文｜杜曉巍

在工程設(shè)計行業(yè)內(nèi)，從歷史發(fā)展來看，設(shè)計手段實現(xiàn)了兩次大的變革。一是上世紀九十年代中期，隨著計算機技術(shù)的普及，原始的人工手繪設(shè)計逐漸發(fā)展為在計算機上進行二維設(shè)計；二是隨著計算機硬件及軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，二維設(shè)計逐漸被三維設(shè)計及自動化出圖所取代。

隨著信息化時代的到來，電力行業(yè)已經(jīng)步入三維設(shè)計階段，但是電力土建專業(yè)的三維設(shè)計水平卻滯后于工藝專業(yè)。在大力發(fā)展信息化的時代背景下，數(shù)字化電廠的概念逐漸進入工程設(shè)計的領(lǐng)域內(nèi)。數(shù)字化電廠是采用數(shù)據(jù)庫的形式對物理電廠進行客觀的反應(yīng)，并應(yīng)覆蓋電廠的整個生命周期。因此單獨的三維設(shè)計已遠遠不能滿足數(shù)字化電廠的要求，而作為信息化電廠載體的三維模型則成為更多信息的綜合體，并非三維設(shè)計初級階段的可視化模型。

信息化時代下，電力行業(yè)土建專業(yè)需要在實現(xiàn)三維協(xié)同設(shè)計的同時，充分利用三維模型實現(xiàn)工程信息在電力工程中的傳遞，讓三維模型獲取更多的信息，并將三維模型信息應(yīng)用于設(shè)計、建造、運營的各個階段，充分延續(xù)三維模型的“生命力”。

電力土建專業(yè)三維設(shè)計現(xiàn)狀

目前國內(nèi)電力工程設(shè)計行業(yè)已經(jīng)步入了三維設(shè)計的進程中，電力行業(yè)中工藝專業(yè)已經(jīng)開始在不同的三維設(shè)計平臺中進行系統(tǒng)設(shè)計及布置設(shè)計，基本上在三維平臺中可以實現(xiàn)管道的數(shù)字化布置及出圖，最終能夠?qū)崿F(xiàn)整體工藝設(shè)計的數(shù)字化移交。

土建專業(yè)在電廠設(shè)計中與工藝專業(yè)關(guān)系非常緊密，土建專業(yè)在電廠設(shè)計中服務(wù)于工藝，而工藝設(shè)備又依附于土建，二者相互支持又相互制約。由于種種自身及外部條件的制約，土建專業(yè)在電廠數(shù)字化設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)遠遠滯后與工藝專業(yè)，并且在整個電力工程領(lǐng)域信息化設(shè)計中也比較滯后。

根據(jù)目前電力行業(yè)中的土建專業(yè)的設(shè)計現(xiàn)狀，土建三維協(xié)同設(shè)計大體分為兩類狀況。

第一類，由于上游工藝專業(yè)三維設(shè)計平臺自身的條件約束，土建專業(yè)在工藝專業(yè)設(shè)計平臺中建立的三維模型只能實現(xiàn)空間的占位，用于工藝專業(yè)的管道布置及設(shè)計；其結(jié)構(gòu)自身的信息（如結(jié)構(gòu)配筋、混凝土強度等）無法在模型中集成，結(jié)構(gòu)模型無法導(dǎo)出至結(jié)構(gòu)計算軟件中進行結(jié)構(gòu)計算，并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的出圖。在這種模式中，設(shè)計人員需要在工藝專業(yè)三維設(shè)計平臺中建模，同時需要在結(jié)構(gòu)計算軟件中建模，并根據(jù)布置模型及計算模型的結(jié)果在二維平臺中（AUTOCAD）繪制成品施工圖。施工完成后設(shè)計人員需要對工藝專業(yè)三維設(shè)計平臺中的土建模型進行更新。

從以上表述中不難發(fā)現(xiàn)：在這種模式下，土建專業(yè)設(shè)計人員實際上在工程設(shè)計中建立了三個三維模型，分別是用于工藝檢碰土建布置模型、用于土建自身計算用三維計算模型、土建自身出圖用出圖模型。三種模型在不同的設(shè)計階段分別建立，并且相互較為獨立，沒有實現(xiàn)信息的關(guān)聯(lián)與共用，大大降低了土建設(shè)計人員的工作效率及模型的利用效率。因此，可以將這種三維模型稱為：全獨立無關(guān)聯(lián)模型。

