三维协同设计在乌沙河泵闸枢纽工程中的应用

■ 江西省水利规划设计研究院 丁维馨

三维协同技术在国外起步较早，主要应用于机械、电子、石油等制造行业，20世纪80年代后被引入国内，电力、石油等行业工厂化设计率先应用此类技术[1]，水利水电基础行业应用起步于2000年左右[2]。由于水利水电工程设计涉及的边界条件复杂多样化，无法形成标准工厂化流程设计，大大增加了其三维设计的难度。

三维设计技术能够根据当前工程的实际情况，更为直观、完善地展示设计师对于工程设计的理念。设计人员利用现代三维技术，能够在计算机上准确地表现三维实体造型，同时生成相应的二维工程图，在清楚、准确地反映设计者意图的同时，也对后续施工中的各项工作起到了很好的支持作用，并且能在施工过程中，根据实际反馈情况方便、快速地调整模型[3]。通过三维协同设计技术制作的工程三维模型更便于工程建模，同时在调整工程方案时能够更加快速、灵活，这样既减少了设计中出现的错误，有效避免了由于设计失误导致的返工问题，同时又节省了设计时间，从而有效地提高工程设计效率和设计质量[4]。

相对于传统的二维设计，三维协同设计带来的是一种全新的设计模式和协同状态。要想实现设计手段更新、设计流程再造，建立起一套完整的三维协同设计软件平台，则需要有一个科学、合理、完善的解决方案，具备强大的技术支持和应用实施团队，以及一个具有创新精神和很强执行力的企业应用环境[5]。基于此，本文结合三维协同设计在江西省水利规划设计研究院中的实践，分析其应用理念和管理实施架构，并以乌沙河泵闸枢纽项目为例，对三维协同设计的具体应用进行分析与探讨。

平台选用及工作开展

江西省水利规划设计研究院（以下简称“江西院”）根据行业发展趋势及市场需求于2014年引进三维协同设计。在基于“一个平台、一个模型、一个数据架构”的三维协同设计应用解决方案及配套的平台基础上，通过比较国内水利水电设计行业应用情况，最终选定Bentley平台作为江西院三维设计开展平台。2016年，江西院选取乌沙河泵闸枢纽作为试点，尝试使用三维协同设计代替常规二维设计，取得了良好的效果。

具体应用

项目背景

乌沙河泵站设计排涝流量319m3/s，泵站规模为大⑴型，等别为Ⅰ等。采用7台3700ZGQ46.0-3.13型竖井贯流泵、单机容量2500kw，总装机容量17500kw。

应用环境的建立

封闭集中并成立项目组。为了确保三维工程设计人员在设计过程中能够专心一致、静心做好协同设计，同时减少开展过程中学习、交流所带来的误差，保证设计团队的积极性及设计效率和设计质量，江西院成立协同设计项目组，并进行短期封闭集中办公，以确保工程设计中的软件使用心得及方案优化所需的大量讨论和交流能够及时进行，有利于培养良好的三维协同设计习惯，从而快速提高团队协同设计能力。

建立协同工作环境。基于Bentley ProjectWise协同管理平台，对三维设计流程进行管理，根据专业设置，设定不同的软件应用环境配置，并对设计人员进行权限分配，保证整个设计文件的安全性。在工作环境搭建过程中，注意区分专业软件的环境配置以及通用平台软件的环境配置，确保各专业应用环境不发生冲突，如电气专业与水工专业因专业软件使用不同，其对象和构件属性相差较大，故工作空间环境配置应根据专业文件夹进行区分。而常规的平台应用环境，如文字样式、标注样式、批打印等，则可对应整个项目进行配置。

结合实例完善流程

乌沙河泵闸枢纽三维地质图

乌沙河泵闸枢纽建筑及给排水模型

根据确定的项目设计目标及工程自身特点进行项目分解，利用已经配置完成的各专业工作环境，建立各专业的三维模型，组装后根据碰撞检查结果修改完善模型，并进行相关三维、二维图纸抽取，工程量统计以及漫游动画。在项目开展过程中，引进华东勘测设计研究院有限公司HydroStation平台解决方案，对测量、地质、电气以及三维配筋进行深入挖掘，确保三维设计成果替代常规二维成果应用于施工。通过乌沙河泵闸枢纽项目具体实践，进一步对设计流程补充完善，具体包括：（1）建立项目三维数字地面模型，并叠加高清卫星影像；（2）根据钻孔资料，建立工程区三维地质模型；（3）建立工程项目的建筑物模型（泵房、水闸、管理房等），以及对应的场地开挖模型；（4）建立对应的设备模型（水机管路、开关站、电缆桥架、给排水、金属闸门等）；（5）根据需要抽取生成相应的二维结构图及三维示意图；（6）对实体结构混凝土进行三维配筋，并生成常规钢筋图及材料表；（7）后期三维漫游动画及效果图制作。

