水利水電工程三維協(xié)同設(shè)計研究

李秀慧付艷林魏云潔

（河南省豫北水利勘測設(shè)計院，河南安陽455000）

三維協(xié)同設(shè)計是對傳統(tǒng)二維設(shè)計理念的深化與創(chuàng)新，特別在圖形技術(shù)、信息技術(shù)的支撐下，三維協(xié)同設(shè)計為工程設(shè)計領(lǐng)域注入了新的發(fā)展模式。本文將從國內(nèi)外三維設(shè)計工程資料收集中，針對水利水電工程項(xiàng)目設(shè)計實(shí)際，來闡述三維協(xié)同設(shè)計的理念、方法，并就行業(yè)應(yīng)用提出展望。

三維協(xié)同設(shè)計； 水利水電工程； 工作方法； 行業(yè)發(fā)展

傳統(tǒng)工程設(shè)計領(lǐng)域中，多是從手工繪圖方式入手，后期利用計算機(jī)來輔助繪圖來完成平面效果展示。由于技術(shù)的局限、傳統(tǒng)二維設(shè)計多停留在可想而不可見階段，而對于三維建筑工程構(gòu)思來說，其邏輯關(guān)系及總體布局需要通過轉(zhuǎn)換成二維平面圖紙才能使用，期間費(fèi)時耗力，還難以實(shí)現(xiàn)對原始設(shè)計意圖的完全表達(dá)。在現(xiàn)代信息技術(shù)，尤其是數(shù)據(jù)庫技術(shù)的支撐下，基于三維仿真設(shè)計技術(shù)，能夠從可視化效果中對建筑工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確、全面、真實(shí)的呈現(xiàn)，從而為水利水電工程項(xiàng)目設(shè)計帶來巨大發(fā)展。

1　三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)越性

三維協(xié)同設(shè)計是基于三維構(gòu)圖模式，設(shè)計師從人腦思維模式上來完成工程項(xiàng)目設(shè)計的整體性和連貫性，避免二維設(shè)計中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的繁瑣。在三維協(xié)同設(shè)計中，通過可視化界面，利用各類設(shè)計元素來反映地質(zhì)、地形、水文、施工條件及結(jié)構(gòu)布置，滿足建模設(shè)計可視化、分析過程可視化、成果展示可視化等特點(diǎn)，突破了二維設(shè)計的技術(shù)瓶頸和缺陷，更具有應(yīng)用優(yōu)越性。

1.1有助于提升水電工程設(shè)計質(zhì)量

借助于三維設(shè)計環(huán)境，設(shè)計師可以直接從三維空間上來對水電工程項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計和布置，突破了傳統(tǒng)手工繪圖、計算機(jī)輔助繪圖帶來的二維平面轉(zhuǎn)換問題，也更能夠從三維視角來表現(xiàn)工程的整體創(chuàng)意，多角度、多專業(yè)的進(jìn)行工程模型審視與平衡，優(yōu)化設(shè)計方案。如借助于模型校驗(yàn)技術(shù)來降低設(shè)計上的錯、漏問題，借助于碰撞檢查來減少碰、卻現(xiàn)象，特別是從三維空間結(jié)構(gòu)上，來準(zhǔn)確反映各建筑構(gòu)件間的空間關(guān)系，模型中的數(shù)據(jù)信息直接就是真實(shí)的建設(shè)數(shù)據(jù)，保證了工程設(shè)計的準(zhǔn)確性，提升了工程設(shè)計質(zhì)量。

1.2有助于提升工程設(shè)計效率

從水利水電工程項(xiàng)目設(shè)計周期來看，設(shè)計階段在整個項(xiàng)目周期占比較大，也是影響工程設(shè)計效率的重要內(nèi)容。特別是在傳統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中，二維空間設(shè)計在設(shè)計質(zhì)量及耗時費(fèi)力上代價較大，而三維設(shè)計可以在同一平臺上滿足對不同工程領(lǐng)域的不同設(shè)計，并且能夠從專業(yè)融合上實(shí)現(xiàn)深度協(xié)同，及早發(fā)現(xiàn)可能存在的潛在問題，反饋給設(shè)計上下游及其他設(shè)計人員，降低出錯率，提升設(shè)計效率。

