理相關(guān)要求，OPM軟件數(shù)據(jù)庫(kù)為該水電站配置了相應(yīng)的設(shè)備系統(tǒng)碼編制規(guī)則及各系統(tǒng)設(shè)備的顏色屬性等。該系統(tǒng)碼由發(fā)電單元編號(hào)、系統(tǒng)分類碼和分支子系統(tǒng)碼3部分組成，發(fā)電單元編號(hào)分為公用發(fā)電單元（編號(hào)為00）、獨(dú)立發(fā)電單元（編號(hào)為01、02、03……）子系統(tǒng)的序號(hào)取 10、20、30……，子系統(tǒng)的分支則從11、12、13開始標(biāo)識(shí)。如01PAB10則表示1號(hào)機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)，02PAB20則表示2號(hào)機(jī)組技術(shù)排水系統(tǒng)。OPM設(shè)備編碼則基于系統(tǒng)碼，根據(jù)設(shè)備類型、設(shè)備編號(hào)自動(dòng)進(jìn)行。OPM軟件編碼規(guī)則如圖1所示。

圖1 OPM軟件編碼規(guī)則

當(dāng)采用OPM內(nèi)置元件庫(kù)建模，每個(gè)模型生成時(shí)即擁有唯一的設(shè)備碼及相應(yīng)的屬性信息，同時(shí)OPM也支持對(duì)非標(biāo)元件添加屬性信息。相比于以往的三維設(shè)計(jì)過程，KKS編碼工作需在三維模型完成后人為的進(jìn)行設(shè)備編碼工作，OPM內(nèi)置的編碼功能將大大減輕后期電站數(shù)字化移交[4]的工作量，為電站數(shù)字化建設(shè)、電站智能發(fā)電及電站智慧管理奠定基礎(chǔ)。

2.1.2 設(shè)備元件庫(kù)

水電站水力機(jī)械附屬設(shè)備主要包括水泵、濾水器、空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、濾油機(jī)、閥門、管路及管路附件等。通過查找相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)設(shè)備制造廠家樣本庫(kù)，目前已完成閥門、管路及管路附件的元件庫(kù)錄入，其他設(shè)備（水泵、罐體等）可通過設(shè)備的約束尺寸直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)行建模。

OPM閥門和管路數(shù)據(jù)庫(kù)包含等級(jí)庫(kù)和元件庫(kù)兩部分，等級(jí)庫(kù)即為設(shè)備的壓力等級(jí)情況，元件庫(kù)配置需要包含水電站應(yīng)用的主要標(biāo)準(zhǔn)體系下閥門、管路及管路元件的材料、型式、規(guī)格、尺寸等數(shù)據(jù)[5]。因此，在設(shè)備元件庫(kù)建成的情況下，設(shè)備建模只需要簡(jiǎn)單的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)即可完成。

2.2 三維設(shè)計(jì)

在水電站設(shè)計(jì)過程中，水機(jī)專業(yè)三維模型主要包括水電站技術(shù)供水系統(tǒng)、檢修滲漏排水系統(tǒng)、透平油系統(tǒng)、中低壓氣系統(tǒng)、消防系統(tǒng)設(shè)備及各系統(tǒng)的管路和管路附件等。在OPM軟件里進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)，需首先根據(jù)不同的系統(tǒng)創(chuàng)建相應(yīng)的管線號(hào)。

當(dāng)管線號(hào)建成后，選擇相應(yīng)的設(shè)備模塊，選1個(gè)Specification和Nominal Diameter即可驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)備的布置設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)便，相對(duì)于傳統(tǒng)的“線面體”建模可以大大提高項(xiàng)目三維設(shè)計(jì)效率。OPM管路建模參數(shù)選擇界面如圖2所示。

