水利水電工程的三維協(xié)同設(shè)計(jì)

周強(qiáng)

（海南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，海南?？?70203）

水利水電工程的三維協(xié)同設(shè)計(jì)

周強(qiáng)

（海南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，海南?？?70203）

隨著計(jì)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(jì)方式——三維協(xié)同設(shè)計(jì)，動(dòng)搖著傳統(tǒng)工程二維設(shè)計(jì)理念.三維設(shè)計(jì)技術(shù)給工程領(lǐng)域帶來的革命，讓人們看到了真正的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的概念、原理和方法，闡述了三維協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的先進(jìn)性、行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).

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

在水利水電等工程建造領(lǐng)域，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們?cè)O(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助繪圖方式，總是先將立體設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)手段的最大弊端就是可想而不可見.對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)圖紙，既耗費(fèi)設(shè)計(jì)師大量的時(shí)間和精力，又無法直觀并完全表達(dá)其原始設(shè)計(jì)意圖.

在信息化技術(shù)快速進(jìn)步和巨大市場(chǎng)需求的背景下，一種對(duì)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(jì)（也稱“三維產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)”）技術(shù)，以其可視化的巨大優(yōu)勢(shì)在國內(nèi)外水電工程設(shè)計(jì)行業(yè)風(fēng)生水起［1］.在三維設(shè)計(jì)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(gè)地方的設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)變更，只需在同一個(gè)地方完成即可，不僅可節(jié)省大量的設(shè)計(jì)時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期，又能最大限度地減少差錯(cuò)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量.三維設(shè)計(jì)已成為水利水電工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢(shì).

1　水利水電三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)

三維設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單地說，就是讓設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)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(jì)思維的連貫性，避免了經(jīng)過二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換的繁瑣過程.

三維設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的可視化與智能化，它包括設(shè)計(jì)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(jì)建模的可視化、計(jì)算分析過程的可視化與成果展示的可視化.

三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)的.目前在水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有三維協(xié)同仿真設(shè)計(jì)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(jì)系統(tǒng)的基本工作原理及關(guān)鍵技術(shù)可概括為四個(gè)方面：1）骨架設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)，2）參數(shù)化設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)，3）模板設(shè)計(jì)與知識(shí)工程，4）協(xié)同設(shè)計(jì)模式［2-3］.

1.1骨架設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)

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(chǔ)［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(jí)樹形結(jié)構(gòu)，分為總骨架和子骨架，子骨架又可衍生下級(jí)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(jì)是三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作，采取自頂向下的設(shè)計(jì)方法.骨架設(shè)計(jì)的思路是，在工程總體設(shè)計(jì)初期（可研設(shè)計(jì)階段），從產(chǎn)品裝配的最高層面考慮工程的設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)變更（如地質(zhì)、建基面、樁號(hào)變更）時(shí)，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(dòng)整個(gè)模型的更改.

1.2參數(shù)化設(shè)計(jì)與參數(shù)驅(qū)動(dòng)

三維設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要技術(shù)手段就是參數(shù)化設(shè)計(jì)與參數(shù)驅(qū)動(dòng).參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動(dòng)為特征，允許設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的初期只畫一個(gè)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(shí)，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(dòng)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(jì)的柔性和工作效率［7］.

1.3模板化設(shè)計(jì)

模板化設(shè)計(jì)是三維設(shè)計(jì)中知識(shí)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(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間［8］.模板化設(shè)計(jì)就是把一些定型的、在多個(gè)工程項(xiàng)目之間反復(fù)使用的一些構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程做成模板，供任意工程設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)與模板化設(shè)計(jì)兩者相比較可以看出，如果說參數(shù)化設(shè)計(jì)是著眼于同一工程項(xiàng)目的一族產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)和修改的話，那么模板化設(shè)計(jì)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(jì).模板化設(shè)計(jì)是參數(shù)化設(shè)計(jì)思想的延伸和另類應(yīng)用，法國達(dá)索公司的CATIA的知識(shí)模板功能提供了一個(gè)很好的實(shí)現(xiàn)模板化設(shè)計(jì)的軟件工具.

1.4協(xié)同設(shè)計(jì)

水利水電設(shè)計(jì)工作是一個(gè)涉及不同設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)信息及設(shè)計(jì)成果的高度集成和共享.傳統(tǒng)的離線設(shè)計(jì)方式需要大量面對(duì)面地溝通交流，設(shè)計(jì)流程復(fù)雜，效率和質(zhì)量得不到保證，而三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的在線協(xié)同功能是使所有設(shè)計(jì)者都在同一環(huán)境下在線工作，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同步且唯一，設(shè)計(jì)流程清晰簡(jiǎn)單，不同專業(yè)或不同部位的設(shè)計(jì)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(shí)溝通［9］.如文獻(xiàn)［10］設(shè)計(jì)水電站廠房的三維設(shè)計(jì)（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(jì)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(jì)技術(shù)，突破了許多二維設(shè)計(jì)中的技術(shù)瓶頸，具有二維設(shè)計(jì)無法比擬的優(yōu)越性，較為突出的主要有以下幾個(gè)方面.

