数字化设计在仙居抽水蓄能电站中的应用

钱玉莲，王金峰，王国光，邓新星

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江华东工程数字技术有限公司，浙江 杭州 311122）

随着现代计算机技术的发展及大规模工程建设的需求，数字化设计正越来越受到各行业的重视，仙居抽蓄被确定为首个全面推行三维数字化设计的抽水蓄能电站。利用三维数字化技术进行设计不仅可以向人们展示直观的数据模型，还可以通过一系列的自动化手段将复杂的工作交由计算机来完成，大大缩短了各专业的协同合作时间，减轻了设计者的负担，增强了施工人员和电站管理人员对设计意图的直观感受。

1 工程简介

仙居抽水蓄能电站位于浙江省仙居县湫山乡境内，地处浙南电网台、温、丽、金、衢用电负荷中心，为一座日调节的抽水蓄能电站，总装机容量1500MW（4×375MW），属Ⅰ等大（1）型工程，是国内目前最大单机容量的抽水蓄能电站。设计年发电量25.125亿kW·h，年平均抽水耗电量32.63亿kW·h，综合效率77%。工程动态投资为58.51亿元，静态投资为48.91亿元。仙居抽水蓄能电站已于2016年全部投产发电。

仙居抽水蓄能电站三维数字化设计自2006年初启动，先后完成可行性研究设计、土建标招标设计、机电安装标招标设计、主机标招标设计、技施设计阶段，先后有测绘、地质、坝工、厂房、引水、电气、水机等20多个专业参与三维数字化设计，完成了具有适应设计深度的A、B、C、D、E、F版共6版三维模型。设计的范围包括：地质三维设计、枢纽三维设计、工厂三维设计等。目前电站已进入完建期，技施图已全部完成，主要地质平面图、全部枢纽布置图、勘测图、建筑物布置图、土建结构图、钢筋图、机电设备及管路布置图明管、设备安装图等600多张技施图纸均从三维模型中直接抽取，三维出图率超过90%。地下厂房机电设备总图如图1所示。

图1 地下厂房机电设备总图

2 数字化工程应用情况

本项目涵盖了仙居抽蓄电站工程的全部三维设计。应用范围包括了地质三维数字化设计、枢纽三维数字化设计、工厂三维数字化设计等水电站主要设计领域。实现了三维设计建模、三维校审、三维出图等数字化设计基础应用。

2.1 地质三维数字化设计

仙居抽蓄电站地质三维数字化设计分为数据库和三维模型二部分。数据库中主要是地质元素数据，包括项目各阶段勘察地质资料和大量的施工期地质数据，由现场基于地质三维勘察设计系统Geostation收集、编录而成，包括地形数据库、地质数据库、勘探数据库、物探数据库、试验数据库、观测数据库等。三维模型是基于数据库通过地质三维勘察设计系统GeoStation建立起来的勘测全信息三维模型，主要包括三维地形、地质线框模型、地质界面模型（如图2所示）、地质实体模型。

仙居抽蓄地质数据库共收录各类地质构造与地质界面2000多个、地质钻孔及平硐数据160多个（共计约 4800m），地下洞室 62个（总长超过24km）；仙居地质模型约18km2，共计5000多个地质构造、界面、地质实体，是目前规模最大、数据最完整的抽蓄电站工程地质模型，也是国内第一个完全符合能源局《水电工程三维地质建模技术规程》的三维地质模型。

图2 地质界面模型示意图

同时，仙居抽蓄电站工程地质图纸全部通过地质三维勘察设计系统Geostation完成自动抽取，共计完成抽图80多张。电站枢纽区地质平面图如图3所示。

图3 仙居蓄电站枢纽区地质平面图

2.2 枢纽三维数字化设计

仙居抽蓄枢纽三维设计主要解决电站枢纽与地形、地质密切相关的设计技术问题，着重应用于水电站前期枢纽方案设计、技施阶段枢纽详细设计和优化设计。主要参与专业包括：测绘、地质、坝工、厂房、引水、路桥、金结、观测等专业。