圖2 OPM管路建模參數(shù)選擇界面

2.3 碰撞檢查

水電站三維設(shè)計(jì)通常包含10余個(gè)不同專業(yè)的三維設(shè)計(jì)成果。Bentley平臺(tái)的ProjectWise協(xié)同設(shè)計(jì)軟件提供了水電站設(shè)計(jì)不同專業(yè)在同一平臺(tái)上進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)的功能，通過Bentley任意款設(shè)計(jì)軟件的參考功能即可實(shí)時(shí)看到項(xiàng)目各專業(yè)的三維設(shè)計(jì)成果[6]。但在設(shè)計(jì)初期，各專業(yè)三維設(shè)計(jì)過程相對(duì)獨(dú)立，其三維設(shè)計(jì)成果可能相對(duì)合理，而在三維模型總裝后，設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)施之間往往會(huì)出現(xiàn)各種型式的碰撞，包括構(gòu)件實(shí)體交叉產(chǎn)生的硬碰撞、構(gòu)件空間上無法滿足設(shè)計(jì)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(gè)文件內(nèi)部碰撞檢查和多個(gè)文件間的碰撞檢查，支持設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)施之間的直接碰撞檢查以及設(shè)備之間的間隙合理性檢查。當(dāng)水機(jī)專業(yè)各個(gè)子系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)完成時(shí)，利用軟件內(nèi)置的“Clash Detection”功能進(jìn)行碰撞檢查，可及時(shí)糾正各個(gè)子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)不合理的情況，也有助于專業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)產(chǎn)品的校審工作。利用文件的參考功能可實(shí)現(xiàn)水機(jī)專業(yè)各系統(tǒng)文件甚至與其他專業(yè)三維產(chǎn)品的碰撞檢查，相關(guān)碰撞檢查報(bào)告可用于協(xié)同設(shè)計(jì)的各個(gè)專業(yè)三維模型的改修完善工作，最終達(dá)到“零碰撞”的效果。

3 三維設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 三維模型

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

三維模型作為水電站三維設(shè)計(jì)的主要成果，可分專業(yè)、分系統(tǒng)的展示電站細(xì)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)也整體展示電站全貌，有助于項(xiàng)目人員全面直觀了解整個(gè)工程。

圖3 水電站引水發(fā)電系統(tǒng)三維效果圖

圖4 地下廠房水機(jī)設(shè)備透視圖

3.2 二維出圖

利用Bentley平臺(tái)ABD軟件的切圖管理器，可迅速將OPM三維軟件轉(zhuǎn)化為二維視圖（包括設(shè)備平剖面圖和三維軸側(cè)視圖等），用于最終的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)流程可有效避免傳統(tǒng)二維出圖中各視圖中設(shè)備不對(duì)應(yīng)的情況，保證了出圖準(zhǔn)確率，極大地提高了出圖效率。

3.3 數(shù)字化應(yīng)用

三維模型應(yīng)具有更廣泛的沿用價(jià)值，應(yīng)利用一個(gè)模型，貫穿從設(shè)計(jì)階段到施工階段再到運(yùn)維階段的全過程。

我院承擔(dān)的某大型設(shè)計(jì)施工總承包水電站項(xiàng)目，為了建設(shè)期的項(xiàng)目管理需要，搭建了專業(yè)的設(shè)計(jì)施工BIM管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電站建設(shè)信息的綜合展示、設(shè)計(jì)管理、進(jìn)度管理、投資管理及安全監(jiān)測(cè)等功能，系統(tǒng)界面如圖5所示。目前，土建專業(yè)三維模型已在BIM管理平臺(tái)內(nèi)集成，用于現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度模擬。OPM三維模型亦可用于施工仿真，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)輸、安裝，輔助現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目管理人員的決策工作。同時(shí)，該三維模型亦可延用至電站運(yùn)維階段，由于OPM三維模型自帶編碼信息及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，大大減少了設(shè)計(jì)階段的數(shù)據(jù)移交；以三維模型為載體，掛接整個(gè)項(xiàng)目施工和運(yùn)維階段中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全過程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和快速查閱等功能。

圖5 某大型水電站設(shè)計(jì)施工BIM管理系統(tǒng)

4 總結(jié)

（1）基于Bentley平臺(tái)的OPM三維設(shè)計(jì)軟件操作便捷，能快速有效地建立水機(jī)設(shè)備三維模型，相關(guān)設(shè)備模型尺寸合理、外形較真實(shí)美觀。

（2）OPM與Bentley平臺(tái)下不同設(shè)計(jì)軟件的兼容性較好，以三維建模為基礎(chǔ)的二維切圖設(shè)計(jì)流程仍可繼續(xù)沿用，并能有效提高產(chǎn)品的設(shè)校審效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）OPM水機(jī)專業(yè)三維設(shè)計(jì)成果作為水電站三維設(shè)計(jì)的重要組成部分，亦可用于施工模擬，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)、進(jìn)度仿真以及項(xiàng)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，大大減輕了電站數(shù)字化移交工作量；以設(shè)備編碼為紐帶，可將工程設(shè)計(jì)圖紙、施工文檔甚至電站后期的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)與三維模型掛接，實(shí)現(xiàn)以三維模型為載體的電站全壽命周期數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查閱等功能。