水利水电工程三维协同设计研究

水利水电工程三维协同设计研究

李秀慧付艳林魏云洁

（河南省豫北水利勘测设计院，河南安阳455000）

三维协同设计是对传统二维设计理念的深化与创新，特别在图形技术、信息技术的支撑下，三维协同设计为工程设计领域注入了新的发展模式。本文将从国内外三维设计工程资料收集中，针对水利水电工程项目设计实际，来阐述三维协同设计的理念、方法，并就行业应用提出展望。

三维协同设计； 水利水电工程； 工作方法； 行业发展

传统工程设计领域中，多是从手工绘图方式入手，后期利用计算机来辅助绘图来完成平面效果展示。由于技术的局限、传统二维设计多停留在可想而不可见阶段，而对于三维建筑工程构思来说，其逻辑关系及总体布局需要通过转换成二维平面图纸才能使用，期间费时耗力，还难以实现对原始设计意图的完全表达。在现代信息技术，尤其是数据库技术的支撑下，基于三维仿真设计技术，能够从可视化效果中对建筑工程结构进行准确、全面、真实的呈现，从而为水利水电工程项目设计带来巨大发展。

1　三维协同设计系统的优越性

三维协同设计是基于三维构图模式，设计师从人脑思维模式上来完成工程项目设计的整体性和连贯性，避免二维设计中数据转换的繁琐。在三维协同设计中，通过可视化界面，利用各类设计元素来反映地质、地形、水文、施工条件及结构布置，满足建模设计可视化、分析过程可视化、成果展示可视化等特点，突破了二维设计的技术瓶颈和缺陷，更具有应用优越性。

1.1有助于提升水电工程设计质量

借助于三维设计环境，设计师可以直接从三维空间上来对水电工程项目进行设计和布置，突破了传统手工绘图、计算机辅助绘图带来的二维平面转换问题，也更能够从三维视角来表现工程的整体创意，多角度、多专业的进行工程模型审视与平衡，优化设计方案。如借助于模型校验技术来降低设计上的错、漏问题，借助于碰撞检查来减少碰、却现象，特别是从三维空间结构上，来准确反映各建筑构件间的空间关系，模型中的数据信息直接就是真实的建设数据，保证了工程设计的准确性，提升了工程设计质量。

1.2有助于提升工程设计效率

从水利水电工程项目设计周期来看，设计阶段在整个项目周期占比较大，也是影响工程设计效率的重要内容。特别是在传统设计领域中，二维空间设计在设计质量及耗时费力上代价较大，而三维设计可以在同一平台上满足对不同工程领域的不同设计，并且能够从专业融合上实现深度协同，及早发现可能存在的潜在问题，反馈给设计上下游及其他设计人员，降低出错率，提升设计效率。

1.3有助于完善建筑工程结构模型

在水利水电工程设计中，对于建筑物结构强度问题通常需要进行结构应力分析计算，在传统二维设计中是难以实现的。而三维设计模型，可以从结构分析计算上，为设计提供参考模型，如法国的CATIA设计系统，内置仿真设计方案和结构分析模块，为设计师提供自动化校验解决方案；同时，在CATIA系统中，利用网格规划和有限元分析，能够实现三维模型结构变化时，无需重建模型，其他结构跟着更新，缩短了建模时间；另外，还可以通过三维模型进行水工结构应力、位移等计算，对于复杂的工程结构，可以通过有限元分析软件进行结构应力分析。

1.4有助于实现工程模型的可视化

三维协同设计能够利用虚拟技术实现工程项目模型的可视化，设计师可以从水利水电工程建设全过程来进行模拟和展示，并对工程项目建成后的效果进行展示，便于获得业主的视觉感受，提升方案中标率。

2　三维协同设计系统结构及工作原理

三维协同设计系统是利用计算机虚拟现实技术，通过仿真软件来呈现可视化结果。在水电工程设计领域主要有法国的CATIA软件、美国的AutoCAD软件和MicroStation软件。三维协同设计系统在构成上主要包括四部分。

2.1系统骨架及驱动模型

骨架是三维系统设计的基础，也是对某一数字几何量进行三维模型拓扑特性转换的特殊处理方法，用以呈现三维工程各要件的可视化图形，以图（Grahp）数据结构形式来进行存储和运算。从三维设计理论来看，对于骨架在组织上以多级树结构来表示，如总骨架、子骨架，以及下级子骨架等，从而构成工程三维模型中的各个构件单元。如顶层基本骨架为工程设计的总骨架、其他单元骨架及零部件骨架。在三维设计思路上，以自顶向下的设计方法，从工程项目总体设计结构入手，逐渐拓宽和丰富三维立体模型的各部分空间结构和形状。如大坝工程首先有基准点、线、面，再有构筑物的轮廓线、轮廓面等，并从空间关系、界面属性等方面来进行协同，满足对工程某项构件设计变更时，只需要对顶层设计控制参数进行修改，整个工程模型自动纠错适应。

