水利水电工程的三维协同设计

周强

（海南省水利水电勘测设计研究院，海南海口570203）

水利水电工程的三维协同设计

周强

（海南省水利水电勘测设计研究院，海南海口570203）

随着计算机图形技术和信息化技术的快速发展，一种崭新的设计方式——三维协同设计，动摇着传统工程二维设计理念.三维设计技术给工程领域带来的革命，让人们看到了真正的计算机辅助设计的美好现实与未来.文章在收集、综合了大量国内外工程三维设计资料的基础上，结合我国水利水电工程实际，系统论述了水利水电三维协同设计的概念、原理和方法，阐述了三维协同设计系统的先进性、行业应用现状与发展趋势.

水利水电工程；三维设计；行业应用；发展趋势

在水利水电等工程建造领域，传统的设计师们设计立体建筑物，是从原始的手工绘图方式开始，或者利用后来发展的计算机辅助绘图方式，总是先将立体设计对象转化成平面形式来实现的.由于受技术条件的限制，传统二维设计手段的最大弊端就是可想而不可见.对设计者而言，他们所构思的三维建筑物之间的逻辑关系、工程的总体布置等，都需要转换成数量庞大的二维平面设计图纸，既耗费设计师大量的时间和精力，又无法直观并完全表达其原始设计意图.

在信息化技术快速进步和巨大市场需求的背景下，一种对结构描述更加真实、更加准确、更加全面的三维设计（也称“三维产品仿真设计”）技术，以其可视化的巨大优势在国内外水电工程设计行业风生水起［1］.在三维设计中，集成化的三维项目模型的各种信息相互关联，使得任何一个地方的设计或设计变更，只需在同一个地方完成即可，不仅可节省大量的设计时间，缩短设计周期，又能最大限度地减少差错、提高设计质量.三维设计已成为水利水电工程设计领域技术进步和创新发展的必然趋势.

1　水利水电三维设计系统

三维设计简单地说，就是让设计师的设计工作直接从三维开始，遵循一种完全符合人类大脑思维和行为习惯的模式，保证设计思维的连贯性，避免了经过二维设计转换的繁琐过程.

三维设计的特点是实现了设计过程的可视化与智能化，它包括设计条件，如地质，水文，地形，枢纽布置及施工条件等的可视化、设计建模的可视化、计算分析过程的可视化与成果展示的可视化.

三维设计系统是利用计算机虚拟现实技术，通过计算机仿真模拟设计软件来实现的.目前在水利水电工程勘测设计领域具有三维协同仿真设计功能的软件系统主要有三大产品，即法国达索公司的CATIA软件、美国Bentley公司的MicroStation软件和美国Autodesk公司的AutoCAD软件.

三维设计系统的基本工作原理及关键技术可概括为四个方面：1）骨架设计与驱动，2）参数化设计与驱动，3）模板设计与知识工程，4）协同设计模式［2-3］.

1.1骨架设计与驱动

骨架（Skeleton，又称骨架模型），是将某一数字几何模型拓扑特性经过某种特殊方法处理后具有类似生物“骨骼”般的可视几何图形，它以图（Grahp）数据结构的形式进行存储［4］，是构成工程全三维模型的核心和有效组织形式.

骨架的组织形式一般采取多级树形结构，分为总骨架和子骨架，子骨架又可衍生下级子骨架.水利工程三维模型中的骨架，大致分为工程总骨架（也称“顶层基本骨架”）、单元工程骨架和零部件骨架三类.

骨架设计是三维设计的基础工作，采取自顶向下的设计方法.骨架设计的思路是，在工程总体设计初期（可研设计阶段），从产品装配的最高层面考虑工程的设计结构［5］，确定产品模型的主要空间位置和空间形状，例如大坝的基准点、线、面，其他构筑物的点、轮廓线、轮廓面等，定义工程主模块与子模块的关联（驱动与继承）关系，如空间要求、界面及其他几何属性等拓扑约束关系［6］.当工程发生重大设计变更（如地质、建基面、桩号变更）时，只要在顶层基本骨架中完成所有控制参数的修改，便可驱动整个模型的更改.

