三维协同设计在水电站厂房中的应用研究

欧阳君

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

引 言

水电站厂房是一项非常复杂及浩大的系统工程，所涉专业多、各专业自身结构较复杂、且在同一空间内进行各专业的结构/设备/管路布置，工作量和难度都非常大。在以往的二维设计过程中，专业图纸需要分楼层、分区块制图，图纸的系统性不强；设计需要充分考虑与相关专业的协调与配合，避免设备及管线的碰撞现象；一旦设计方案有所变更，各相关专业还需重新配合，设计工作量将成倍增加。为保证设计质量、提高设计效率，需要利用更为立体、直观、精确地三维协同设计。

三维协同设计不仅可直观地展示设计成果，还可以通过一系列的自动化手段（如材料统计、碰撞检查等）将复杂的工作交由计算机完成，可大幅提高生产效率、保证设计产品的质量。与传统的二维设计相比，三维协同设计具有以下特点：

（1）三维模型更加直观、形象，避免了二维思维的盲区，能够快速发现错、漏、碰等问题，方便设计人员交流。

（2）三维模型的系统性更强，通过三维设计的空间模拟，可以很轻松地理解建筑物与设备之间的空间关系，图纸表达能力更卓著。

（3）基于统一且动态更新的共享平台，各专业之间可以实现动态协同，保证数据的一致性和实时更新，提高设计产品质量；同时减少了专业间沟通成本，提高设计效率。

（4）固化后的设计模型重复利用，可减少错误的发生，减轻劳动强度；利用软件的自动出图功能，可将设计人员从繁琐的施工图制图中解放出来，缩短设计周期；利用模型及时解决现场问题，减轻了设代人员修改图纸的压力，提高了生产效率。

1 实际应用

1.1 三维协同平台

该三维设计采用的是Bentley公司ProjectWise（PW）软件平台。在PW平台建立项目文件夹和模型文件夹，根据需要设置不同的管理权限，并统一配置企业级和项目级的标准化文件。设计人员在PW平台上进行三维设计时，参考应用相关专业模型，及时发现错、漏、碰、缺等问题；在项目完成初步的三维模型后进行碰撞检查、逻辑校验，能够最大程度地避免设计过程中的错误，保证设计质量；文件检出、检入实时记录，工作流状态清晰，设计人员工作时间、状态一目了然，专业协同方便，提高设计效率。

1.2 水电站厂房三维建模

水电站厂房三维协同设计流程大致如下：首先，根据项目的大小，制定三维协同设计实施计划；明确各专业作业内容、项目完成时间。其次，在PW平台上搭建项目设计目录、设置人员权限、配置工作空间等。再次，利用专业软件进行制图规则设置，建立各专业三维模型，进行碰撞检查和三维校审，完成模型组装，进行模型固化，形成满足相应设计深度要求的三维模型。最后，利用专业应用软件抽取任意想要的平面、剖面、轴测图，并添加标注、说明、材料表等，完成二维出图。

基于PW平台的水电站厂房的三维协同设计，相比传统设计方式具有以下特点：

（1）基于统一协作平台，模型可在项目内共享并互为参考，专业配合更加简单、高效。协作平台上各专业的模型文件都是实时更新的，节约了专业配合时间。图1是某水电站未参考其它专业模型的副厂房模型，图2是参考了水机及电气模型的副厂房模型。对比图1、2可见，利用协作平台上的共享模型，可以在设计过程中避免设备碰撞，提高工作效率。

图1 未参考其它专业模型的副厂房模型

图2 参考机电模型后的副厂房模型

（2）可视化的展示手段使设计理念的表达更为明确。相比传统的水电站设计方式，虽然设计人员对结构构造、设计理念了如指掌，但是涉及专业多、系统庞大，对于读图者和施工者来说，如果对其它专业不够熟悉，很难理解设计者的意图，三维设计很好地解决了这一问题。如图3所示，三维模型本身就像是虚拟施工现场，各专业设备、管线的相互位置关系在模型空间上一目了然。

图3 各专业设备相互位置关系示意图

（3）碰撞检查的合理运用有效地保证了设计质量和生产效率。碰撞检查可用于检查专业内部以及专业之间设备碰撞情况。对于水电站厂房的设计来说，系统复杂、工作量大、各专业之间联系紧密，设计人员不可能做到设计成果完全没有疏漏。碰撞检查可用迅速捕捉到设备碰撞情况，如图4所示。减轻了设计人员和校核人员的工作负担，对于提高设计质量和生产效率都十分有利。

图4 某电站厂房管路之间碰撞检查图

（4）多窗口、多视角的设计方式，减轻了设计者的设计负担。三维设计一般采用多窗口、多视角的设计方式，如图5、6所示。使设计人员能在不同视角把握模型，简化设计人员脑中二维、三维的切换过程，一定程度上减轻了设计人员的负担。

图5 某电站厂房整体三维模型图

1.3 模型的应用

在每一阶段性项目完成之后，项目所有设计人员需对模型进行确认，避免出现错、漏、碰、缺等问题，优化设计。设计人员可根据设计产品的需要，利用模型生成图纸。三维设计软件可以在任何需要的位置切出平面、立面及剖面图纸，设计人员只需要人工加标注和文字信息即可。对于某些传统图纸表达不清的地方，还可以配以轴测图阐释设备之间的相互关系。

如图7、图8所示，水电站内厂房管路、桥架纵横交错，仅仅通过二维图纸是很难完全表达清楚空间关系。通过三维轴测图，直观的展示出这些复杂对象之间的空间关系，这种图纸表达方式，大大提高了阅读效率，减少了施工识图难度。

