三維協(xié)同設計研究綜述

董麗娜，孫 雷

(1. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080;2. 哈爾濱市水文局，哈爾濱150010)

2011年初，中央發(fā)布了一號文件《中共中央、國務院關于加快水利改革發(fā)展的決定》，2011年7月8日—9日中央水利工作會議在北京召開。一號文件和中央水利工作會議特別強調:加快水利改革發(fā)展;著力提高水利科技創(chuàng)新能力，加快水利科技成果推廣轉化。三維協(xié)同設計的推廣正代表了這種科技的更新與變革，而這種設計理念和先進的設計水平，已經成為水利行業(yè)發(fā)展的新趨勢和新方向。

1 水利規(guī)劃設計

水利規(guī)劃設計的內容大體可概括為:問題識別、方案擬定、影響評價和方案論證等4個階段，由粗到細，逐步深入。為使水利建設能按既定要求、時間有步驟地實現(xiàn)，在設計過程中我們開始植入三維協(xié)同設計的理念;在專有的軟件平臺上進行建模和設計工作。

2 三維協(xié)同設計

2.1 設計理念

三維協(xié)同設計是以三維數(shù)字技術為基礎，以三維CAD設計軟件為載體，不同專業(yè)人員組成的設計團隊，為了實現(xiàn)或完成一個共同的設計目標或項目在一起開展工作，是一個知識共享和集成的過程。“協(xié)同設計”是當前設計行業(yè)經常提到的一個概念，設計過程中項目的目的是唯一的，但由于多專業(yè)、多設計人員參與其中，各設計人員對項目目的的理解不同，設計思路的差異，這樣必然導致項目在設計過程中產生沖突、配合等問題，從而降低設計質量和設計效率。協(xié)同在設計中的主要作用正是使各專業(yè)相互交流、相互溝通、相互協(xié)調，以最大程度將設計中因為協(xié)調不暢而產生的問題最小化和最少化。

2.2 三維協(xié)同設計平臺

協(xié)同設計，首先必須要統(tǒng)一設計平臺，讓各專業(yè)在同一平臺、同一模型、同一數(shù)據(jù)、同一思路下進行設計。國際上三維協(xié)同技術領先的3 家企業(yè)分別是歐特克、Bentley、達索，設計平臺及特點如下:

2.2.1 AutoCAD Civil 3D

AutoCAD Civil 3D 軟件是Autodesk 面向土木工程行業(yè)的建筑信息模型( BIM) 解決方案。該軟件能夠創(chuàng)建協(xié)調一致、包含大量數(shù)據(jù)的模型，幫助從事水利規(guī)劃項目的專業(yè)人員在設計階段及早進行分析，實現(xiàn)設計方案外觀、性能和成本的可視化及仿真，并且更精確地制作設計文檔。AutoCAD Civil 3D 生成的單一模型中包含豐富的智能、動態(tài)數(shù)據(jù)，便于設計者在項目的任何階段快速進行設計變更;根據(jù)分析和性能結果做出更明智的決策，選擇最佳設計方案;快速、高效地創(chuàng)建與設計變更保持同步的可視化效果。該模型可以自動反映對整個項目繪圖和標注所做的任何變更。

2.2.2 MicroStation V8 軟件平臺

MicroStation V8i 是Bentley 公司的產品，這個平臺可以幫助工程師們完成基礎設施項目的設計、建模、可視化、文檔制作和測繪。MicroStation 是他們首選的一款CAD 軟件基礎，因為它提供給桌面一套經驗證有效的集成化功能，該功能有三大特性—直觀性、交互性和高效的數(shù)據(jù)互用性。它的優(yōu)點:通過簡化工作流程提高效率; 通過自動執(zhí)行重復過程節(jié)省時間;通過簡化程序提高生產力; 通過軟件整合實現(xiàn)功能多樣化;精確設計和提高可靠性; 提高項目質量和促進重復使用。

2.2.3 Catia V5

達索公司的產品。它是基于DSI 插值算法和約束控制的水電水利工程三維地質動態(tài)分析技術，解決了水電水利工程三維建模過程與地質空間解析過程的融合問題，實現(xiàn)了地質數(shù)據(jù)的三維采集、三維可視化校驗、三維交互解析建模、三維地質成果的二維出圖，提高了設計質量和效率; 提出了基于水電水利工程參數(shù)化驅動的三維建模技術，將設計參數(shù)、設計過程、設計規(guī)則和行業(yè)知識封裝于三維模型中，解決了參數(shù)、規(guī)則對模型的驅動與更新機制問題，推動了水電水利工程標準化、模塊化設計的發(fā)展; 研究解決了水電水利工程關聯(lián)設計問題，建立了設計模型與分析模型、三維模型與工程圖、工程屬性與圖紙標注的關聯(lián)關系，實現(xiàn)了水電水利工程模型的智能更新與自動出圖;提出了自上而下的水電水利工程多層骨架驅動與特征級協(xié)同技術，建立了由水工建筑物與機電設備控制點、線、面構成的骨架驅控體系，解決了多專業(yè)設計成果的發(fā)布與引用機制問題，實現(xiàn)了在三維虛擬工程環(huán)境下多專業(yè)模型的自動裝配和在線協(xié)同設計。

3 三維協(xié)同設計在國內水利行業(yè)的發(fā)展動態(tài)

