文｜王磊

三維數(shù)字化工廠設(shè)計系統(tǒng)，經(jīng)過多年的使用、磨合及二次開發(fā)，在發(fā)電設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，并在材料統(tǒng)計、電纜橋架設(shè)計、管道碰撞等方面均體現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計準確、直觀、高效的優(yōu)勢。

中國電力的發(fā)展速度是有目共睹的，我國建設(shè)的輸變電項目囊括了世界上最高電壓等級、最大輸送容量、最大工程投資，但目前還沒有用足夠先進的輸變電工程設(shè)計技術(shù)，來進一步提高設(shè)計質(zhì)量，優(yōu)化設(shè)計方案。為適應(yīng)國際大市場的競爭，對設(shè)計質(zhì)量、方案優(yōu)化、設(shè)計工期提出了更高的標準，傳統(tǒng)的二維設(shè)計越來越不能滿足現(xiàn)代電力市場對設(shè)計的要求。近年來，國家科技部大力推廣應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，一些業(yè)主在工程中也提出數(shù)字化設(shè)計的要求。

在我國發(fā)電廠的設(shè)計中，近年來已逐步推廣使用了三維數(shù)字化技術(shù)，并取得了很好的效果。三維數(shù)字化工廠設(shè)計系統(tǒng)，經(jīng)過多年的使用、磨合及二次開發(fā)，在發(fā)電設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，并在材料統(tǒng)計、電纜橋架設(shè)計、管道碰撞等方面均體現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計準確、直觀、高效的優(yōu)勢。

為了追趕國際先進水平，參與國際市場競爭，變電行業(yè)也要逐步轉(zhuǎn)向三維數(shù)字化設(shè)計，盡快與國際接軌。而在變電設(shè)計領(lǐng)域，由于變電設(shè)計的特殊性，在三維數(shù)字化設(shè)計軟件的運用上存在一些難以解決的困難，因此變電方面的三維數(shù)字化設(shè)計一直推進得比較緩慢，目前國內(nèi)變電三維數(shù)字化設(shè)計還沒有得到廣泛應(yīng)用。

隨著變電設(shè)計行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的二維設(shè)計技術(shù)越來越不能滿足工程建設(shè)對設(shè)計的要求，傳統(tǒng)的設(shè)計工作是從三維到二維，再從二維到三維，依靠工程師的空間想象力和基本制圖技能完成空間設(shè)計，帶有局限性和特殊性，在工程進度的約束下對詳細布置的經(jīng)濟性和優(yōu)化性缺乏控制，效率也比較低。

應(yīng)用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計可最大程度地降低或避免軟、硬碰撞的發(fā)生，確保工程的質(zhì)量和建設(shè)工期，提升設(shè)計管理能力。

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計

在換流站控制樓土建專業(yè)間采用相關(guān)軟件開展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計，可以使建筑、結(jié)構(gòu)、水工、暖通各專業(yè)及各設(shè)計人員在一個協(xié)同的環(huán)境下建立一個全信息、立體、可視、可多方位查看瀏覽的三維模型，設(shè)計人員容易方便地發(fā)現(xiàn)問題，再通過碰撞檢查工具的檢查，檢查出專業(yè)之間的碰撞，將設(shè)計中差、錯、碰、漏問題降至最低。

傳統(tǒng)的二維設(shè)計，各個專業(yè)、各個設(shè)計人員不能真正實現(xiàn)實時的溝通和協(xié)同工作，常常會出現(xiàn)一些差、錯、碰、漏問題，這些問題常會遺留到施工階段，在施工過程中才能發(fā)現(xiàn)，并通過變更設(shè)計來解決。設(shè)計變更過多，會造成返工，嚴重影響施工工期，并導致工程投資增加。

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計具有“并行設(shè)計”的特點，相比于傳統(tǒng)的“串行設(shè)計”模式，各設(shè)計人員不需要等到上游專業(yè)完全布置完一個區(qū)域后才能開展自己的工作，而是可以通過“參考”及“刷新參考”的方式及時的獲得上游專業(yè)的工作內(nèi)容，進行同步設(shè)計，縮短設(shè)計周期。例如在工程設(shè)計中，水工、暖通專業(yè)向土建專業(yè)提資后（包括設(shè)備基礎(chǔ)、水管、風管預(yù)留孔等），水工、暖通專業(yè)和建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)分別完成三維空間布置。當各專業(yè)三維布置結(jié)束后，設(shè)計人員將各自的設(shè)計文件參考到一個統(tǒng)一的坐標系內(nèi)進行校核工作。校核工作內(nèi)容包括：核實各設(shè)備基礎(chǔ)定位和設(shè)備定位是否符合、設(shè)備布置與房間布置是否匹配、建筑物內(nèi)部風管、水管與柱梁板是否碰撞等。

