三維協(xié)同設(shè)計(jì)在浯溪口水利樞紐中的應(yīng)用

翁發(fā)根，梁必必

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西南昌330029）

三維協(xié)同設(shè)計(jì)在浯溪口水利樞紐中的應(yīng)用

翁發(fā)根，梁必必

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西南昌330029）

隨著信息化的逐步深入，水利水電工程設(shè)計(jì)越來越需要不同專業(yè)的分工與合作，需要跨專業(yè)、跨區(qū)域的基于網(wǎng)絡(luò)化和信息共享的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，目前三維設(shè)計(jì)已成為工程設(shè)計(jì)的發(fā)展方向與趨勢?；贐entley軟件平臺(tái)，以浯溪口水利樞紐為實(shí)例，提出對(duì)水利水電工程三維設(shè)計(jì)的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)和體會(huì)。

三維協(xié)同設(shè)計(jì)；浯溪口水利樞紐；水利水電工程

1 概述

三維技術(shù)在國外起步較早，主要應(yīng)用于制造行業(yè)，如歐洲空中客車公司采用Catia平臺(tái)設(shè)計(jì)空客飛機(jī)。三維技術(shù)大規(guī)模引進(jìn)國內(nèi)開始于20世紀(jì)80年代，主要用于制造業(yè)、建筑業(yè)等[1]。在我國，三維設(shè)計(jì)在其他行業(yè)如電力、石油化工等行業(yè)應(yīng)用較為成熟，電力、石化行業(yè)的三維設(shè)計(jì)主要運(yùn)用于工廠化設(shè)計(jì)，解決空間管道的布置以及多個(gè)專業(yè)空間布置設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)問題，已有成熟的工廠化設(shè)計(jì)軟件在國內(nèi)應(yīng)用。在水利水電工程設(shè)計(jì)中因?yàn)闋可娴降匦?、地質(zhì)情況的多樣性，很難形成類似建筑行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，尤其是場地開挖設(shè)計(jì)中，這樣就顯著增加了三維設(shè)計(jì)的難度。

目前，國內(nèi)水利水電設(shè)計(jì)行業(yè)的三維設(shè)計(jì)大都處于試點(diǎn)摸索階段，全面推廣仍有一定的難度，國內(nèi)各單位針對(duì)不同解決方案平臺(tái)進(jìn)行了各種嘗試?；贐entley軟件平臺(tái)的三維設(shè)計(jì)有龍開口水電站設(shè)計(jì)等，基于Catia軟件平臺(tái)的三維設(shè)計(jì)[2]有溪洛渡水電站設(shè)計(jì)等，基于Autodesk軟件平臺(tái)的三維設(shè)計(jì)有觀音巖水電站設(shè)計(jì)等。

三維設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選與比較、縮短設(shè)計(jì)工作周期、提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量等方面比二維設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢，成為設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，也是水利水電行業(yè)技術(shù)儲(chǔ)備和發(fā)展的要求[3-6]。

2 水利水電工程中三維協(xié)同設(shè)計(jì)相關(guān)基礎(chǔ)

協(xié)同設(shè)計(jì)主要是指設(shè)計(jì)單位內(nèi)部不同設(shè)計(jì)專業(yè)（部門）或者同一工程的不同設(shè)計(jì)單位之間進(jìn)行協(xié)作與配合。大型水利水電工程設(shè)計(jì)參與專業(yè)較多，有測繪、地質(zhì)、壩工、廠房、金屬結(jié)構(gòu)、施工導(dǎo)流、水力機(jī)械和電氣等專業(yè)，這就需要不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員必須在一個(gè)相互支持、信息相互共享的公共平臺(tái)進(jìn)行。

此外，協(xié)同設(shè)計(jì)不僅應(yīng)具有獨(dú)立的設(shè)計(jì)作用，還應(yīng)有相應(yīng)的管理作用，要實(shí)現(xiàn)水利水電工程中不同設(shè)計(jì)專業(yè)（人員）高效的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，需解決三維協(xié)同設(shè)計(jì)功能和模型信息實(shí)時(shí)共享管理上的相關(guān)問題[3]。