1.2参数化设计与参数驱动

三维设计的另一个重要技术手段就是参数化设计与参数驱动.参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者在设计的初期只画一个产品草图，然后将产品的几何尺寸、位置关系定义为参数变量，需要时，只要修改这些参数变量或约束，即可直接或间接地改变图形的尺寸及形状，并驱动模型中所有其他相关联部分图形的修改，极大地改善了图形的创建和修改手段，提高了设计的柔性和工作效率［7］.

1.3模板化设计

模板化设计是三维设计中知识重用思想的具体体现和重要技术手段.在水工建筑物中，有许多典型结构，如挡土墙，厂房上部结构中的牛腿、板、梁、柱、楼梯等，其重复利用率非常高.如果每次重复建模，会浪费很多时间［8］.模板化设计就是把一些定型的、在多个工程项目之间反复使用的一些构件的设计过程做成模板，供任意工程设计时调用，以达到快速三维建模的目的，大幅提高工作效率和工作质量.把参数化设计与模板化设计两者相比较可以看出，如果说参数化设计是着眼于同一工程项目的一族产品的快速设计和修改的话，那么模板化设计则定位于不同工程项目的同类产品的结构设计.模板化设计是参数化设计思想的延伸和另类应用，法国达索公司的CATIA的知识模板功能提供了一个很好的实现模板化设计的软件工具.

1.4协同设计

水利水电设计工作是一个涉及不同设计阶段、众多工程专业深度配合的系统工程，需要在各专业技术人员之间建立大规模的深度协同的工作关系，需要对设计信息及设计成果的高度集成和共享.传统的离线设计方式需要大量面对面地沟通交流，设计流程复杂，效率和质量得不到保证，而三维设计系统的在线协同功能是使所有设计者都在同一环境下在线工作，设计数据同步且唯一，设计流程清晰简单，不同专业或不同部位的设计产品之间能够相互关联，实现了与业主、施工单位、专业间的实时沟通［9］.如文献［10］设计水电站厂房的三维设计（见图1）.

图1　水电站厂房三维模型Fig.1Three-dimensional model of hydropower station

2　水利水电三维设计系统的先进性

水利水电工程三维协同可视化设计技术，突破了许多二维设计中的技术瓶颈，具有二维设计无法比拟的优越性，较为突出的主要有以下几个方面.

2.1提高了水电产品的设计质量

在三维设计条件下，设计者实现了三维空间布置和设计，大大提升了产品的设计和创新手段.设计师们不再是图纸的奴隶，他们的时间和精力被充分释放，设计灵感受到极大激发，能够站在工程设计的整体高度，进行多角度、多领域（专业）的产品审视、平衡，并进行设计方案的快速优化和比较选择.通过碰撞检查和模型校验，可以大大减少设计上的错、漏、碰、缺现象，使得三维设计能更真实、更准确地描述设计物的结构以及各结构之间的空间关系，模型中的数据信息就是实际建设中的准确数据，既避免了工程建设的资源浪费节省了投资，又保证了工程体的高度安全，工程设计质量得到了大幅提高.

2.2提高了水电工程设计效率

设计效率一直是影响水利水电工程建设周期的关键环节.在传统二维设计中，如果强调提高设计效率，往往意味着要以增加资源消耗和降低设计质量为代价.由于三维协同设计技术对设计成果集中管理，能够使设计工作在同一平台上的不同专业的技术人员做到深度协同配合，在产品开发流程的早期及时发现和更正潜在的问题，并通过协同机制及时反馈给上、下游或同专业其他设计人员，避免了设计盲区，降低了出错概率，同时又减少了决策的时间和成本［11］，“又好”、“又快”不再发生矛盾.

2.3提供了理想的结构分析模型

水利工程设计针对建筑物结构强度的预测、后验校核和事故分析，是通过结构应力分析计算来完成的.而水利工程三维设计模型成果往往可为后续的结构分析计算提供理想的模型基础.法国的CA⁃TIA三维设计系统，其结构分析与仿真解决方案为设计者提供了高度自动化、透明的解决方案.CATIA能够自动进行网格划分和初步的有限元分析，同时与原三维模型保持关联.当三维模型结构发生变化，有限元模型也跟随更新，无需重新建立模型，大大缩短了建模时间，提高了分析效率.设计人员可以随时修改三维模型，而分析人员可以利用已有的三维模型，进行水工结构的应力、位移等计算分析［11］.对于大型复杂结构的设计，可采用软件组合的方法，例如，通过CATIA建模，再导入专业有限元分析软件ANSYS中进行结构应力分析计算.