（1）可研阶段

可研阶段枢纽三维设计主要应用于枢纽方案比选、关键技术问题分析、工程量计算、专业配合等，包括枢纽布置格局比选、枢纽建筑物单体优化设计、边坡处理设计、建基面开挖设计等。

枢纽布置格局比选：结合地形、地质条件，从整个枢纽格局的布置方案进行比较，工作效率大幅度提升，且比选成果直观，与工程的边界条件如植被、道路等切合程度高。

枢纽建筑物设计：主要完成了上水库主副坝、上库进／出水口、地下厂房洞室群、下库进／出水口、输水隧洞系统、下库泄放洞及大坝安全监测系统等的设计，并基于建筑物三维模型进行三维有限元计算分析，最终形成完善的可研枢纽三维模型（如图4所示）对仙居抽水蓄能电站工程面貌进行了形象展示。

图4 可研阶段枢纽三维轴视图

（2）招标、技施阶段

招标、技施阶段枢纽三维设计为各个设计环节的设计过程提供相应先进的技术手段，减少重复工作量，提高设计成果正确性，从而使设计人员能够节约出更多的时间和精力，从事更高层次的创新工作。招标技施阶段主要工作内容为完善枢纽建筑物细节达到抽取招标附图和技施抽图要求、设计优化工作等。

枢纽建筑物设计：通过坝工、厂房、引水、路桥、金结、建筑、观测等专业的三维建模及配合，在对可研成果进行修改完善的基础上，完成枢纽建筑物的细化、优化工作。固化后的三维模型达到了由三维模型直接抽取加标注生成结构布置图作为招标附图和技施图的要求，并且基本实现了三维校审。

地下厂房洞室群设计：本工程为地下厂房，地下洞室群布置复杂，其三维建模范围包括整个地下厂房系统（主厂房洞、主变洞、尾闸洞三大洞室及母线洞、主变运输洞等相连附属洞室）等。本工程建立地下洞室群的三维模型（如图5所示），主要为了满足后续工厂设计需要以及土建招标设计的要求。

图5 仙居电站地下洞室群三维模型

边坡处理设计：与地质三维配合，完成了上水库库岸边坡、开关站边坡的开挖支护设计。

建基面处理设计：与地质三维模型结合，完成了上水库副坝基础F1断层的处理设计。

2.3 工厂三维数字化设计

本项目从2006年可研阶段开始进行工厂三维设计，2010年在工程获得国家发改委的核准，正式进入项目招标阶段。为了获得更好的设计效率和质量，从2010年项目核准后，正式开展地下厂房三维数字化设计，应用范围包括：地下厂房土建结构及机电设备布置设计、三维出图、设计联络会和设计交底应用等；应用专业包括：厂房、建筑、水机、电一、电二、暖通、给排水等工厂三维设计全专业；设计阶段包括了可研设计阶段、土建标招标设计、机电标招标设计、机电标技施设计的全过程。

工厂三维数字化设计应用的具体内容包括：工厂各专业三维建模协同设计及设备布置优化、电气端子接线和电缆敷设设计、工程量计算、分析计算、三维出图、设计交底及联络会应用等。

（1）工厂系统三维数字化协同设计

本项目地下厂房机电设备繁多，为了使设备布置更加合理，减少设备及管线间的“错、漏、碰、缺”，开展了厂房、建筑、水机、电一、电二、暖通、给排水等工厂三维设计专业参与的三维数字化协同设计。各专业在同一个协同设计平台上进行设计，能够实时了解其他专业的设计成果，可以更好地进行专业配合，使地下厂房布置设计达到最优。电站主、副厂房三维模型如图6、7所示。

图6 仙居电站主厂房三维模型

图7 仙居电站主副厂房三维模型

通过三维数字化协同设计，建立了土建结构、机电设备及明、暗管线等三维模型，此外，随着设计进度的推进，各专业的设计深度也在加深，不同的设计阶段对应不同的设计深度，从而使三维设计最优地服务于工程设计。

