三維協(xié)同設(shè)計在荒溝抽水蓄能電站項目中的應(yīng)用

三維協(xié)同設(shè)計是提高設(shè)計質(zhì)量和工作效率的有效手段，在水利水電工程設(shè)計中的廣泛應(yīng)用也將是必然趨勢。中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司（下稱中水東北公司）在荒溝抽水蓄能電站工程項目中的實踐經(jīng)驗，對三維協(xié)同設(shè)計工作的整體部署、有效開展和存在的主要問題進行了有益的探索和總結(jié)。

三維協(xié)同設(shè)計是新一代數(shù)字化、虛擬化和智能化設(shè)計平臺的基礎(chǔ)，它是建立在平面和二維設(shè)計的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計目標(biāo)更加立體化、形象化的一種新興設(shè)計方法，其在機械、電子、航空、航天以及建筑等部門已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并在實踐中證明是提高設(shè)計質(zhì)量和工作效率的有效手段，在水利水電工程設(shè)計領(lǐng)域中的推廣和廣泛應(yīng)用也將是必然趨勢。

中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司（下稱中水東北公司）多年來一直密切關(guān)注三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，從2009年開始進行三維設(shè)計軟件測試和工程設(shè)計應(yīng)用試點工作，最終搭建三維協(xié)同設(shè)計基礎(chǔ)平臺。在此平臺的基礎(chǔ)上，圍繞實際工程項目，逐步推進和開展三維協(xié)同設(shè)計工作，先后選擇旁多水利樞紐工程、豐滿大壩重建工程、荒溝抽水蓄能電站工程和蓄能電站典型設(shè)計等項目開展三維設(shè)計工作。試點項目涵蓋了中水東北公司的主要工程類型和設(shè)計階段，包括地質(zhì)、地形、場地、開挖、建筑物和設(shè)備等主要水電工程設(shè)施，經(jīng)歷了任務(wù)分解、文件組織、三維建模、模型組裝、碰撞檢查、圖形輸出等三維設(shè)計過程。通過試點工作統(tǒng)一了協(xié)同工作環(huán)境，統(tǒng)一了圖層、顏色，初步掌握三維協(xié)同設(shè)計方法，初步具備三維建模能力，初步形成項目管理模式，運用碰撞檢查手段很好解決了設(shè)備沖突問題，并通過試點工作培養(yǎng)了一批熟練掌握建模技術(shù)的各專業(yè)設(shè)計人員，為進一步推進三維設(shè)計奠定基礎(chǔ)。本文以荒溝抽水蓄能電站工程為實例，簡要介紹三維協(xié)同設(shè)計工作在該項目中的應(yīng)用。

項目概況

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省牡丹江市海林縣三道河子鎮(zhèn)，下池為蓮花水電站水庫，上池為牡丹江支流三道河子右岸的山間洼地。電站總裝機容量為1200MW，安裝四臺水泵水輪機-發(fā)電電動機機組，單機容量為300MW。年平均發(fā)電量14.13×108kw?h，年發(fā)電小時數(shù)為1178h,年抽水用電量為18.67×108kw?h，年抽水小時數(shù)為1556h，綜合效率為75.6%。工程承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻及緊急事故備用。

2012年荒溝抽蓄工程項目進入招標(biāo)設(shè)計階段，經(jīng)多方權(quán)衡，中水東北公司決定該項目從此階段開始應(yīng)用三維協(xié)同設(shè)計取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計。

荒溝抽蓄項目三維協(xié)同設(shè)計依托ProjectWise平臺，根據(jù)項目設(shè)計工作的需求，結(jié)合中水東北公司的專業(yè)設(shè)置，對該項目進行了如下分解：

其中，各專業(yè)的編號與中水東北公司文件歸檔及檔案管理辦法的要求相一致，二級與三級目錄的設(shè)置（以廠房專業(yè)為例），主要考慮了滿足設(shè)計流程、設(shè)計內(nèi)容、質(zhì)量管理及權(quán)限控制等多方面需求，從而保證三維協(xié)同設(shè)計工作能夠有效、有序和可控的開展。

根據(jù)對該工程項目的分解，荒溝項目經(jīng)理部編制招標(biāo)設(shè)計階段三維設(shè)計工作大綱，明確目標(biāo)、任務(wù)、實施計劃，負責(zé)項目進度控制，保證項目進度，各設(shè)計處、室專業(yè)設(shè)計人員經(jīng)前期軟件培訓(xùn)，開展本項目的三維設(shè)計工作。

項目主要設(shè)計流程及成果

各相關(guān)專業(yè)設(shè)計人員在ProjectWise平臺提供的統(tǒng)一的工作環(huán)境下，按照項目分解的內(nèi)容，應(yīng)用各自的專業(yè)軟件（MicroStation、Architecture、Building Mechanical System等）進行計算、建模和拼裝等三維設(shè)計工作，既相互獨立又彼此聯(lián)系，各專業(yè)完成模型建立工作后，三維模型總裝工作由三維設(shè)計室完成，各專業(yè)內(nèi)的碰撞檢查由該專業(yè)設(shè)計人員完成，總裝模型的碰撞檢查工作由項目經(jīng)理牽頭，組織協(xié)調(diào)各專業(yè)人員共同完成，項目主要設(shè)計流程如下：