通過在一個統(tǒng)一的三維空間內(nèi)進行不同專業(yè)間的校核，設(shè)計人員很容易發(fā)現(xiàn)多專業(yè)布置不匹配的情況，從而進行有效的修改，可以高效的完成多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計。

除此之外，數(shù)字化協(xié)同設(shè)計還可利用設(shè)計軟件的碰撞檢查功能對數(shù)字化模型空間中的實體模型進行“硬碰撞”及“軟碰撞”檢查，存在碰撞的地方，系統(tǒng)將提供碰撞檢查列表，高亮顯示存在碰撞的位置，方便設(shè)計人員逐一確認并修改，從而徹底地解決碰撞問題。

通過三維數(shù)字化布置設(shè)計，可以對控制樓內(nèi)給排水管道和風管進行優(yōu)化布置，壓縮層高、減小建筑面積，節(jié)省工程投資，從而達到精細化設(shè)計的目的。

符合三維數(shù)字化設(shè)計的出圖方式

三維數(shù)字化設(shè)計的出圖方式區(qū)別于傳統(tǒng)二維設(shè)計方式，設(shè)計時直接對三維數(shù)字化模型進行布置，然后通過三維數(shù)字化模型根據(jù)工程需要任意的抽取軸測圖或者平、斷面圖。

數(shù)字化模型基于數(shù)據(jù)庫，抽取的圖紙將真實的反映出三維空間對應(yīng)的平斷面圖紙，避免了人為原因造成的錯誤。等幅面的一張三維數(shù)字化圖紙比一張二維圖紙可以反映出更多的信息。數(shù)字化設(shè)計出圖從數(shù)量和信息量上都較原有二維出圖方式有很大的提高，可以更清晰、更精確地指導施工，提高工作效率，縮短施工時間。

水工、暖通專業(yè)施工圖大部分為設(shè)備、給排水管道、風管的平斷面圖紙，而這些圖紙中“平面—斷面”、“斷面—斷面”間有著嚴格的邏輯匹配關(guān)系。傳統(tǒng)二維設(shè)計中，當布置發(fā)生調(diào)整時，可能發(fā)生部分平斷面圖紙發(fā)生漏改的情況。這種存在邏輯矛盾的圖紙到達施工現(xiàn)場時，可能造成施工困難或者錯誤。

三維施工圖基于三維布置，設(shè)計人員只需要專注于三維模型布置，當設(shè)備及基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)布置完成后，施工圖均從三維模型中抽取，從根本上保證各平斷面圖紙嚴格的邏輯一致。同時，當設(shè)備布局發(fā)生變化時，所有平斷面圖紙可以同步更新，不會發(fā)生遺漏或者矛盾的情況。一方面，三維施工圖抽圖將設(shè)計人員從各平斷面對應(yīng)的抽象思考方式中解放出來，使設(shè)計人員只需要專注于直觀的三維布置和校核；另一方面，三維施工圖很好的解決了平斷面圖紙的對應(yīng)性，并且做到了圖紙的同步修改、更新，縮短了方案修改時間，為工程的高效開展提供了保證。

對于施工單位，大量的斷面圖之間缺乏整體感，很難形成整體的概念，需要較長時間去熟悉圖紙。通過三維出圖，可以將較復雜的區(qū)域拆分為若干簡單的區(qū)域，再針對各區(qū)域給出相關(guān)的斷面圖及軸視圖。這種施工圖設(shè)置首先向施工人員建立了一個單體建筑整體的概念并形成了各區(qū)域的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使施工人員更方便、全面的了解圖紙，從而提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量。

設(shè)計成果的高效溝通

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的成果，可采用Bentley軟件直接用于三維仿真動畫，施工進度模擬及效果圖的制作，以展現(xiàn)整個工程的全貌。