（2）三维出图

从2006年项目开展三维数字化协同设计开始，即按照不同设计阶段的要求，进行了三维出图。由于在三维设计建模阶段，各专业已经在协调设计平台上进行了很好的沟通和配合，通过模型浏览、碰撞检查、三维校审等先进的技术手段，基本消除了专业间的冲突，使得最终的设计方案基本达到最优；此外，自动统计材料表的功能也确保了材料统计的准确性，因此，三维出图的质量和效率得到了很大的提高。

目前本工程已进入完建期，技施图已全部完成，地下厂房部分超过90%的技施图纸均通过三维抽图形成。电站技施图如图8、9所示。

图8 仙居电站典型技施图一

图9 仙居电站典型技施图二

（3）设计联络会和设计交底应用

在本项目各次机组设计联络会上，通过三维模型展示电站的设备布置和土建结构尺寸，使参会各方都能直观的得到设备布置的准确信息，从而为设备布置的优化，解决问题最佳方案的发现创造了有利的条件。

设计交底为设计单位必须履行的一项义务，项目通过三维数字化模型向施工单位进行设计交底，克服了传统的采用多张平面图纸进行交底的缺陷，能够更好地表达设计意图，使参建各方对地下厂房形成直观的概念，强化了设计交底的效果，在很大程度上减少了现场施工中的返工处理，为工程的顺利施工起到了很好的推动作用。

3 数字化设计的突出作用

3.1 地质

三维数字化协同设计贯穿于仙居电站工程设计的全过程，先后完成多版适合于相应设计阶段的三维模型，并从模型中抽取超过90%的施工图，在提高产品质量和出图效率的同时，还在二维图件的输出、查询统计功能等上发挥巨大的作用。

3.2 枢纽建筑方案选择设计

（1）上库坝型选择

根据三维地形模型及地质条件，对坝型进行比较，主要分析坝下游区域的填筑坡比与分区设置，采用三维手段能够直观的反应地形情况，可快速切出剖面，大坝布置与两岸的结合及相对关系更直接。坝型比较轴视图如图10所示。

图10 上水库坝型比较轴视图

（2）厂房位置选择

仙居抽蓄地下厂房位于输水系统中偏尾部，厂房PD10探洞揭露地下厂房区地质构造、岩脉、节理裂隙均较发育，地下厂房主要洞室位置的选择受地质条件制约明显。由于断层、岩脉及节理分布密集，相互交错，采用传统的二维地质剖面限于剖面位置、数量等很难表达清楚，给地下厂房的位置选择带来困难。利用地质三维模型，能够清晰直观的表现出地下厂房区的地质构造分布，可以直接将地下厂房主要洞室摆放在合适的位置，如图11所示，不仅避开了影响较大的地质构造，同时还可以兼顾到输水建筑物如引水钢岔管、尾水混凝土岔管等的布置，工作效率显著提高。

图11 地下厂房位置比选图

3.3 厂房内部布置设计优化

三维数字化设计在工厂三维设计方面最主要的作用是厂房内部布置设计优化。本工程地下厂房内部布置复杂，布置各种机电设备，包括水泵水轮机、发电电动机、油水气系统、电缆桥架、电气盘柜、通风空调系统、消防系统、给水排水系统等，涉及多个专业。

传统的二维设计思路是：在一个总的厂房布置图（司令图）的引导下，各专业分头开展各自的设计。设计过程中，各专业往往不能实时了解其他相关专业的设计进展和设计成果，而是通过电话联系、当面讨论的方式来沟通，配合效率较低，设计周期长；此外，一个专业的设计完成后，在最终出图前，一般采用让其他专业会签图纸的方式来最终确定配合内容，会签周期长，往往一套综合性的图纸要会签1个月之久，严重影响出图的效率。此外，由于专业会签时，一般通过对比本专业的图纸来确认是否与本专业设备产生冲突，此外会签图纸往往是纸质的，无法同时与其它专业相互对比，导致有时会签出现失误，无法发现一些碰撞，降低了图纸的质量，增加了现场施工过程问题处理工作量。