该项目是江西院开展三维协同设计参与专业最广、模型精度最深的一次应用，涵盖了地质、水工、建筑、结构、给排水、电气、水机等专业的三维信息模型，对模型进行碰撞检查、大体积混凝土三维配筋及后续各专业抽图等，并在此基础上生成了可视化三维汇报系统。

项目开展过程中，各专业利用设计信息三维模型，通过剖切抽图等技术手段，生成常规的二维图纸，并对结构混凝土进行三维配筋，剖切抽图生成常规钢筋图及材料表，大大提高了工作效率。

体会与展望

项目总结体会

回顾乌沙河泵闸枢纽项目三维协同设计工作历程，将其实施经验总结如下：

一是封闭集中办公（含培训），可以确保工程设计中的软件使用心得及方案优化所需的大量讨论和交流能够及时进行，同时减少外界干扰；

二是设计效率的提升，不仅来自于三维设计本身，还有专业技术知识的沉淀（避免低级错误）、标准化工作环境设置以及良好的三维设计习惯共同作用的结果，尤其是工作环境的配置在后期抽图出图过程显得尤为重要；

三是重视专业软件的功能，切勿直接利用基础平台的基本功能去做专业的三维协同设计，忽视一些专业的元件库、管道建模等，这对设计人员来说是完成正常设计任务之外的一个非常繁重、额外的负担；

四是精确建模的必要性，尤其是在后期三维配筋过程中，钢筋全部是基于面或者线偏移，模型的不精确会导致钢筋根数和型号与常规的二维钢筋图差别较大，不利于校审人员接受；

五是三维设计质量管理体系的必要性。真正把三维协同设计转化为设计成果，还需要有一整套与之相适应的技术、质量和管理体系，方便校审人员从原则上把握，避免出现三维出图后取消关联性，将其纯粹当做常规二维图去处理。

展望

为了完成三维协同设计，模型建立完成后，如何将设计模型信息应用到工程建造过程中，并发挥其价值，是国内设计单位一直积极探索的课题。结合行业发展趋势，后期可在以下几个方面继续进行应用探索和研究[6]-[7]。

乌沙河泵闸枢纽电气专业开关站三维布置图

乌沙河泵闸枢纽厂区及附属景观布置模型

一是构建虚拟仿真演示系统。通过引进大型专业三维可视化、实时三维动画等类型互动内容的虚拟现实的综合游戏开发工具，如果能在大型水利工程施工中很好地利用虚拟现实技术，构建虚拟仿真系统，并通过仿真系统与全生命周期管理相结合，最终形成一个全面的、信息丰富的工程数据中心和三维可视化信息管理及展示系统。通过构建虚拟仿真演示系统，可以向业主全面展示设计成果，业主单位也可以通过该系统完成相关的管理、职工培训等其他展示活动。

二是构建三维可视化监测系统。通过集成三维可视化成果及安全监测系统的基础上，引入虚拟现实技术，从实时监测数据库中读取数据，取得相应的监测数据及相关过程线，再通过二维、三维联动技术以及虚拟场景的快速定位，使用户能够更加直观形象地检查检测数据，更直观地感受该检测仪器的空间位置。通过构建三维可视化监测系统，有利于提高大型水利枢纽的后期运行维护水平、优化整个信息检索流程，能够更好地适应现代化水利枢纽管理的需求。

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、先进直观的设计手段、高度共享的知识管理模式冲击着工程设计行业，为设计、业主、施工提供了更好的沟通交流平台，也为工程的数字化发展奠定了技术基础。毫无疑问，三维设计有利于提高在工程的方案优化必选、工程量统计、剖切出图（含钢筋图）等方面的生产效率。若三维设计成果仅用于设计出图，只是完成其在设计行业的价值。下一步要将三维设计紧密结合工程全生命周期运作，打造工程数字信息一体化模型，为施工单位和业主单位提供更多管理手段，同时为工程全生命周期管理提供信息支撑及技术服务。