其中，測繪專業(yè)提供經(jīng)專業(yè)模塊處理、滿足精度要求的原始地形數(shù)據(jù)；地質(zhì)專業(yè)利用上述數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型；壩工專業(yè)主要使用GEOPAK Site和 Architecture軟件進行場地開挖及壩體結(jié)構(gòu)建模等工作。工廠三維設(shè)計則涵蓋廠房、水力機械、電氣、暖通、給排水、建筑及金屬結(jié)構(gòu)等多專業(yè)，上述專業(yè)在協(xié)同設(shè)計平臺ProjectWise下，以廠房結(jié)構(gòu)模型作為設(shè)備布置定位坐標(biāo)，從相關(guān)專業(yè)軟件數(shù)據(jù)庫中調(diào)入元件和設(shè)備模型，以完成水力機械、暖通和給排水等專業(yè)的設(shè)備布置（對于數(shù)據(jù)庫中暫缺的的設(shè)備。本項目采用基本的三維建模工具由設(shè)計人員進行人工建模）；模型總裝并經(jīng)碰撞檢查無誤后，進行相關(guān)的三維及二維圖紙的輸出工作。項目主要設(shè)計成果包括：

1） 上水庫庫盆結(jié)構(gòu)建模、庫區(qū)回填體建模和主、副壩結(jié)構(gòu)模型等。

2） 輸水系統(tǒng)三維模型。

3） 上水庫環(huán)庫路、上下庫聯(lián)系路和施工支洞模型。

4） 廠房及開關(guān)站模型。

5） 水力機械設(shè)備、電氣設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)模型。

6） 采暖、通風(fēng)、空調(diào)及消防設(shè)備模型。

在荒溝抽水蓄能電站工程招標(biāo)設(shè)計評審會上，該項目三維協(xié)同設(shè)計成果受到與會專家的一致認可和好評，這進一步堅定了中水東北公司做好三維協(xié)同設(shè)計工作的決心。右圖是部分設(shè)計成果：

項目存在的主要問題及應(yīng)對的思考

與傳統(tǒng)的二維設(shè)計不同，三維協(xié)同設(shè)計目前還未形成一套成熟的設(shè)計流程、標(biāo)準(zhǔn)控制和質(zhì)量管理體系，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立工作亟待進行。ProjectWise是三維協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)平臺，承載著整個設(shè)計活動，因此，設(shè)計人員用好和管理人員管好，是三維設(shè)計工作能夠開展好的前提。

在本項目的應(yīng)用中，設(shè)計人員存在的主要問題是專業(yè)內(nèi)和專業(yè)間的模型重復(fù)參考現(xiàn)象比較嚴重，對嵌套深度的把握存在不足，從而極大的降低了后期的模型總裝、碰撞檢查以及出圖工作的效率，影響工作進度。三維設(shè)計工作的特點決定了專業(yè)間的模型參考是不可避免的，為了解決重復(fù)參考的問題，除了要加大對設(shè)計人員的培訓(xùn)力度和責(zé)任心的宣傳，還必須將此項工作列入校核工作的重點。對管理人員來說，項目怎樣分解更加合理，權(quán)限如何控制更加有效也是亟待解決的問題。

此外，在本項目壩工專業(yè)設(shè)計上，特別是在庫盆結(jié)構(gòu)重新建模過程中，受軟件計算能力和硬件設(shè)備水平的限制，工作量大，工作進度緩慢，不能滿足實際工作需要。解決該問題除了要對軟硬件進行升級外，更重要的是要進一步研究在進行這種大范圍的地理模型構(gòu)造時的精度要求，從而提高工作效率。

專業(yè)軟件集成的模型庫不完整、配筋圖的繪制功能薄弱，尚不能滿足工作需要，迫使設(shè)計人員手工繪制部分構(gòu)件，降低工作效率。為解決該問題，模型庫的建立和相關(guān)功能的二次開發(fā)工作不可避免。

通過切圖的方法將三維模型轉(zhuǎn)換為二維圖紙是三維協(xié)同設(shè)計工作中的重要環(huán)節(jié)，也是三維設(shè)計全面取代二維設(shè)計，應(yīng)用于實際生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。該項技術(shù)在本項目的實施工程中，主要存在切圖時間過于冗長和生成的二維圖紙后期修改量過大這兩個問題。

導(dǎo)致上述兩個問題發(fā)生的主要原因是多方面造成的，包括設(shè)計人員的基礎(chǔ)模型建立方法，Part屬性設(shè)置、切圖過程中切面放置的技巧以及軟件自身的部分原因等。解決該問題需要設(shè)計人員通過工作實踐，探索出最適宜的建模方法和Part屬性設(shè)置并提高切圖技巧、積累切圖經(jīng)驗，同時軟件也亟待對相關(guān)功能進行進一步的優(yōu)化和升級。另外，三維設(shè)計的出圖、組圖方式，是否一定要與二維設(shè)計的表現(xiàn)形式完全相一致，這涉及到觀念的轉(zhuǎn)變和質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)的建立。

結(jié)語

中水東北公司經(jīng)過近幾年的不斷探索，對三維協(xié)同設(shè)計的基本工作流程和基本設(shè)計方法有了初步的掌握，通過若干工程項目的實踐，也積累了一些經(jīng)驗，培養(yǎng)了一批能夠適應(yīng)三維協(xié)同設(shè)計工作環(huán)境的設(shè)計人員，但三維設(shè)計工作目前仍處在探索階段，需要完善和提高的地方還有很多，更有一些重要問題需要解決，我們的主要精力放在了三維建模技術(shù)的學(xué)習(xí)和掌握，對三維設(shè)計技術(shù)的研究不足，三維設(shè)計校審工作沒有及時跟進，仍然停留在二維圖紙校審階段，不能滿足三維設(shè)計校審需要。這些問題制約了三維設(shè)計的發(fā)展，我們要統(tǒng)一認識，明確目標(biāo)，克服困難，著力解決當(dāng)前遇到的問題，加快三維設(shè)計推進速度，在技術(shù)上、體系上形成一套適用于中水東北公司情況的、基本成熟的、實用的解決方案及與之相關(guān)的管理體系，達到實用化要求。