第二類，由于結(jié)構(gòu)自身計算軟件的條件約束，土建專業(yè)需要在工藝專業(yè)設(shè)計平臺中建立的三維模型，該模型可以導(dǎo)入到土建的計算軟件中用于土建計算（會伴隨一些信息的缺失）。土建專業(yè)計算完成后，計算模型的修改無法導(dǎo)回至工藝專業(yè)設(shè)計平臺中，無法實現(xiàn)模型的自動更新，需要在工藝設(shè)計平臺中人工更新三維模型。土建專業(yè)出圖可以在工藝專業(yè)設(shè)計平臺中實現(xiàn)，但是僅僅局限于結(jié)構(gòu)桿件的布置信息，無法完全實現(xiàn)集成結(jié)構(gòu)全部信息，如結(jié)構(gòu)混凝土桿件配筋信息等。根據(jù)以上表述，我們不難看出這種情況，土建設(shè)計人員所建立的三維模型利用率有所提高，但是土建三維模型信息化程度不高，信息流動性屬于單向流動，無法完成信息模型的雙向流動?？梢詫⑦@種三維模型稱為：半獨立三維模型。

目前土建專業(yè)的三維設(shè)計水平較工藝專業(yè)有所滯后，土建專業(yè)三維模型的利用率不高，信息化程度較低。因此，如何擺脫土建三維設(shè)計的落后現(xiàn)狀，在土建專業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計，是急待解決的問題。

電力土建專業(yè)三維設(shè)計發(fā)展方向

通過對電力行業(yè)三維設(shè)計現(xiàn)狀的分析可以看出，目前電力行業(yè)內(nèi)部使用較多的PDMS、PDS等主流軟件，其主要功能是為了滿足工藝專業(yè)的管道布置設(shè)計，由于設(shè)計側(cè)重點不同，所以用于服務(wù)工藝專業(yè)的土建模型信息往往會被淡化，造成在工藝設(shè)計平臺中的土建模型僅僅成為工藝專業(yè)管道檢碰的工具，與土建設(shè)計有關(guān)的信息不能充分進行利用和發(fā)揮。

經(jīng)過各電力設(shè)計單位多年的探索，行業(yè)內(nèi)也提出并進行了基于工藝設(shè)計平臺的二次開發(fā)。通過開發(fā)接口，讓其中的土建三維布置模型與土建三維計算模型間進行數(shù)據(jù)的互導(dǎo)，實現(xiàn)信息的交互。但是幾年來的實踐表明，這種設(shè)計思路往往由于工藝平臺軟件及土建計算軟件自身的缺陷，無法完全實現(xiàn)，或者利用效率比較低下而被大多數(shù)單位放棄。

經(jīng)過反復(fù)的探索并總結(jié)成功及失敗的經(jīng)驗，筆者認為，土建專業(yè)要實現(xiàn)三維一體化設(shè)計，提高三維模型的使用效率，就需要尋找一個土建自身的三維設(shè)計平臺，并在此平臺中建立一個供土建、工藝、施工單位、業(yè)主共同使用的完整三維模型。這個三維模型集成了從設(shè)計計算到建造、運行的各方面信息，能夠為項目建設(shè)中的各個角色提供各自所需要的信息，相關(guān)人員可以從中各取所需，從而完成數(shù)字化模型的交互使用?？梢詫⑦@種三維模型稱為：交互式三維模型。

交互式三維模型在設(shè)計過程中的應(yīng)用

交互式三維模型在結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用。作為土建設(shè)計人員，設(shè)計所有電廠建（構(gòu)）筑物，在滿足工藝布置要求的前提下，最關(guān)心的莫過于結(jié)構(gòu)自身的安全性。由于不同項目的場地、環(huán)境的不同，土建專業(yè)不管任何建（構(gòu)）筑物都要進行結(jié)構(gòu)計算，從而保證結(jié)構(gòu)安全以及人員安全。所以一個三維模型是否能導(dǎo)出至計算軟件中進行計算，是交互式三維模型首要滿足的基本需求。