數(shù)字化設(shè)計所建立的模型是設(shè)計人員創(chuàng)建的準確設(shè)計模型，所以以它為藍本制作的動畫或效果圖，能夠更加準確地反應(yīng)工程項目的實際情況。而且，對于一些簡單的展示效果或工程特定的細節(jié)，可以由設(shè)計人員自己利用三維數(shù)字化解決方案的內(nèi)置功能來減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能夠“原汁原味”的體現(xiàn)設(shè)計思想。

該模型可在工程建設(shè)的全過程及全壽命周期中進行“上下游”傳遞，使項目的干系人對工程有更直觀的了解并對工程更為“心中有數(shù)”。

三維仿真動畫的制作過程為，首先在三維建模的過程中對各種構(gòu)件的材質(zhì)進行選擇，并在軟件自帶的渲染引擎中通過相機、燈光、環(huán)境的設(shè)置生成效果圖，與此類似，通過相機、路徑、目標、制式的設(shè)置可生成一連串連續(xù)的畫面，最終形成一段漫游視頻。

施工進度模擬的過程為，將各階段三維模型設(shè)計完成，確定工程實體的施工安裝時間，即按照業(yè)主對于工程的施工進度要求，制定工程不同階段的時間表。將上述時間表與三維模型關(guān)聯(lián)，形成四維模型，即按照時間表中的不同時間鏈接相應(yīng)的三維模型，達到顯示的模型與現(xiàn)場進度相一致。

設(shè)備材料工程量精確統(tǒng)計

在數(shù)字化設(shè)計中，數(shù)字化模型不僅提供設(shè)備的外形信息，而且被賦予了如“設(shè)備名稱”、“產(chǎn)品型號”、“生產(chǎn)廠家”等信息。當設(shè)備布置完成后，可以通過相關(guān)軟件自動統(tǒng)計功能對設(shè)備材料進行精確統(tǒng)計，并自動生成設(shè)備材料清冊。

設(shè)備的數(shù)量與數(shù)字化模型空間的數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，設(shè)計人員在數(shù)字化模型空間中增加或者減少設(shè)備，設(shè)備材料表也會相應(yīng)修改，做到設(shè)備材料清冊始終與數(shù)字化模型一致。保證了設(shè)備材料表的準確性和即時性。

數(shù)字化模型建立之后，根據(jù)設(shè)計方案，設(shè)備材料報表及各種工程量表可以自動生成。

目前，變電設(shè)計行業(yè)的各個設(shè)計單位均在摸索并尋找一款適合變電設(shè)計要求的單體建筑的三維數(shù)字化設(shè)計方法，但均未進行大范圍的推廣及應(yīng)用。換流站單體建筑土建相關(guān)專業(yè)采用的三維數(shù)字化設(shè)計方法具有以下優(yōu)點：一是符合變電設(shè)計行業(yè)的設(shè)計習慣及流程；二是三維建模過程簡單、高效；三是可覆蓋土建設(shè)計全專業(yè)；四是可進行專業(yè)間協(xié)同設(shè)計及異地協(xié)同設(shè)計；五是可根據(jù)不同階段三維數(shù)字化設(shè)計要求方便的進行開發(fā)定制；六是可方便的將變電設(shè)計中常用的標準化模塊集成至數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)中；七是具有嚴格有效的設(shè)計過程及文檔管理。

具體應(yīng)用情況

以裕隆±800kV換流主控樓三維數(shù)字化設(shè)計為例。建筑設(shè)計采用三維數(shù)字化設(shè)計手段，可直接根據(jù)換流站各個建筑物空間需要，從三維構(gòu)思到三維模型，使設(shè)計變得更加直接，減少了從空間想象到二維平面表達再由二維平面表達到空間想象的繁瑣的思維轉(zhuǎn)譯過程，同時能夠進行體積面積的材料統(tǒng)計，以提供相關(guān)數(shù)據(jù)給預(yù)算部門。

建筑物設(shè)計牽涉專業(yè)多，設(shè)計經(jīng)常需要修改，往往一個專業(yè)修改后未通知其它專業(yè)，導致梁柱與門窗沖突、梁柱與水工暖通管道沖突。建筑物設(shè)計采用三維數(shù)字化設(shè)計手段，實時查看結(jié)構(gòu)與建筑及工藝專業(yè)的配合情況，減少設(shè)計差錯，并且還可由三維模型直接剖切生成結(jié)構(gòu)布置圖。