2.2参数化设计模式

从三维协同设计软件实现方法上，参数化设计是整个系统的核心。设计师需要就工程项目草图中的几何尺寸、位置信息进行标注，并从参数化变量中对这些参数进行设置，即可对三维模型进行尺寸、形状上的修改，满足其他关联部件进行同步，提升了工程设计的柔性和工作效率。

2.3模板化设计理念

模板化设计是三维协同设计的重要思想，也是实现三维模型仿真显示的重要技术。在水电工程设计中，由于很多构件具有典型性，如挡土墙，板、柱、梁、楼梯等，其使用频率较高，如果每次进行建模，比较费时。采用模板化设计，对一些定型构件做成设计模板，在设计中可以多次重复调用，以节省设计时间，提升设计效率。另外，对于模板化设计、参数化配置技术，两者在融合中也可以通过软件工具来实现协同。

2.4协同化设计

对于水利水电工程项目设计来说，由于涉及到多个工程专业，在不同设计阶段又需要开展设计协同优化，设计师需要针对设计模型就设计信息进行修改和整合，特别是在某些复杂的工程细节上，三维设计的深度协同将能够从同一环境下的在线设计，满足数据的同步且唯一，简化设计流程，实现了跨专业、不同部位的多头协同，提升了软件的适应性。

3　三维协同设计在水利水电行业的应用前景

从三维协同设计在水利水电工程项目设计中的应用来看，我国虽然早些年前就已经开始引进和应用，但多集中在大型设计院，在技术研究、系统培训及产学研融合中来逐步推进。据统计，通过三维协同设计软件来进行设计，工程图纸一次性校验审定通过率达到90%，差错率减少了80%，与传统设计相比提升了42%以上的设计效率，比传统设计周期缩短30%时间。从当前国家行业层面来看，我国已经着手三维协同设计标准的制定，并从行业三维模型数据库建设，以及三维模型平台建设等方面进行开发，截止2015年上半年，已有20多家各级水利水电勘测设计单位使用了三维设计软件，而三维协同设计将成为未来水电工程设计的新主流。三维协同设计在行业中的广泛应用，三维模型结构及模型数据开发必然成为主要趋势。

3.1数字化设计与工程施工一体化

从当前三维协同设计开发实践来看，计算机虚拟设计技术与数字化工程数据的融合，必然需要将设计与现场施工进行统合，体现行业特色。如充分利用水利水电工程三维模型信息，来构建多种应用的数字化设计模型，满足可视化要求；在设计理念及方法上，利用数字整体移交技术，将工程现场施工数据与现场管理融入到三维模型中，以增强软件设计的附加值。如利用CATIA/SimuPower平台，来完成工程现场施工组织与设计的可视化，并结合现场施工数据来呈现实际施工面貌，预测未来一个月、一年后的三维施工状态，从而优化施工组织方案，推进三维设计对远程施工管理的指导。

3.2数字化设计与全周期管理一体化

全周期管理是项目管理中的一种理念，也是从项目的可行性分析到项目运行、直至项目完成整个过程中各项管理工作的一体化管理方法。借助于三维协同设计技术，从水利水电工程项目数据入手来构建虚拟的项目模型，逐步构建以设计、采购、施工、运行管理等业务子系统，从而实现工程项目全数字化虚拟资产的整体移交，为工程全生命周期管理提供技术参考服务。三维协同设计思想及数字化设计、全过程生命周期管理的一体化整合，将成为未来推进水利水电工程建设的新的变革方向。

4　结语

三维协同设计系统具有显著的优势，在当前水利水电工程设计中也逐渐成为主流趋势，特别是对于水利水电勘测设计单位来说，三维协同设计理念将有助于推进设计领域管理创新，提升设计企业产业升级，增强设计企业核心竞争力。为此，积极从水利水电行业发展实际与三维协同设计技术的融合中，加强技术、人才培养和引进，为水利水电工程设计提供完善的、先进的解决方案。

［1］ 王国光，徐震，单治钢.地质三维勘察设计系统关键技术研究［J］.水力发电.2014（08）.

［2］ 陈亚军.三维协同设计在水利水电工程设计中的应用［J］.中国建设信息.2013（18）.

李秀慧（1981.10-），女 ，大学本科，工程师，研究方向:水利水电工程设计。

TP391.7

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1003-5168（2015）11-047-02