2.4提供了可视化的产品展示模型

三维协同设计另一个突出的优势，就是能形成虚拟的三维工程模型，使设计人员能将其设计理念和设计成果进行可视化三维展示，既能在投入施工之前模拟出水利水电工程建设的全过程，还能模拟出工程建成后的使用情况.这样就能充分满足业主方和行业领导在听取汇报时的视觉感受，提高了设计单位的方案中标率.

3　我国水利水电三维设计应用现状与发展趋势

3.1行业三维设计应用现状

早在十几年前，我国的水利水电工程领域就已经开展了三维设计系统的引进、应用及研究工作，但主要集中在一些大型设计院.他们成立工程数字化研究中心，大力开展技术培训，并实施产学研一体化策略等措施［12-15］.已有成果表明，采用三维设计使设计图纸的一次校审通过率可普遍提高至90%，设计产品的差错率减少约80%.比传统设计效率提高42%以上［16］，工程项目设计周期缩短了30%［17］，大大提升了设计单位的生产力、生产水平和市场竞争力.目前国家已从行业层面进入到三维设计标准制定、三维模型库建设及三维平台建设的整合开发阶段.截止2015年上半年，在国内各级水利水电勘测设计院中，开展三维设计的已超过23家.随着时间的推移，三维协同设计的巨大生命力将日渐凸显.可以预见，水利水电工程的设计将进入三维协同设计时代.

3.2行业发展趋势

随着三维设计系统应用的逐步深入，三维模型数据也将会不断得到充实、丰富，这为设计企业开展工程数字化新业务创造了先机、开辟了方向.

3.2.1数字化设计与施工一体化

水利工程数字化设计与施工是计算机虚拟设计与虚拟制造在工程领域的典型应用.设计与施工的一体化与相互融合是工程建造领域发展、进步的必然趋势，充分利用水利水电工程三维模型信息量丰富、可视性强的特点和优势，使实现数字化设计与施工一体化成为可能.用数字整体移交的理念和方法将三维模型运用于工程现场施工与管理以获取三维模型的附加收益［16］.如通过CATIA/SimuPower平台，可使施工组织设计全部数字化和可视化，使施工现场的一切面貌均可在计算机屏幕上一一再现，并以现场实际施工面貌为基础，预测一个月、一年以后工程区的三维施工面貌，从而决策优选施工组织方案.这样，人们向往的远程施工管理就可实现三维可视化.

3.2.2数字化设计与全生命周期管理服务一体化

全生命周期管理（ELM—Engineering Lifecycle Management）是对项目从可研到运行，到最终报废等全生命周期的项目数据进行管理的一种先进的工具、方法与理念.设计单位通过三维协同设计建立起来的工程信息数据就是ELM所需要的最可靠、极珍贵的前端数据.设计单位以三维设计数字模型为基础，逐步构建满足设计、采购、施工到运行和维护管理等需求的全信息三维数字化模型，整合工程安全等业务系统，最终将实物资产和全信息数字化虚拟资产进行整体移交，为工程业主提供工程全生命周期管理服务［16］.可以预见，数字化设计与全生命周期管理一体化，必将极大地带动我国水利水电工程建设领域生产方式的变革和全面升级，从而促进水利水电事业的大发展.

4　结语

由于三维设计系统有诸多明显优势，目前已迅速发展成水利水电工程设计的热门技术，成为水利水电勘测设计企业实现产业升级、创新管理模式、提高企业核心竞争力的必然选择.在海南，由于存在人才、资金、技术等瓶颈因素，开展水利水电三维设计还有很多困难，目前还仅仅处在起步阶段.建议海南结合当地实际，积极开展水利工程三维协同设计技术的前期调研和应用研究工作，吸引更多的有识之人关心和参与三维设计系统这一最新技术，争取早日在海南水利水电工程勘测设计中实现三维设计零的突破.

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［4］齐晓明.骨架驱动的网格模型自适应变形技术研究［D］.大连：辽宁师范大学，2012.

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责任编辑：毕和平

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