水工專業(yè)采用三維數(shù)字化設(shè)計手段可進行建筑物消防給水系統(tǒng)、生活給水系統(tǒng)、工業(yè)給水系統(tǒng)、生活排水系統(tǒng)的設(shè)計，直接在三維空間中進行布置，確保管道及設(shè)備布置的合理性、美觀性，避免與柱梁板間發(fā)生碰撞。

根據(jù)三維模型布置通風空調(diào)系統(tǒng)，可以避免風管、出風口等設(shè)備與樓內(nèi)柱梁板之間的碰撞，還可根據(jù)柱梁的實際高度優(yōu)化風管截面尺寸，壓縮層高。

在工程初始階段，采用三維數(shù)字化設(shè)計手段對閥冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成方式及布置方式進行方案（包括ABB方案、西門子方案）比選，根據(jù)站區(qū)布置的實際情況選擇最優(yōu)方案，優(yōu)化主控樓面積及閥冷卻系統(tǒng)布置方式。

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的成果，能夠直接用于三維仿真動畫、施工進度模擬及效果圖的制作，以展現(xiàn)整個工程的全貌。數(shù)字化設(shè)計所建立的模型是設(shè)計人員創(chuàng)建的準確設(shè)計模型，所以以它為藍本制作的動畫或效果圖，能夠更加準確地反應(yīng)工程項目的實際情況。而且，對于一些簡單的展示效果或工程特定的細節(jié)，可以由設(shè)計人員自己利用三維數(shù)字化解決方案的內(nèi)置功能來減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能夠原汁原味的體現(xiàn)設(shè)計思想。

主控樓效果圖

主控樓效果圖

主控室效果圖

對于施工單位來說，大量的平斷面圖之間缺乏整體感，很難形成整體的概念，需要較長時間去熟悉圖紙。在施工圖各分冊中增加三維軸視圖，給施工單位一個直觀的整體印象，方便理解各張平剖面圖。

主控樓建筑軸視圖

主控樓暖通設(shè)備及管道軸視圖

三維數(shù)字化設(shè)計需要解決的問題

各專業(yè)軟件與三維數(shù)字化設(shè)計平臺的集成。三維數(shù)字化設(shè)計的核心是數(shù)據(jù)，而常規(guī)設(shè)計的目標卻是圖紙，將常規(guī)設(shè)計過程簡單的在三維數(shù)字化平臺上再現(xiàn)顯然是不合適的。前階段更多的是探索，嘗試如何在三維數(shù)字化平臺上實現(xiàn)常規(guī)設(shè)計過程。隨著應(yīng)用的深入，應(yīng)該研究更適合數(shù)字化設(shè)計的設(shè)計過程及設(shè)計成果，讓數(shù)據(jù)貫通整個工程全過程，將設(shè)計、采購、施工通過數(shù)據(jù)有機地串成整體，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的大流轉(zhuǎn)。對設(shè)計而言，還要逐個實現(xiàn)各專業(yè)間數(shù)據(jù)貫通，平臺與專業(yè)軟件之間數(shù)據(jù)貫通，另外也要研究建立一整套合適的數(shù)字化設(shè)計管理體系及如何以全新的方式提交或移交設(shè)計成果。

將Bentley三維數(shù)字化設(shè)計平臺進一步打造成為變電設(shè)計解決方案的一個集成系統(tǒng)，并結(jié)合文檔管理的功能為企業(yè)定制一個協(xié)同工作空間環(huán)境（Workspace），這樣企業(yè)參與的人員，無論在何時何地，工作環(huán)境都是一樣的。

作為一個三維數(shù)字化設(shè)計及移交的集成系統(tǒng)，應(yīng)該有一套完整地解決方案，如從集成系統(tǒng)安裝，到協(xié)同環(huán)境的配置，到每個專業(yè)軟件針對企業(yè)標準的基本定制，有一個全面的安裝和操作說明書。提高設(shè)計效率應(yīng)該是引入數(shù)字化設(shè)計手段的目標之一。而提高設(shè)計效率要從一些細節(jié)入手，比如統(tǒng)一設(shè)置種子文件，讓設(shè)計人員在一個統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境中工作，有助于設(shè)計標準化。還應(yīng)該統(tǒng)一建立及管理標準圖框、使用的字體、字形，各專業(yè)圖紙表達的圖層定義、線性線寬，出圖基本定制等，使出圖更規(guī)范。