三維交互式模型與計算模型的數(shù)據(jù)交互最主要是要克服兩個難點。一是兩種軟件數(shù)據(jù)格式的不兼容。由于工藝三維設(shè)計平臺軟件與結(jié)構(gòu)計算軟件往往不同屬一家軟件公司，而每個軟件公司都擁有自己的一套數(shù)據(jù)文件格式，所以在模型導(dǎo)出或?qū)脒^程中會出現(xiàn)文件格式不兼容以及桿件截面不匹配的情況。在不斷的探索過程中發(fā)現(xiàn)，部分三維軟件公司往往承諾可以開發(fā)與第三方計算軟件接口程序來滿足客戶的數(shù)據(jù)交互要求，但在實際操作層面上來講，這種借助第三方接口軟件實現(xiàn)的三維模型數(shù)據(jù)交互，往往造成信息傳遞不完整或傳遞錯誤，同時當(dāng)一方軟件進行升級以后，會出現(xiàn)大量的接口程序維護問題。

西北電力設(shè)計院根據(jù)對軟件市場的調(diào)研及試用，最終選擇了Bentley軟件公司，該公司旗下?lián)碛卸嗫钊S模型設(shè)計軟件，同時也擁有結(jié)構(gòu)計算軟件。由于兩種軟件均同屬于一家軟件公司，在數(shù)據(jù)傳遞方面已經(jīng)克服了數(shù)據(jù)格式不兼容的情況，可以順利的完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入。當(dāng)計算模型完成最終的計算后，對結(jié)構(gòu)計算后的桿件修改，也可以直接導(dǎo)出至三維設(shè)計軟件中，實現(xiàn)三維軟件的模型更新。這樣就完成了三維模型的交互式傳遞，使得模型的利用率大幅度提高。

二是三維實體模型到計算模型的合理簡化。由于三維模型是對工程項目物理構(gòu)件的實際表達，在三維模型中會對實際工程中所有構(gòu)件進行真實反映，但是在結(jié)構(gòu)計算模型中往往需要對真實模型做出合理的簡化處理，如結(jié)構(gòu)節(jié)點的簡化、結(jié)構(gòu)樓梯間的簡化。所以三維模型并不完全等同于結(jié)構(gòu)計算模型，這就要求在三維模型導(dǎo)入至結(jié)構(gòu)計算軟件中，需要對三維模型進行篩選，選擇需要導(dǎo)入計算軟件的模型進行數(shù)據(jù)交互。軟件中應(yīng)能夠?qū)θS模型構(gòu)件屬性進行定義，可以將需要導(dǎo)出的計算構(gòu)件進行數(shù)據(jù)交互，其他不參與設(shè)計計算的構(gòu)件將不導(dǎo)出。

三維模型設(shè)計與原有的二維設(shè)計最大的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)出圖方式，出圖方式的改變是工程設(shè)計領(lǐng)域流程及手段一次跨時代的飛躍。簡單的講，原有二維設(shè)計出圖是靠工程師畫出來的，而三維設(shè)計出圖是靠工程師在三維模型中“切”出來的。

原有的二維設(shè)計出圖流程是工程設(shè)計人員根據(jù)計算模型的計算結(jié)果，結(jié)合工藝專業(yè)的布置要求，在二維平面進行建（構(gòu)）筑物的平面圖設(shè)計，平面圖主要包括結(jié)構(gòu)平面布置圖、結(jié)構(gòu)剖面布置圖及結(jié)構(gòu)詳圖。各個二維平面圖紙之間是相互對應(yīng)的，這就要求工程師在繪制二維平面圖時，首先需要在腦海里把整個模型的位置關(guān)系進行組裝，在腦海中先形成一個完整的三維模型，然后通過這個想象的空間考慮模型構(gòu)件之間的相對關(guān)系、構(gòu)件視覺的透視及遮擋關(guān)系，來進行平面圖的繪制，并且需要在平面圖中通過線性的虛實粗細來反應(yīng)構(gòu)件間的層次關(guān)系。當(dāng)對原有結(jié)構(gòu)布置進行改變時，工程設(shè)計人員需要檢查每一張二維平面圖紙，修改結(jié)構(gòu)的平面布置。這種情況下，往往容易造成前后圖紙無法對應(yīng)，從而降低工作效率。