統(tǒng)一的工作平臺(tái)創(chuàng)建，不同專業(yè)都在一個(gè)共同的軟件平臺(tái)工作，不僅能使各專業(yè)設(shè)計(jì)成果即時(shí)分享，同時(shí)不同專業(yè)之間工作接口實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，這樣既能解決各專業(yè)成果無法相互讀取問題，又能使各專業(yè)修改內(nèi)容及時(shí)得到更新。在整個(gè)工程設(shè)計(jì)周期內(nèi)，都能實(shí)現(xiàn)模型信息實(shí)時(shí)共享，不同的設(shè)計(jì)人員之間可以相互參考查閱，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的毛病，這樣對(duì)提高設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)工作時(shí)間有很大幫助。

水利水電工程設(shè)計(jì)工作任務(wù)量大，涉及專業(yè)多，為方便各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)人員之間準(zhǔn)確無誤的理解并相互參考模型及設(shè)計(jì)圖紙，需要定義一套標(biāo)準(zhǔn)的工作環(huán)境，進(jìn)而確保設(shè)計(jì)過程中不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員參考和引用的快捷性和準(zhǔn)確性。此外，對(duì)不同人員應(yīng)設(shè)置不同的權(quán)限，確保文件不被隨意修改，保證各設(shè)計(jì)文件的完整性與安全性。水利水電工程涉及專業(yè)眾多，不同的專業(yè)設(shè)計(jì)針對(duì)個(gè)體不同，而不同專業(yè)必須要在統(tǒng)一的工作平臺(tái)下協(xié)同設(shè)計(jì)。針對(duì)不同的專業(yè)特點(diǎn)，要有針對(duì)性的專門設(shè)計(jì)軟件，不同設(shè)計(jì)軟件的成果又必須能相互讀取、參考，這就需要一個(gè)門類齊全的專業(yè)工作平臺(tái)。

水利水電工程（尤其是大型樞紐工程）一般施工周期較長，在施工期間設(shè)計(jì)完成后的三維模型能直觀明了地指導(dǎo)施工，并依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況作出修改。同時(shí)，三維數(shù)據(jù)的移交為運(yùn)營管理部門帶來直觀的工程印象，為業(yè)主及施工單位創(chuàng)造不可估量的價(jià)值；全站的三維模型更方便后期的工程運(yùn)行與維護(hù)，更方便運(yùn)行單位管理，大大提高了業(yè)主滿意度。

3 Microstation平臺(tái)在浯溪口水利樞紐三維協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Microstation是美國Bentley公司旗下的基礎(chǔ)平臺(tái)軟件，所有Bentley專業(yè)軟件都是基于該平臺(tái)的，保證了不同專業(yè)設(shè)計(jì)之間的無縫鏈接。它能將壩工、廠房、施工、地質(zhì)、電氣及金屬機(jī)構(gòu)等專業(yè)整合起來統(tǒng)一進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，利用Bentley Project Wise平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目管理工作，有利于幫助團(tuán)隊(duì)提高質(zhì)量、減少返工并確保項(xiàng)目按時(shí)完成。根據(jù)江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院實(shí)際開展項(xiàng)目，并利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)圖紙，以浯溪口水利樞紐作為試點(diǎn)工程開展三維協(xié)同設(shè)計(jì)。

3.1 試點(diǎn)項(xiàng)目前期準(zhǔn)備工作

依托Bentley軟件強(qiáng)大的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，參考國內(nèi)成功的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)選擇不同的設(shè)計(jì)軟件，此次浯溪口水利樞紐三維協(xié)同設(shè)計(jì)軟件配置情況見表1。

表1 三維設(shè)計(jì)采用軟件匯總

為便于建立良好的協(xié)同工作環(huán)境，在三維設(shè)計(jì)開始前利用ProjectWise軟件進(jìn)行項(xiàng)目管理，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化，其具體內(nèi)容如下[1，3]：①設(shè)置一套統(tǒng)一的工作空間(協(xié)同工作環(huán)境)和種子文件(設(shè)計(jì)模版)；②建立層次化、不同專業(yè)、不同三維模型的詳細(xì)工作目錄；③建立項(xiàng)目統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)（軸網(wǎng)）；④針對(duì)不同參與人員設(shè)置不同的訪問權(quán)限。