图6 某电站厂房内部机电设备图

图7 某电站厂房运行层平面布置图

图8 某电站厂房运行层三维轴测图

模型完成之后，还可以将厂房模型导入ABAQUS、ANSYS、Adina等CAE软件中进行分析计算，实现水电站厂房复杂结构的计算均由CAE分析软件计算完成，使设计方案能够达到最优。大大减少了以往计算建模的工作量，实现模型共享，避免了重复建模，提升工作效率。见图9。

图9 某电站厂房流道有限元分析结果图

2 面临的问题

2.1 标准流程的制定

目前，水电行业各大设计院已经开展了三维设计，也取得了一些成果，但是暂未形成统一的水电站厂房建模流程及方法，设计人员操作困难。同时，三维设计目前尚未有完善的质量检查体系，导致三维设计工作执行不够认真，协同不够，影响设计成果的质量。标准化设计流程的探索、统一的使用手册的编制工作就显得尤为重要。

2.2 软件功能不全

目前，水电行业使用的三维软件主要有Bentley、Autodesk、Catia 三种，湖南院经过比选，最终选择Bentley软件搭建了三维协同设计平台。因水电站厂房涉及专业多、协同设计要求所有专业都能够在一个平台上共享成果，而这些专业之间特点差别大、基本是一个专业一个款软件。如：水工专业采用ABD、测绘专业采用Geopak、施工专业采用PowerCivil、电气专业采用BRCM和Substation、水机专业采用PSDS等，这些专业软件仍不能完全实现所有专业使用功能需求。如在设计过程中，水工专业需要完成结构计算，Bentley软件自带的结构计算软件并不是很强大，还需要将模型导入到计算软件中进行结构分析。为了能够在统一的Bentley软件平台下实现利用现有结构模型进行计算，还需要进行二次开发，实现符合我国规范的结构计算功能。

2.3 优化设计的局限

三维模型中的碰撞检查，只能解决简单的“硬碰撞”检查，大量的“软碰撞”（如：安装空间、检修空间、人员通道、管道间和设备间距等)检查，计算机是不能代替的，只有按规范和经验进行人工检查。设计人员也不能一味依赖计算机，而需要提高自己的专业水平，更好的完成“软碰撞”检查。

2.4 成果应用范围

就目前的三维设计来看，主要应用在设计过程的协同设计，错漏碰和合理性检查、施工图及效果展示。完全没有发挥目前三维设计成果的衍生应用，如项目施工期、运行期管理等。

2.5 观念错误

虽然三维设计的概念在工程界推广了几年，但人们对三维设计的认识程度仍不尽相同。首先，一些设计人员不愿接受新鲜事物，不愿学习、使用三维设计软件，存在抵触畏难情绪。其次，三维设计过程不等于没了二维。很多人认为，三维设计全过程都在三维模型上沟通交流，只在最后出图时形成二维图纸，这是非常极端的想法。正常的设计工作总是先有概念，再有草图，最后才形成具体方案。在方案尚末形成之前，使用较多的是在二维草图上进行粗略的设计，待草图配合后开始三维建模。最后，三维设计不是翻模。目前，存在三维设计滞后的问题，大都是在二维图纸上配合好了，基本没有改动了，才开始集中三维建模，这种做法只能算是三维翻模，有仅为了完成三维建模的任务之嫌，违背了三维设计的初衷，并不是真正意义上的三维设计。

3 应用前景

如今很多设计院，特别是大型设计院都基本上完成了设计手段从二维到三维的变革。随着业主对工程全生命周期管理认识的不断提升，对三维设计将提出更高的要求，三维模型将不仅限于设计阶段，其在工程建造阶段中的重要性将日益显著。就目前BIM工作开展情况来看，三维协同设计可以给设计院带来以下改变：

（1）可视化的模型，便于业主的理解认识。三维模型可以从任意角度展示工程的整体面貌或局部特征，描述工程与周边环境、各建筑之间的空间逻辑关系，从而有利于增强业主的认知。

（2）标准化、参数化元件库的重复利用，便于设计修改。参数化设计技术可以使设计的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来。构件的移动、删除和尺寸的改动所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化，需保证所有模型的一致性。

（3）基于统一协同设计平台，提高团队效益。水电站厂房设计涉及专业范围广，一般包括水工、机电、金结、施工、概算等专业，专业之间的沟通协调是非常重要的。在三维协同设计环境下，各专业对工程都有直观的认识，沟通较为方便；同时，各专业都在同一的基础模型上进行设计，成果共享，可避免出现错、漏、碰、缺等问题。这种协同设计节省了各专业间的衔接等待时间，提高了整个工程的设计效率。

（4）利用互联网技术，实现远程办公。利用远程浏览软件和互联网向不同用户提供相关模型和图纸，实现远程办公。还可以利用搭建设代处服务器的方法，实现设代处与院内进行协同设计，可及时解决施工现场出现的问题，减少设代人员的配置，特别是国外项目，可大大降低工程成本。

（5）借助已有的数字模型，拓宽业务范围。利用现有三维数字模型，可以开展基于工程基础数据库的施工模拟系统、建设进度和质量控制系统、投资与效益分析系统等相关工程咨询业务。

4 结 语

目前，水电站厂房设计正处于从二维到三维发展，从计算机制图向计算机建模转变，从纸质化向数字化发展的变革时代。基于数字和信息技术的三维协同设计已成为设计行业发展不可阻挡的主流趋势，作为产品设计的主要手段，三维协同设计具有的一系列优势，可使设计效率、产品质量及服务水平等得到大幅提升。通过三维协同设计亦可提高企业的核心竞争力，拓宽设计单位设计咨询业务范围，在勘测设计单位中具有广泛应用前景。

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