2.1提高了水電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量

在三維設(shè)計(jì)條件下，設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)了三維空間布置和設(shè)計(jì)，大大提升了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新手段.設(shè)計(jì)師們不再是圖紙的奴隸，他們的時(shí)間和精力被充分釋放，設(shè)計(jì)靈感受到極大激發(fā)，能夠站在工程設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)上的錯(cuò)、漏、碰、缺現(xiàn)象，使得三維設(shè)計(jì)能更真實(shí)、更準(zhǔn)確地描述設(shè)計(jì)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(jì)質(zhì)量得到了大幅提高.

2.2提高了水電工程設(shè)計(jì)效率

設(shè)計(jì)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(jì)中，如果強(qiáng)調(diào)提高設(shè)計(jì)效率，往往意味著要以增加資源消耗和降低設(shè)計(jì)質(zhì)量為代價(jià).由于三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)成果集中管理，能夠使設(shè)計(jì)工作在同一平臺(tái)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(shí)發(fā)現(xiàn)和更正潛在的問題，并通過協(xié)同機(jī)制及時(shí)反饋給上、下游或同專業(yè)其他設(shè)計(jì)人員，避免了設(shè)計(jì)盲區(qū)，降低了出錯(cuò)概率，同時(shí)又減少了決策的時(shí)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(jì)針對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)、后驗(yàn)校核和事故分析，是通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計(jì)算來完成的.而水利工程三維設(shè)計(jì)模型成果往往可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算提供理想的模型基礎(chǔ).法國的CA?TIA三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)分析與仿真解決方案為設(shè)計(jì)者提供了高度自動(dòng)化、透明的解決方案.CATIA能夠自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和初步的有限元分析，同時(shí)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(shí)間，提高了分析效率.設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)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(jì)算分析［11］.對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(jì)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(jì)另一個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)，就是能形成虛擬的三維工程模型，使設(shè)計(jì)人員能將其設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)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(bào)時(shí)的視覺感受，提高了設(shè)計(jì)單位的方案中標(biāo)率.

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

3.1行業(yè)三維設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)使設(shè)計(jì)圖紙的一次校審?fù)ㄟ^率可普遍提高至90%，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的差錯(cuò)率減少約80%.比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)效率提高42%以上［16］，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期縮短了30%［17］，大大提升了設(shè)計(jì)單位的生產(chǎn)力、生產(chǎn)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.目前國家已從行業(yè)層面進(jìn)入到三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定、三維模型庫建設(shè)及三維平臺(tái)建設(shè)的整合開發(fā)階段.截止2015年上半年，在國內(nèi)各級(jí)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院中，開展三維設(shè)計(jì)的已超過23家.隨著時(shí)間的推移，三維協(xié)同設(shè)計(jì)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(jì)將進(jìn)入三維協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)代.

3.2行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

隨著三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用的逐步深入，三維模型數(shù)據(jù)也將會(huì)不斷得到充實(shí)、豐富，這為設(shè)計(jì)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(jì)與施工一體化

水利工程數(shù)字化設(shè)計(jì)與施工是計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)與虛擬制造在工程領(lǐng)域的典型應(yīng)用.設(shè)計(jì)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(shì)，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(shì)，使實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)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(chǎng)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(tái)，可使施工組織設(shè)計(jì)全部數(shù)字化和可視化，使施工現(xiàn)場(chǎng)的一切面貌均可在計(jì)算機(jī)屏幕上一一再現(xiàn)，并以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工面貌為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)一個(gè)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(jì)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(duì)項(xiàng)目從可研到運(yùn)行，到最終報(bào)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(jì)單位通過三維協(xié)同設(shè)計(jì)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(jì)單位以三維設(shè)計(jì)數(shù)字模型為基礎(chǔ)，逐步構(gòu)建滿足設(shè)計(jì)、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(jì)與全生命周期管理一體化，必將極大地帶動(dòng)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(jí)，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(jì)系統(tǒng)有諸多明顯優(yōu)勢(shì)，目前已迅速發(fā)展成水利水電工程設(shè)計(jì)的熱門技術(shù)，成為水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、創(chuàng)新管理模式、提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)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(jì)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(jì)技術(shù)的前期調(diào)研和應(yīng)用研究工作，吸引更多的有識(shí)之人關(guān)心和參與三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)這一最新技術(shù)，爭(zhēng)取早日在海南水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)零的突破.

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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