1.3有助于完善建筑工程結(jié)構(gòu)模型

在水利水電工程設(shè)計中，對于建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題通常需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計算，在傳統(tǒng)二維設(shè)計中是難以實(shí)現(xiàn)的。而三維設(shè)計模型，可以從結(jié)構(gòu)分析計算上，為設(shè)計提供參考模型，如法國的CATIA設(shè)計系統(tǒng)，內(nèi)置仿真設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)分析模塊，為設(shè)計師提供自動化校驗(yàn)解決方案；同時，在CATIA系統(tǒng)中，利用網(wǎng)格規(guī)劃和有限元分析，能夠?qū)崿F(xiàn)三維模型結(jié)構(gòu)變化時，無需重建模型，其他結(jié)構(gòu)跟著更新，縮短了建模時間；另外，還可以通過三維模型進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移等計算，對于復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)，可以通過有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

1.4有助于實(shí)現(xiàn)工程模型的可視化

三維協(xié)同設(shè)計能夠利用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目模型的可視化，設(shè)計師可以從水利水電工程建設(shè)全過程來進(jìn)行模擬和展示，并對工程項(xiàng)目建成后的效果進(jìn)行展示，便于獲得業(yè)主的視覺感受，提升方案中標(biāo)率。

2　三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)是利用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過仿真軟件來呈現(xiàn)可視化結(jié)果。在水電工程設(shè)計領(lǐng)域主要有法國的CATIA軟件、美國的AutoCAD軟件和MicroStation軟件。三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)在構(gòu)成上主要包括四部分。

2.1系統(tǒng)骨架及驅(qū)動模型

骨架是三維系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，也是對某一數(shù)字幾何量進(jìn)行三維模型拓?fù)涮匦赞D(zhuǎn)換的特殊處理方法，用以呈現(xiàn)三維工程各要件的可視化圖形，以圖（Grahp）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式來進(jìn)行存儲和運(yùn)算。從三維設(shè)計理論來看，對于骨架在組織上以多級樹結(jié)構(gòu)來表示，如總骨架、子骨架，以及下級子骨架等，從而構(gòu)成工程三維模型中的各個構(gòu)件單元。如頂層基本骨架為工程設(shè)計的總骨架、其他單元骨架及零部件骨架。在三維設(shè)計思路上，以自頂向下的設(shè)計方法，從工程項(xiàng)目總體設(shè)計結(jié)構(gòu)入手，逐漸拓寬和豐富三維立體模型的各部分空間結(jié)構(gòu)和形狀。如大壩工程首先有基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面，再有構(gòu)筑物的輪廓線、輪廓面等，并從空間關(guān)系、界面屬性等方面來進(jìn)行協(xié)同，滿足對工程某項(xiàng)構(gòu)件設(shè)計變更時，只需要對頂層設(shè)計控制參數(shù)進(jìn)行修改，整個工程模型自動糾錯適應(yīng)。

2.2參數(shù)化設(shè)計模式

從三維協(xié)同設(shè)計軟件實(shí)現(xiàn)方法上，參數(shù)化設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心。設(shè)計師需要就工程項(xiàng)目草圖中的幾何尺寸、位置信息進(jìn)行標(biāo)注，并從參數(shù)化變量中對這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即可對三維模型進(jìn)行尺寸、形狀上的修改，滿足其他關(guān)聯(lián)部件進(jìn)行同步，提升了工程設(shè)計的柔性和工作效率。

2.3模板化設(shè)計理念

模板化設(shè)計是三維協(xié)同設(shè)計的重要思想，也是實(shí)現(xiàn)三維模型仿真顯示的重要技術(shù)。在水電工程設(shè)計中，由于很多構(gòu)件具有典型性，如擋土墻，板、柱、梁、樓梯等，其使用頻率較高，如果每次進(jìn)行建模，比較費(fèi)時。采用模板化設(shè)計，對一些定型構(gòu)件做成設(shè)計模板，在設(shè)計中可以多次重復(fù)調(diào)用，以節(jié)省設(shè)計時間，提升設(shè)計效率。另外，對于模板化設(shè)計、參數(shù)化配置技術(shù)，兩者在融合中也可以通過軟件工具來實(shí)現(xiàn)協(xié)同。

2.4協(xié)同化設(shè)計

對于水利水電工程項(xiàng)目設(shè)計來說，由于涉及到多個工程專業(yè)，在不同設(shè)計階段又需要開展設(shè)計協(xié)同優(yōu)化，設(shè)計師需要針對設(shè)計模型就設(shè)計信息進(jìn)行修改和整合，特別是在某些復(fù)雜的工程細(xì)節(jié)上，三維設(shè)計的深度協(xié)同將能夠從同一環(huán)境下的在線設(shè)計，滿足數(shù)據(jù)的同步且唯一，簡化設(shè)計流程，實(shí)現(xiàn)了跨專業(yè)、不同部位的多頭協(xié)同，提升了軟件的適應(yīng)性。