3.2 浯溪口水利樞紐三維設(shè)計(jì)實(shí)施過程

利用服務(wù)器托管的工作環(huán)境，在ProjectWise管理平臺(tái)上進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)。測量專業(yè)利用Geopak軟件建立數(shù)字流域地面模型；水工專業(yè)利用MicroStation、AECOSIM及Geopak Site軟件建立整個(gè)樞紐的三維模型（包括各種類型水工建筑物及其開挖設(shè)計(jì)）；電氣專業(yè)利用Substation軟件建立各種電氣設(shè)備及其連接裝配的模型；水機(jī)專業(yè)利用PSPD及MicroStation建立主、輔機(jī)模型；金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)利用MicroStation軟件建立各種金屬結(jié)構(gòu)模型；各專業(yè)模型完成后，由水工專業(yè)在ProjectWise軟件平臺(tái)進(jìn)行拼裝，通過在Navigator碰撞檢查并修改模型形成最終總體模型。后期通過Microstation實(shí)現(xiàn)渲染和動(dòng)畫的制作，最后通過視頻編輯軟件形成三維可視化匯報(bào)系統(tǒng)。

3.3 浯溪口水利樞紐三維設(shè)計(jì)相關(guān)成果

項(xiàng)目三維設(shè)計(jì)成果包括三維數(shù)字地模、相關(guān)部位剖切抽圖、工程演示動(dòng)畫、浯溪口水利樞紐三維可視化匯報(bào)系統(tǒng)等。通過浯溪口水利樞紐項(xiàng)目形成了三維協(xié)同設(shè)計(jì)的基本原則和工作開展方法，包括ProjectWise協(xié)同環(huán)境中建立工作目錄、設(shè)置工作環(huán)境、分配使用權(quán)限、設(shè)定軸網(wǎng)和使用規(guī)則、設(shè)定文件參考引用規(guī)則、確定模型總裝方法、二維剖切抽圖規(guī)則等操作性文件。項(xiàng)目形成的這些規(guī)則是三維協(xié)同設(shè)計(jì)的靈魂，為其他工程進(jìn)行類似三維設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，引導(dǎo)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)高效率地開展工程項(xiàng)目的三維協(xié)同設(shè)計(jì)。此次項(xiàng)目主要成果，如圖1—5所示。

圖1 基于數(shù)字地面模型生成的開挖曲面

圖2 左岸非溢流壩段實(shí)體模型

圖3 機(jī)組中心線剖面圖

圖4 浯溪口水利樞紐各結(jié)構(gòu)模型總裝

圖5 浯溪口水利樞紐全站總裝

3.4 浯溪口水利樞紐三維協(xié)同設(shè)計(jì)項(xiàng)目總結(jié)

回顧整個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目工作歷程，其成功實(shí)施經(jīng)驗(yàn)有以下幾點(diǎn)：

（1）單位領(lǐng)導(dǎo)層對(duì)三維設(shè)計(jì)工作給予足夠的重視，選拔有一定基礎(chǔ)的專業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)并實(shí)戰(zhàn)，并在政策上大力支持。

（2）從浯溪口水利樞紐項(xiàng)目來看，采用Bentley平臺(tái)基本上可以滿足常規(guī)三維設(shè)計(jì)需要。因此，不應(yīng)過于強(qiáng)調(diào)二次開發(fā)工作，也無需投入過多精力專注于此，后期軟件推廣后尤其是在二維抽圖切圖后，可根據(jù)江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院制圖、設(shè)計(jì)習(xí)慣由各專業(yè)設(shè)計(jì)人員定制專門的小插件。

（3）三維設(shè)計(jì)和常規(guī)二維平面設(shè)計(jì)在未來相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)共存。在大中型水利樞紐工程中，涉及專業(yè)多尤其是在前期方案設(shè)計(jì)中優(yōu)化比選及工程量統(tǒng)計(jì)方面，三維設(shè)計(jì)更有優(yōu)勢。而對(duì)于小型常規(guī)泵閘、灌區(qū)及堤防、河道整治等線狀工程來說，設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，采用三維設(shè)計(jì)耗費(fèi)的人力與時(shí)間也未必是允許的。要合理區(qū)分，發(fā)揮二維、三維設(shè)計(jì)的各自優(yōu)點(diǎn)。