3.1 黑龍江省水利水電勘測設計研究院三維協(xié)同設計工作的推進與應用

三維協(xié)同設計代表了最新的設計理念和先進的設計水平，已經成為工程設計行業(yè)發(fā)展的趨勢和方向。黑龍江水院將“三維協(xié)同設計”的應用與發(fā)展納入院“十二五發(fā)展目標”，于2011年6月上旬啟動了“三維協(xié)同設計”準備工作，由院領導負責，集結院具創(chuàng)新能力、研發(fā)能力的專業(yè)技術人員成立了“三維協(xié)同設計工作組”，就三維協(xié)同設計平臺的功能、性能、技術指標、開發(fā)環(huán)境、應用情況等問題進行了充分調研。2011年9月初院發(fā)布了《黑龍江省水利水電勘測設計研究院“三維協(xié)同設計整體解決方案”征集書》，得到了在業(yè)界具有廣泛影響和代表性的Autodesk 公司、Bentley 公司、Catia軟件代理商成都希盟泰克公司3 家軟件商積極響應。在評審會上，3 家公司進行了多媒體演示和講解，展示了各自的優(yōu)勢和特點。經過與會專家的認真評審打分，決定優(yōu)先試用Bentley 公司軟件為平臺開展三維協(xié)同設計試點工作，標志著設計院正步入科學發(fā)展的快車道。

3.2 長沙中南院

2011年5月底，中南院完成了托巴水電站的三維設計，這標志著中南院三維設計導入階段的結束。而后的一個半月時間里，數(shù)字工程中心完成了MicroStation 二次開發(fā)培訓，2011年7月15日，中南院三維可視化協(xié)同設計系統(tǒng)發(fā)布，進行為期一個月的試運行。三維設計平臺發(fā)布及試運行標志著中南院三維可視化協(xié)同設計系統(tǒng)建設正式進入了實用化階段。

3.3 上?？睖y設計研究院的三維協(xié)同設計工作

上海院經過3 a多的調研和前期準備，2010年10月27日上午，上海勘測設計研究院三維協(xié)同設計工作啟動大會順利召開。

3.4 吉林省水利水電勘測設計研究院正式啟用達索三維協(xié)同設計解決方案

2010年4月12日，吉林省水利水電勘測設計研究院正式簽署購買達索系統(tǒng)公司CATIA/VPM 三維協(xié)同設計解決方案及技術實施服務合同，標準著吉林院的三維CAD 協(xié)同設計項目正式啟動。

4 水利工程案例

1) 四川大渡河長河壩水電站右岸高邊坡開挖及支護工程。采用三維協(xié)同軟件進行設計使設計成本得到節(jié)約，工作效率得到提升。

2) 紅格爾水庫。紅格爾水庫所承擔的主要任務是為火電廠供水;并兼顧水庫下游生態(tài)保護和草牧場灌溉用水，水庫建筑物由擋水壩、溢洪道、沖沙洞及后期的取水建筑物組成，利用AutoCAD Civil 3DCIVIL3D 生成的三維地形模型，真實再現(xiàn)現(xiàn)場的實際地形，使設計的精度更高、土方工程量的計算也更加精確、CIVIL3D 的強大的動態(tài)更新功能方案大大的降低了工程師反復修改設計方案的工作量。

3) 甘肅省洮河九甸峽水利樞紐及引洮供水工程。

4) 惠州抽水蓄能電站。利用三維協(xié)同軟件有效的節(jié)約該項目設計成本和能夠準確的計算土方挖填量。

5 總 結

三維設計是工程設計的必然趨勢，把三維設計應用到水利工程上，可以實現(xiàn)真正意義上的工程方案優(yōu)化及多方案的比較，對于提高工程的品質、降低工程造價、縮短設計周期、提高設計質量均可以起到重要作用。集成化、智能化、可視化、網(wǎng)絡化、并行化是三維設計的發(fā)展方向。應努力實現(xiàn)遠程協(xié)助設計、自動協(xié)同設計、集成協(xié)同設計，充分體現(xiàn)設計的團體性、交互性、協(xié)作性，建立跨學科的、以人際合作關系為基礎、協(xié)同工作、合作設計的新格局。

［1］王浩民. 推動設計手段革命 提高核心競爭能力 開創(chuàng)具有龍江水院特色的三維協(xié)同設計之路［J］. 黑龍江水利科技，2012，40(1) :7－10.

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

［3］袁錦虎，鄧虹，黃毅勇，等. 三維可視化水工設計的系統(tǒng)框架和集成研究［J］. 水利與建筑工程學報，2009，7(1) :85－86.

［4］鐘登華，劉東海. 工程可視化輔助設計理論方法與應用［M］.北京:水利水電出版社，2004.

［5］陳陽宇. 數(shù)字水利［M］. 北京:清華大學出版社，2011.

［6］楊開林. 應當重視調水工程運行的計算機仿真研究［J］. 水利規(guī)劃設計，2002(3) :58－60.

［7］楊開林. 關于“數(shù)字南水北調工程”的設想［J］. 中國水利，2003(3A) :24－25.

［8］虞松賓. 淺談利用三維設計軟件計算某灌區(qū)渠道工程量［J］.廣西水利水電，2009(6) :64－67.