三维协同设计在浯溪口水利枢纽中的应用

翁发根，梁必必

（江西省水利规划设计研究院，江西南昌330029）

三维协同设计在浯溪口水利枢纽中的应用

翁发根，梁必必

（江西省水利规划设计研究院，江西南昌330029）

随着信息化的逐步深入，水利水电工程设计越来越需要不同专业的分工与合作，需要跨专业、跨区域的基于网络化和信息共享的三维协同设计，目前三维设计已成为工程设计的发展方向与趋势。基于Bentley软件平台，以浯溪口水利枢纽为实例，提出对水利水电工程三维设计的一点认识和体会。

三维协同设计；浯溪口水利枢纽；水利水电工程

1 概述

三维技术在国外起步较早，主要应用于制造行业，如欧洲空中客车公司采用Catia平台设计空客飞机。三维技术大规模引进国内开始于20世纪80年代，主要用于制造业、建筑业等[1]。在我国，三维设计在其他行业如电力、石油化工等行业应用较为成熟，电力、石化行业的三维设计主要运用于工厂化设计，解决空间管道的布置以及多个专业空间布置设计协调问题，已有成熟的工厂化设计软件在国内应用。在水利水电工程设计中因为牵涉到地形、地质情况的多样性，很难形成类似建筑行业的标准化的设计，尤其是场地开挖设计中，这样就显著增加了三维设计的难度。

目前，国内水利水电设计行业的三维设计大都处于试点摸索阶段，全面推广仍有一定的难度，国内各单位针对不同解决方案平台进行了各种尝试。基于Bentley软件平台的三维设计有龙开口水电站设计等，基于Catia软件平台的三维设计[2]有溪洛渡水电站设计等，基于Autodesk软件平台的三维设计有观音岩水电站设计等。

三维设计在工程设计方案的优选与比较、缩短设计工作周期、提高设计产品质量等方面比二维设计具有明显优势，成为设计行业发展的主流趋势，也是水利水电行业技术储备和发展的要求[3-6]。

2 水利水电工程中三维协同设计相关基础

协同设计主要是指设计单位内部不同设计专业（部门）或者同一工程的不同设计单位之间进行协作与配合。大型水利水电工程设计参与专业较多，有测绘、地质、坝工、厂房、金属结构、施工导流、水力机械和电气等专业，这就需要不同专业设计人员必须在一个相互支持、信息相互共享的公共平台进行。

此外，协同设计不仅应具有独立的设计作用，还应有相应的管理作用，要实现水利水电工程中不同设计专业（人员）高效的三维协同设计，需解决三维协同设计功能和模型信息实时共享管理上的相关问题[3]。

统一的工作平台创建，不同专业都在一个共同的软件平台工作，不仅能使各专业设计成果即时分享，同时不同专业之间工作接口实现无缝链接，这样既能解决各专业成果无法相互读取问题，又能使各专业修改内容及时得到更新。在整个工程设计周期内，都能实现模型信息实时共享，不同的设计人员之间可以相互参考查阅，及时发现设计中的毛病，这样对提高设计成果的质量、缩短设计工作时间有很大帮助。

水利水电工程设计工作任务量大，涉及专业多，为方便各个专业设计人员之间准确无误的理解并相互参考模型及设计图纸，需要定义一套标准的工作环境，进而确保设计过程中不同专业设计人员参考和引用的快捷性和准确性。此外，对不同人员应设置不同的权限，确保文件不被随意修改，保证各设计文件的完整性与安全性。水利水电工程涉及专业众多，不同的专业设计针对个体不同，而不同专业必须要在统一的工作平台下协同设计。针对不同的专业特点，要有针对性的专门设计软件，不同设计软件的成果又必须能相互读取、参考，这就需要一个门类齐全的专业工作平台。

水利水电工程（尤其是大型枢纽工程）一般施工周期较长，在施工期间设计完成后的三维模型能直观明了地指导施工，并依据现场实际情况作出修改。同时，三维数据的移交为运营管理部门带来直观的工程印象，为业主及施工单位创造不可估量的价值；全站的三维模型更方便后期的工程运行与维护，更方便运行单位管理，大大提高了业主满意度。

3 Microstation平台在浯溪口水利枢纽三维协同设计中的应用

Microstation是美国Bentley公司旗下的基础平台软件，所有Bentley专业软件都是基于该平台的，保证了不同专业设计之间的无缝链接。它能将坝工、厂房、施工、地质、电气及金属机构等专业整合起来统一进行三维协同设计，利用Bentley Project Wise平台进行项目管理工作，有利于帮助团队提高质量、减少返工并确保项目按时完成。根据江西省水利规划设计研究院实际开展项目，并利用现有设计图纸，以浯溪口水利枢纽作为试点工程开展三维协同设计。

3.1 试点项目前期准备工作

依托Bentley软件强大的设计系统，参考国内成功的经验，根据专业特点选择不同的设计软件，此次浯溪口水利枢纽三维协同设计软件配置情况见表1。

表1 三维设计采用软件汇总

为便于建立良好的协同工作环境，在三维设计开始前利用ProjectWise软件进行项目管理，实现项目的标准化，其具体内容如下[1，3]：①设置一套统一的工作空间(协同工作环境)和种子文件(设计模版)；②建立层次化、不同专业、不同三维模型的详细工作目录；③建立项目统一的坐标系统（轴网）；④针对不同参与人员设置不同的访问权限。