采用三维数字化设计，各专业均在同一个设计平台上围绕同一个三维模型的不同内容分头开展设计，各专业的设计成果将实时汇总在一个总装三维模型中，其他专业设计时，可以通过调用总装三维模型或参考其设计内容来了解其他专业的设计进展和成果，从而主动避免与其他专业设备发生碰撞，在设计阶段即避免碰撞等问题。三维设计过程中，专业级和项目级的碰撞检查，可以通过技术手段发现和消除人工可能未发现的碰撞，优化了厂房内部布置方案，从而彻底避免专业间设备碰撞问题的发生，提高了设计的质量，也可减少了现场施工过程中返工处理工作量。例如，蜗壳层底板内埋管繁多，水机、电气、给排水、暖通各专业都有埋管，采用三维设计，最终使得复杂的管路交叉得到了合理的布置，未发生碰撞的现象。

三维设计平台的强大功能，例如协同设计、碰撞检查、三维校审等，与传统的资料提供、二维图纸对比等手段相比，更加直观、有效，大大提高了专业间设计配合的效率，使得厂房内部布置达到最优。全厂机电设备总装模型如图12所示。

3.4 提高设计联络会的效果

为了使设计单位和主机制造厂家能够更好的沟通，水电工程一般在技施阶段的设计过程中会组织3～4次设计联络会。由于本工程设备复杂，所以按主机合同规定，需召开1次预联会和4次设计联络会。

为了使设计联络会达到更好的效果，为各方讨论问题提供一个可视化的平台，经过批准，本工程项目组在联络会上展示电站三维模型，包括设备布置和土建结构尺寸，使参会各方都能够直观的得到设备布置的准确信息，从而为设备布置的优化，解决问题最佳方案的发现创造了有利的条件。例如，水轮机层推力外循环冷却器的优化布置、水轮机层发电机冷却水管路优化布置等均通过三维得到了很好的解决。

设计交底为设计单位必须履行的一项义务，通过设计交底，使得施工单位更好的了解设计的意图、施工的难点、注意事项等。传统的设计交底往往采用讲解二维图纸，图纸之间的关联性或整体性不强。本项目采用三维设计交底的形式，通过展示三维模型向施工单位进行设计交底，能够更好地表达设计的意图，使参建各方对地下厂房形成直观概念，从而强化了设计交底的效果。在一定程度上减少了现场施工中的返工处理，为工程的顺利施工起到了很好的推动作用。

在设备及管路安装过程中，通过向施工单位展示三维模型来表达设计要求，直接指导施工单位的现场施工，使得设计意图得到更好的落实。

图12 全厂机电设备总装模型

4 结语

通过仙居抽水蓄能电站开展工厂系统三维数字化设计，建立了三维数字化模型，抽取了各种施工所需的设计图纸，集成了设计、施工、运维等阶段的数据，极大地促进了设计质量和效率的提高、现场施工效率和质量的提高、现场

问题的处理等。目前，本目确定的技术成果已经在绩溪、金寨、厦门等后续抽水蓄能电站中得到应用，也在白鹤滩、苗尾等国内常规电站和松邦4等国外电站中得到了很好的应用。

仙居抽蓄通过开展三维设计，获得了业主的认可，为后续电站全生命周期领域的研究提供了有力的支撑。

此外，三维设计还延伸到民用、市政、轨道交通、水务等各个领域，在设计、施工、运维等各个阶段都得到了很好的运用。如绍兴地铁1号线BIM工程等智慧交通工程、深圳前海市政BIM工程等智慧城市工程、雄安数字化电网工程等智慧电网工程、贾鲁河水务等智慧水务工程。因此本项目的成果具有很大的推广应用前景，将为更多的项目产生技术和经济效益。

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