三維CAD 技術在水利水電工程設計中的應用探討

陳 偉

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

以往水利水電工程都需要依賴于工程師完成圖紙繪制。自信息技術和計算機技術興起之后，部分工程師開始嘗試利用電腦進行制圖，在此期間，CAD 制圖軟件被提出，也因此受到工程設計的需要。目前，有關部門并未意識到三維CAD 技術應用的價值和重要性，因此仍舊選擇利用傳統(tǒng)手工操作的方式進行繪圖，與三維CAD 技術相比，這種手工操作的方式存在一定的局限性，可能會對后續(xù)施工構成不利影響。這就要求相關企業(yè)和部門應當提高對三維CAD 技術的正確認識。

1 三維CAD 技術的實際應用特點和優(yōu)勢分析

1.1 應用特點

首先，三維CAD 技術在施工設計階段中具有較為明顯的直觀性特點，其在設計階段中不僅能夠幫助設計人員設計三維模型，還能在CAD 技術支持下更加直觀地體現(xiàn)整個工程布局。尤其是在工程設計階段中，可借助虛擬環(huán)境，將整個水利水電工程中的基礎設施和安全工程內容進行模擬。其次，借助三維CAD 技術進行工程設計，能夠確保圖紙設計的有效性和精準性，還能檢驗出設計隱患問題，進而降低工程施工建設階段的危險性問題發(fā)生概率，尤其是在水庫發(fā)電工程設計中，其設計內容較為復雜，且涉及諸多專業(yè)性知識，為避免工程設計過程中出現(xiàn)失誤問題，可借助三維可視化環(huán)境進行工程設計，進而最大限度地提高設計的專業(yè)性和規(guī)范性。由此可以看出，三維CAD 技術在確保工程施工建設質量方面能夠起到一定的積極作用[1]。最后，三維CAD 技術在實際應用過程中能夠提高工程設計效率。因此，在實際設計階段中，要想確保工程項目具備良好的技術保障，就必須在施工準備期間對可能會發(fā)生變化的物質量進行三維設計，一般的軟件無法實現(xiàn)三維設計，必須經(jīng)由CAD 技術才能實現(xiàn)。

1.2 應用優(yōu)勢

1.2.1 有利于確保設計的精準性

由于水利水電工程設計工作與其他工程設計相比存在一定的特殊性，在一定程度上會加大設計難度，因此在傳統(tǒng)設計理念影響下，工作人員無法在具體設計中凸顯出整體工程結構。若此時能夠將三維CAD 技術應用在具體工程設計中，就能夠順利地解決這一問題，這是因為三維CAD 技術在實際應用過程中具有較強的計算能力，能夠在短時間內完成對水利水電工程中大量數(shù)據(jù)的高質高效計算，從而進一步提高工程設計精度，使其更好地滿足水利水電工程對設計精度方面提出的要求。

1.2.2 有益于提高設計效率

在水利水電工程設計工作實際開展過程中，設計人員會根據(jù)工程項目具體需求，來對工程項目資料進行分析，并將最終的分析結果看作基礎，而后科學合理地進行工程設計。因此水利水電工程施工建設工作的有序推進離不開大量信息資料的支持，若此時不輔以專業(yè)的制圖技術，將會對后續(xù)施工作業(yè)帶來許多負面影響。而三維CAD 技術在實際應用過程中能夠自動求解，也可在短時間內直接計算、分析并處理工程資料。由此可以看出，三維CAD 技術的科學合理應用，不僅能夠全面提高工程設計的整體效率，還能提高設計精準度，進而有效縮短施工建設周期。

1.2.3 有利于攜帶

在以往水利水電工程設計工作開展過程中，設計人員往往會采取手工操作的方式進行制圖，在此前提下，設計人員通常需要攜帶圖紙和繪圖工具進行操作，這樣不僅會加大其工作量，還會影響設計精準度，若此時未加以妥善保管，將會增大圖紙損壞問題的發(fā)生概率，進而影響水利水電工程設計和施工建設工作的順利開展[2]。在具體設計過程中對三維CAD 技術加以科學合理應用，設計人員只需要通過計算機和遠程監(jiān)控系統(tǒng)就可完成設計工作，無需時刻攜帶大量工具和圖紙，就能完成對施工數(shù)據(jù)的精準計算和記錄，如此在降低工作人員的工作量的基礎上，還能進一步提高設計效率，進而為后續(xù)施工建設工作的順利開展打下堅實的基礎。