3.2 浯溪口水利枢纽三维设计实施过程

利用服务器托管的工作环境，在ProjectWise管理平台上进行三维协同设计。测量专业利用Geopak软件建立数字流域地面模型；水工专业利用MicroStation、AECOSIM及Geopak Site软件建立整个枢纽的三维模型（包括各种类型水工建筑物及其开挖设计）；电气专业利用Substation软件建立各种电气设备及其连接装配的模型；水机专业利用PSPD及MicroStation建立主、辅机模型；金属结构专业利用MicroStation软件建立各种金属结构模型；各专业模型完成后，由水工专业在ProjectWise软件平台进行拼装，通过在Navigator碰撞检查并修改模型形成最终总体模型。后期通过Microstation实现渲染和动画的制作，最后通过视频编辑软件形成三维可视化汇报系统。

3.3 浯溪口水利枢纽三维设计相关成果

项目三维设计成果包括三维数字地模、相关部位剖切抽图、工程演示动画、浯溪口水利枢纽三维可视化汇报系统等。通过浯溪口水利枢纽项目形成了三维协同设计的基本原则和工作开展方法，包括ProjectWise协同环境中建立工作目录、设置工作环境、分配使用权限、设定轴网和使用规则、设定文件参考引用规则、确定模型总装方法、二维剖切抽图规则等操作性文件。项目形成的这些规则是三维协同设计的灵魂，为其他工程进行类似三维设计奠定了坚实的基础，引导设计团队高效率地开展工程项目的三维协同设计。此次项目主要成果，如图1—5所示。

图1 基于数字地面模型生成的开挖曲面

图2 左岸非溢流坝段实体模型

图3 机组中心线剖面图

图4 浯溪口水利枢纽各结构模型总装

图5 浯溪口水利枢纽全站总装

3.4 浯溪口水利枢纽三维协同设计项目总结

回顾整个试点项目工作历程，其成功实施经验有以下几点：

（1）单位领导层对三维设计工作给予足够的重视，选拔有一定基础的专业技术人员培训并实战，并在政策上大力支持。

（2）从浯溪口水利枢纽项目来看，采用Bentley平台基本上可以满足常规三维设计需要。因此，不应过于强调二次开发工作，也无需投入过多精力专注于此，后期软件推广后尤其是在二维抽图切图后，可根据江西省水利规划设计研究院制图、设计习惯由各专业设计人员定制专门的小插件。

（3）三维设计和常规二维平面设计在未来相当长时间内共存。在大中型水利枢纽工程中，涉及专业多尤其是在前期方案设计中优化比选及工程量统计方面，三维设计更有优势。而对于小型常规泵闸、灌区及堤防、河道整治等线状工程来说，设计相对简单，采用三维设计耗费的人力与时间也未必是允许的。要合理区分，发挥二维、三维设计的各自优点。

（4）三维设计的推广是一个循序渐进的过程。在没有相应的作业指导文件和质量控制标准的前提下，大范围展开风险较大，对设计业务不利，现阶段也是不现实的。这就需要依托典型项目，培养相关技术人员，积累一定的实施和管理经验，分类型、分批次地逐渐展开。

3.5 浯溪口水利枢纽三维设计展望

浯溪口水利枢纽三维设计的成功案例，为今后的三维设计工作的开展提供了宝贵经验，仔细分析并总结此次设计工作的得与失，可在以下几个方向上进行深入探索和研究。

（1）本项目受实际条件限制，缺少工程设计的三维地质模型，这就为基础开挖、边坡设计、工程量统计带来不便，后期进行类似工程时应建立基于三维地质分层的数字地模。

（2）本项目开展是利用已有二维设计图纸生成三维数字模型，从实施效果看，二者保持很高的相似度。但在后期类似工程开展时，设计人员在没有现成图纸时，应加强专业技术知识学习，提高空间想象力及设计水平，保证设计产品质量。

（3）三维模型完成后，可导入相关三维有限元计算软件进行数值仿真分析，真正实现三维设计和数值计算的紧密耦合。

（4）使用数字化模型进行施工模拟。施工过程模拟采用全站模型阶梯剖切，展示不同时间对应的工程面貌，并查阅此时的工程相关信息属性（工程量等）。后期模型信息属性用于工程运行维护管理，有利于工程的高效管理。

4 结语

三维协同设计打破了常规二维设计在空间上的局限，它以高效的协同工作模式、形象直观的设计手段、实时共享的信息管理模式冲击着工程设计行业，为设计方、业主、施工方提供了更好的沟通交流平台，为工程的数字化发展奠定了技术基础。三维设计的推广，设计单位应根据自身业务特点做好规划，理清思路，处理好三维与传统二维设计之间的关系，实现平稳过渡和互补共存，并逐步设定和完善相关的设计、校审程序及相关质量体系管理文件。三维协同设计的模型信息驱动，实现工程数字化模型，不仅为运行管理部门带来价值，延长设计产品服务周期，同时还将其转化为生产力，助力设计单位。

[1]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，2013，19（9）：40-43.

[2]王进丰，李小帅，傅尤杰.CATIA软件在水电工程三维协同设计中的应用[J].人民长江，2009，40（4）：68-70.

[3]陈功军，张金辉，高英.实施水利工程三维协同设计的探索[J].人民长江，2013，44(16)：105-108.

[4]李明超，钟登华，王忠耀，等.水利水电工程地质－水工三维协同设计系统研究[J].中国工程科学，2010，12（1）：43-46.

[5]宋明佳.水利水电行业三维协同设计中三维可视化的应用与研究[J].水利规划与设计，2013，26（12）：57-59.

[6]孙程.基于GEOPAK Site的三维开挖辅助设计[J].人民长江，2013，44（17）：26-28.

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

翁发根（1985—），男，工程师，主要从事水工结构设计工作。