3　三維協(xié)同設(shè)計在水利水電行業(yè)的應(yīng)用前景

從三維協(xié)同設(shè)計在水利水電工程項(xiàng)目設(shè)計中的應(yīng)用來看，我國雖然早些年前就已經(jīng)開始引進(jìn)和應(yīng)用，但多集中在大型設(shè)計院，在技術(shù)研究、系統(tǒng)培訓(xùn)及產(chǎn)學(xué)研融合中來逐步推進(jìn)。據(jù)統(tǒng)計，通過三維協(xié)同設(shè)計軟件來進(jìn)行設(shè)計，工程圖紙一次性校驗(yàn)審定通過率達(dá)到90%，差錯率減少了80%，與傳統(tǒng)設(shè)計相比提升了42%以上的設(shè)計效率，比傳統(tǒng)設(shè)計周期縮短30%時間。從當(dāng)前國家行業(yè)層面來看，我國已經(jīng)著手三維協(xié)同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的制定，并從行業(yè)三維模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)，以及三維模型平臺建設(shè)等方面進(jìn)行開發(fā)，截止2015年上半年，已有20多家各級水利水電勘測設(shè)計單位使用了三維設(shè)計軟件，而三維協(xié)同設(shè)計將成為未來水電工程設(shè)計的新主流。三維協(xié)同設(shè)計在行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，三維模型結(jié)構(gòu)及模型數(shù)據(jù)開發(fā)必然成為主要趨勢。

3.1數(shù)字化設(shè)計與工程施工一體化

從當(dāng)前三維協(xié)同設(shè)計開發(fā)實(shí)踐來看，計算機(jī)虛擬設(shè)計技術(shù)與數(shù)字化工程數(shù)據(jù)的融合，必然需要將設(shè)計與現(xiàn)場施工進(jìn)行統(tǒng)合，體現(xiàn)行業(yè)特色。如充分利用水利水電工程三維模型信息，來構(gòu)建多種應(yīng)用的數(shù)字化設(shè)計模型，滿足可視化要求；在設(shè)計理念及方法上，利用數(shù)字整體移交技術(shù)，將工程現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)與現(xiàn)場管理融入到三維模型中，以增強(qiáng)軟件設(shè)計的附加值。如利用CATIA/SimuPower平臺，來完成工程現(xiàn)場施工組織與設(shè)計的可視化，并結(jié)合現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)來呈現(xiàn)實(shí)際施工面貌，預(yù)測未來一個月、一年后的三維施工狀態(tài)，從而優(yōu)化施工組織方案，推進(jìn)三維設(shè)計對遠(yuǎn)程施工管理的指導(dǎo)。

3.2數(shù)字化設(shè)計與全周期管理一體化

全周期管理是項(xiàng)目管理中的一種理念，也是從項(xiàng)目的可行性分析到項(xiàng)目運(yùn)行、直至項(xiàng)目完成整個過程中各項(xiàng)管理工作的一體化管理方法。借助于三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)，從水利水電工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)入手來構(gòu)建虛擬的項(xiàng)目模型，逐步構(gòu)建以設(shè)計、采購、施工、運(yùn)行管理等業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目全數(shù)字化虛擬資產(chǎn)的整體移交，為工程全生命周期管理提供技術(shù)參考服務(wù)。三維協(xié)同設(shè)計思想及數(shù)字化設(shè)計、全過程生命周期管理的一體化整合，將成為未來推進(jìn)水利水電工程建設(shè)的新的變革方向。

4　結(jié)語

三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢，在當(dāng)前水利水電工程設(shè)計中也逐漸成為主流趨勢，特別是對于水利水電勘測設(shè)計單位來說，三維協(xié)同設(shè)計理念將有助于推進(jìn)設(shè)計領(lǐng)域管理創(chuàng)新，提升設(shè)計企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，增強(qiáng)設(shè)計企業(yè)核心競爭力。為此，積極從水利水電行業(yè)發(fā)展實(shí)際與三維協(xié)同設(shè)計技術(shù)的融合中，加強(qiáng)技術(shù)、人才培養(yǎng)和引進(jìn)，為水利水電工程設(shè)計提供完善的、先進(jìn)的解決方案。

［1］ 王國光，徐震，單治鋼.地質(zhì)三維勘察設(shè)計系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.水力發(fā)電.2014（08）.

［2］ 陳亞軍.三維協(xié)同設(shè)計在水利水電工程設(shè)計中的應(yīng)用［J］.中國建設(shè)信息.2013（18）.

李秀慧（1981.10-），女 ，大學(xué)本科，工程師，研究方向:水利水電工程設(shè)計。

TP391.7

A

1003-5168（2015）11-047-02