1.2.4 有利于更加直觀地呈現(xiàn)設計成果

將三維CAD 技術與工程設計相結合，能夠在精準繪制平面圖紙的同時，創(chuàng)建系統(tǒng)化的三模模型。從大局觀角度和局部情況來看，動態(tài)監(jiān)管、描述水利水電工程建設時間與空間之間的邏輯關系，并通過三維CAD技術來進行虛擬環(huán)境制作，能夠幫助施工單位更加直觀地觀察施工環(huán)境，預估整體工程建設成本，進而為后續(xù)施工成本控制工作的開展奠定基礎；結合水利水電工程具體施工要求，加大工程監(jiān)管力度，定期組織開展工程規(guī)劃工作，能夠切實保障工程設計質量與水平；嚴格按照規(guī)定流程開展施工作業(yè)，做好施工成本控制工作，能夠實現(xiàn)安全施工和高質量施工。

2 三維CAD 技術在水利水電工程設計中的具體應用方式及步驟

2.1 三維CAD 技術在水工設計方面的應用

在工程設計階段中，由于水利水電工程較為復雜，且涉及多方面的專業(yè)知識，因此需要加強其與其他領域之間的合作、協(xié)調，才能確保工程施工建設質量。為了改善設計的局限性，減少設計缺陷問題的發(fā)生概率，有必要改善制圖技術，明確設計人員的職權與責任，才能確保協(xié)同并行設計效果的順利實現(xiàn)。在此期間，設計單位應當進一步明確設計模板的參數(shù)，并在此基礎上構建三維機構，同時結合計算機和三維CAD 技術進行輔助設計，以確保設計人員在短時間內繪制出立體草圖。在草圖設計工作完成之后，設計人員還需按照平面圖紙和施工參數(shù)進行立體建模，并對平面圖紙進行反復校對，以加深施工單位對空間的認知。在設計階段中，各部門應當加強溝通交流，以達到改善設計成效的最終目的[3]。

2.2 三維CAD 技術在地形地質方面的應用

將等高資料、施工圖紙與三維CAD 技術相結合，能夠提高三維地貌數(shù)字化模擬的真實性和準確性，并在此前提下建立原始地貌、邊坡、建筑大壩等立體地貌。經(jīng)由計算機進行設計，能夠提高數(shù)字化模擬效果，并根據(jù)施工情況及時調整設計圖紙，使實物與圖紙更符合。由于三維地形在實際模擬過程中具有較高的擬真性，可在短時間內計算出不同部位的容積，為此，施工單位需要按照工藝流程進行開挖，并利用施工參數(shù)快速計算出不同部位的土方。

2.3 三維CAD 技術在工程量計算方面的應用

目前，隨著現(xiàn)代信息科技手段的不斷發(fā)展，計算機技術在各行業(yè)中得到了廣泛應用，并且取得了較為顯著的應用效果，水利水電工程設計也是一樣。通過計算機技術和基礎設備的廣泛應用，能夠最大限度地提高整體工程設計效應。究其根源，主要是因為計算機基礎設備在實際應用過程中具有較強的計算功能和制圖功能，因此將其應該用到水利水電工程設計中，可為設計工作提供強有力的技術支持。在以往的水利水電工程計算階段中，設計人員通常會事先在圖紙上繪制出原始草稿圖和斷面，而后再進行工程量計算，但由于容易受到諸多因素的影響，因此這種計算方式并不精準，并且計算時間較為遲緩，再加上外業(yè)內容較為復雜，因此最終計算得出的信息數(shù)據(jù)可能并不理想[4]。鑒于此，在水利水電工程設計工作具體組織開展階段中，通過三維CAD 技術的科學合理應用，設計人員能夠在短時間內獲取精準的測量信息，并在此基礎上進行圖形繪制，同時根據(jù)面積查詢功能，直接形成鮮明施工線路，如此一來，則能進一步提高斷面計算的有效性和精準性，隨后計算出與實際施工情況相符合的工程量。