（4）三維設(shè)計(jì)的推廣是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。在沒有相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)文件和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下，大范圍展開風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)不利，現(xiàn)階段也是不現(xiàn)實(shí)的。這就需要依托典型項(xiàng)目，培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人員，積累一定的實(shí)施和管理經(jīng)驗(yàn)，分類型、分批次地逐漸展開。

3.5 浯溪口水利樞紐三維設(shè)計(jì)展望

浯溪口水利樞紐三維設(shè)計(jì)的成功案例，為今后的三維設(shè)計(jì)工作的開展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，仔細(xì)分析并總結(jié)此次設(shè)計(jì)工作的得與失，可在以下幾個(gè)方向上進(jìn)行深入探索和研究。

（1）本項(xiàng)目受實(shí)際條件限制，缺少工程設(shè)計(jì)的三維地質(zhì)模型，這就為基礎(chǔ)開挖、邊坡設(shè)計(jì)、工程量統(tǒng)計(jì)帶來不便，后期進(jìn)行類似工程時(shí)應(yīng)建立基于三維地質(zhì)分層的數(shù)字地模。

（2）本項(xiàng)目開展是利用已有二維設(shè)計(jì)圖紙生成三維數(shù)字模型，從實(shí)施效果看，二者保持很高的相似度。但在后期類似工程開展時(shí)，設(shè)計(jì)人員在沒有現(xiàn)成圖紙時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)知識(shí)學(xué)習(xí)，提高空間想象力及設(shè)計(jì)水平，保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）三維模型完成后，可導(dǎo)入相關(guān)三維有限元計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值仿真分析，真正實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算的緊密耦合。

（4）使用數(shù)字化模型進(jìn)行施工模擬。施工過程模擬采用全站模型階梯剖切，展示不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的工程面貌，并查閱此時(shí)的工程相關(guān)信息屬性（工程量等）。后期模型信息屬性用于工程運(yùn)行維護(hù)管理，有利于工程的高效管理。

4 結(jié)語

三維協(xié)同設(shè)計(jì)打破了常規(guī)二維設(shè)計(jì)在空間上的局限，它以高效的協(xié)同工作模式、形象直觀的設(shè)計(jì)手段、實(shí)時(shí)共享的信息管理模式?jīng)_擊著工程設(shè)計(jì)行業(yè)，為設(shè)計(jì)方、業(yè)主、施工方提供了更好的溝通交流平臺(tái)，為工程的數(shù)字化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。三維設(shè)計(jì)的推廣，設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)做好規(guī)劃，理清思路，處理好三維與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡和互補(bǔ)共存，并逐步設(shè)定和完善相關(guān)的設(shè)計(jì)、校審程序及相關(guān)質(zhì)量體系管理文件。三維協(xié)同設(shè)計(jì)的模型信息驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化模型，不僅為運(yùn)行管理部門帶來價(jià)值，延長設(shè)計(jì)產(chǎn)品服務(wù)周期，同時(shí)還將其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，助力設(shè)計(jì)單位。

[1]陳亞軍.三維協(xié)同設(shè)計(jì)在水利水電工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國建設(shè)信息，2013，19（9）：40-43.

[2]王進(jìn)豐，李小帥，傅尤杰.CATIA軟件在水電工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].人民長江，2009，40（4）：68-70.

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Application of 3D Cooperative Design in Wuxikou Water Control Project

WENG Fa-gen，LIANG Bi-jue
（Jiangxi Provincial Water Conservancy Planning And Designing Institute，Nanchang 330029，China）

With the development of information technology，water conservancy and hydropower engineering design more and more need specialization and cooperation between different professions，which need cross professional and cross region?al that information sharing based on the three-dimensional collaborative design.3D design has become the development di?rection and trend of engineering design.Wuxikou water control project as an example，a little knowledge and experience is proposed for 3D design in water conservancy and hydropower projects based on Bentley software platform.

3D cooperative design；Wuxikou water control project；water conservancy and hydropower projects

TV222

A

1004-7328（2016）06-0060-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.019

2016—09—20

翁發(fā)根（1985—），男，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。