三維設(shè)計時，工程師僅僅需要確定建筑物需要表達的平面圖紙位置，然后對交互式三維模型進行剖切，剖切后三維模型將自動生成平面二維圖紙。三維模型剖切生成的二維圖紙是與三維模型關(guān)聯(lián)的，也就是說三維模型中結(jié)構(gòu)布置或結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生改變的情況下，設(shè)計人員不需要重新對三維模型進行再次剖切，原有剖切好的平面圖紙將自動進行更新。所以說，三維交互式模型是設(shè)計人員的源頭，而圖紙則是這個三維模型的附屬產(chǎn)品，只要工程師保證三維模型的惟一性、正確性，那么所生成的圖紙也是唯一及正確的。這樣工程設(shè)計人員在工程設(shè)計的過程中，只要對三維模型進行維護，保證其滿足工藝布置及結(jié)構(gòu)計算要求，就不需要更多關(guān)注生成的二維圖紙。工程師可以把更多的精力放在結(jié)構(gòu)合理性及優(yōu)化上面，不僅可以大大提高設(shè)計的效率，同時還能提高設(shè)計質(zhì)量。

由于交互式三維模型是一個帶有信息的數(shù)字模型，那么生成材料統(tǒng)計表將會是非常容易的事情，同時由于三維模型的唯一性，材料表內(nèi)容會依照三維模型的不同而自動改變。

交互式三維模型在施工及運營階段的應(yīng)用

交互式三維模型因為集成了大量的數(shù)據(jù)信息，包括結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)配筋、結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸截面、強度等級等，所以它不僅僅是一個簡單的三維數(shù)字模型，而是一個數(shù)字化的信息模型，其內(nèi)容涵蓋工程項目中結(jié)構(gòu)的全部信息。那么交互式三維模型“生命力”就不簡單的局限于設(shè)計階段，而必將延續(xù)到工程項目的建造和運營階段。

在項目施工階段，施工建造人員可以通過三維模型直觀的了解整個建筑物的布置情況，以及材料使用的情況，然后通過三維模型可以實現(xiàn)自動的施工建造模擬，從而根據(jù)現(xiàn)場實際情況安排物資調(diào)配及進度安排。對于大型復(fù)雜的工程項目，由于各專業(yè)交叉較多或者結(jié)構(gòu)自身相對復(fù)雜，往往平面圖紙已經(jīng)無法很清楚的表達結(jié)構(gòu)的布置，這就需要通過三維模型進行空間布置，施工單位必然需要圖紙及三維模型進行施工。目前結(jié)合三維模型進行施工已經(jīng)在鳥巢、水立方、北京國際機場3號航站樓和上海中心等工程中得到了應(yīng)用。

雖然目前施工單位仍舊是按照傳統(tǒng)的施工方法安排施工建造，但是隨著信息時代的不斷發(fā)展，我們不難想象，在今后的項目施工中建造單位必將進入三維時代。

在項目的運營階段，運營單位可以根據(jù)承包單位移交的交互式三維模型獲得與實際物理模型一致的項目信息，所有的信息都是準(zhǔn)確、唯一的，避免出現(xiàn)現(xiàn)場項目結(jié)構(gòu)與圖紙不符的情況。因為現(xiàn)場所有變更單及圖紙、三維模型均以最終的信息傳遞給業(yè)主，這樣勢必對以后的運行維護提供了可靠準(zhǔn)確的信息基礎(chǔ)。同時業(yè)主在運營后的維護改造階段，可以根據(jù)交互式三維模型對結(jié)構(gòu)梁柱、墻體、維護結(jié)構(gòu)組件建立索引，當(dāng)用戶點擊三維模型中的某一結(jié)構(gòu)組件時，可以查詢到結(jié)構(gòu)組件的相關(guān)信息，如該結(jié)構(gòu)組件的結(jié)構(gòu)強度、建造時間、配筋信息等詳細屬性。

當(dāng)前電力設(shè)計行業(yè)乃至電力工程行業(yè)都處于傳統(tǒng)電子化設(shè)計和電子化管理向數(shù)字化設(shè)計和數(shù)字化管理的變革期，數(shù)字化電廠是以對象為核心對電廠建設(shè)的各階段進行數(shù)字化、精細化的過程管理，是以提高工程質(zhì)量、降低工程建設(shè)周期與造價，并為數(shù)字化電廠的其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為目標(biāo)。而作為數(shù)字化電廠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的載體，三維模型則是數(shù)據(jù)信息的源頭和起點。

土建專業(yè)要實現(xiàn)真正意義上的三維空間設(shè)計，必將尋求一個交互式三維模型，這種三維模型不僅僅是結(jié)構(gòu)三維空間的表達，更是一個土建專業(yè)設(shè)計的信息綜合體。它能夠集成全部的結(jié)構(gòu)信息并將這些信息通過交互的方式在土建專業(yè)自身以及其他工程項目建設(shè)角色中“流動”，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的“生命力”。