2.4 三維CAD 技術在水庫水位、庫容曲線繪制方面的應用

在水電工程設計階段中，通過三維CAD 技術的合理應用，工作人員能夠實現(xiàn)對地形地貌、水庫水位、庫容曲線的順利設計與繪制，其與壩面曲線制圖在設計方面存在較多的相似之處[5]。三維設計技術的應用流程如下所示：首先，設計人員需要將水位和庫容數(shù)據(jù)輸入計算機系統(tǒng)中，而后通過大數(shù)據(jù)技術計算出庫容差值，在不同坐標點的實際水位差之后，設計人員需要在同一時間內放大不同標點的實際水位，如此一來，能夠更好地確保庫容曲線繪制的科學合理性、有效性。其次，借用三維CAD 技術，能夠實時定義不同位置的用戶坐標，當坐標定位完成后即可輸入指令，最后確保繪制工作得以實現(xiàn)高質高效完成。

2.5 三維CAD 技術在細節(jié)設計方面的應用

在三維CAD 技術工程設計期間，設計人員首先需要對以獲取的施工數(shù)據(jù)進行分析，并在此基礎上核對所需數(shù)據(jù)的精準性，而后分析壩面圖繪制流程，進而為后續(xù)整體工程設計工作的順利開展奠定基礎。CAD 軟件中包括計算、渲染、換算等多種功能，若設計人員能夠利用CAD 軟件功能合理處理其中的坐標系數(shù)，就能夠進一步提高工程細節(jié)設計精度。以CAD 軟件中的計算功能為例，其能夠利用表格來實現(xiàn)各類坐標點的計算，還能精準計算出整個水庫壩段鼓面。在此期間，設計人員應當著重關注工程細節(jié)設計中的渲染工作，借助三維效果功能進行立體圖片渲染，進而為后續(xù)斷面面積的精準明確提供支持。

2.6 三維CAD 技術在輔助工程設計方面的應用

在三維CAD 技術實際應用過程中，考慮到工程設計所需的材料用量、設備投入量、工程量等，設計人員能夠在短時間內獲取施工主要參數(shù)，進而確保參考數(shù)據(jù)的有效性和全面性[6]。在虛擬3D 電站設計基礎上，設計人員能夠更加直觀地查看電站所處位置、基礎設施采購情況以及安裝工程運行過程中的主要情況，這樣一來，不僅能夠幫助采購部門更好地控制設備購置與應用，還能科學實施工程設計。在水利水電工程后續(xù)建設階段中，三維CAD 技術可輔助設計人員完成3D電站的模擬設計，并更加直觀地觀察電站運行平臺和各部件運行情況，進而為后續(xù)電站運行維護工作的順利推進奠定基礎。

2.7 三維CAD 技術在工程設計中的具體應用步驟分析

首先，處理施工數(shù)據(jù)。經(jīng)由前期勘察、檢測，施工單位能夠進一步提高數(shù)據(jù)的精準性和真實性，設計人員也能將審核通過的數(shù)據(jù)輸入CAD 軟件中，而后利用軟件功能進行數(shù)據(jù)轉換（將有效數(shù)據(jù)換算成坐標）[7]。其次，繪制施工圖。CAD 軟件本身具備較強的計算功能，能夠在短時間內計算出較為復雜的庫容差，并將計算結果轉變?yōu)樽鴺孙@示的數(shù)據(jù)，而后將坐標進行放大處理，同時重新定位坐標，根據(jù)曲線繪制命令進行操作。最后，渲染立體圖。若在此設計階段中仍舊選擇利用手工繪制的方式進行操作，通常只能繪制出平面效果圖，這種平面圖不能反映出立體結構隱患問題。但在三維CAD技術支持下，設計人員能夠繪制出立體效果圖，為確保效果圖的真實性，還能對其進行渲染。一方面，能夠增強效果圖的觀賞性和立體性；另一方面，能夠更好地反映設計中存在的問題，進而為后續(xù)工程設計優(yōu)化奠定基礎[8]。

3 結語

綜上所述，在水利水電工程設計具體實施階段中，加強對三維CAD 技術的科學合理應用，能夠確保設計精度和準確度，最大限度地降低誤差問題發(fā)生的可能性，進而提高制圖有效性。目前，三維CAD 技術無論是在水工設計、地質地形，還是工程量計算等方面都得到了科學應用。在此技術的應用和支持下，設計人員不僅能夠進一步提高整體工程設計質量，充分滿足工程設計具體要求，還能為我國水利事業(yè)后續(xù)的健康發(fā)展、建設提供有力支持。