翁發(fā)根，梁必必

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院，江西南昌330029）

三維協(xié)同設(shè)計在浯溪口水利樞紐中的應(yīng)用

翁發(fā)根，梁必必

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院，江西南昌330029）

隨著信息化的逐步深入，水利水電工程設(shè)計越來越需要不同專業(yè)的分工與合作，需要跨專業(yè)、跨區(qū)域的基于網(wǎng)絡(luò)化和信息共享的三維協(xié)同設(shè)計，目前三維設(shè)計已成為工程設(shè)計的發(fā)展方向與趨勢?；贐entley軟件平臺，以浯溪口水利樞紐為實例，提出對水利水電工程三維設(shè)計的一點認(rèn)識和體會。

三維協(xié)同設(shè)計；浯溪口水利樞紐；水利水電工程

1 概述

三維技術(shù)在國外起步較早，主要應(yīng)用于制造行業(yè)，如歐洲空中客車公司采用Catia平臺設(shè)計空客飛機。三維技術(shù)大規(guī)模引進國內(nèi)開始于20世紀(jì)80年代，主要用于制造業(yè)、建筑業(yè)等[1]。在我國，三維設(shè)計在其他行業(yè)如電力、石油化工等行業(yè)應(yīng)用較為成熟，電力、石化行業(yè)的三維設(shè)計主要運用于工廠化設(shè)計，解決空間管道的布置以及多個專業(yè)空間布置設(shè)計協(xié)調(diào)問題，已有成熟的工廠化設(shè)計軟件在國內(nèi)應(yīng)用。在水利水電工程設(shè)計中因為牽涉到地形、地質(zhì)情況的多樣性，很難形成類似建筑行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，尤其是場地開挖設(shè)計中，這樣就顯著增加了三維設(shè)計的難度。

目前，國內(nèi)水利水電設(shè)計行業(yè)的三維設(shè)計大都處于試點摸索階段，全面推廣仍有一定的難度，國內(nèi)各單位針對不同解決方案平臺進行了各種嘗試?；贐entley軟件平臺的三維設(shè)計有龍開口水電站設(shè)計等，基于Catia軟件平臺的三維設(shè)計[2]有溪洛渡水電站設(shè)計等，基于Autodesk軟件平臺的三維設(shè)計有觀音巖水電站設(shè)計等。

三維設(shè)計在工程設(shè)計方案的優(yōu)選與比較、縮短設(shè)計工作周期、提高設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量等方面比二維設(shè)計具有明顯優(yōu)勢，成為設(shè)計行業(yè)發(fā)展的主流趨勢，也是水利水電行業(yè)技術(shù)儲備和發(fā)展的要求[3-6]。

2 水利水電工程中三維協(xié)同設(shè)計相關(guān)基礎(chǔ)

協(xié)同設(shè)計主要是指設(shè)計單位內(nèi)部不同設(shè)計專業(yè)（部門）或者同一工程的不同設(shè)計單位之間進行協(xié)作與配合。大型水利水電工程設(shè)計參與專業(yè)較多，有測繪、地質(zhì)、壩工、廠房、金屬結(jié)構(gòu)、施工導(dǎo)流、水力機械和電氣等專業(yè)，這就需要不同專業(yè)設(shè)計人員必須在一個相互支持、信息相互共享的公共平臺進行。

此外，協(xié)同設(shè)計不僅應(yīng)具有獨立的設(shè)計作用，還應(yīng)有相應(yīng)的管理作用，要實現(xiàn)水利水電工程中不同設(shè)計專業(yè)（人員）高效的三維協(xié)同設(shè)計，需解決三維協(xié)同設(shè)計功能和模型信息實時共享管理上的相關(guān)問題[3]。

統(tǒng)一的工作平臺創(chuàng)建，不同專業(yè)都在一個共同的軟件平臺工作，不僅能使各專業(yè)設(shè)計成果即時分享，同時不同專業(yè)之間工作接口實現(xiàn)無縫鏈接，這樣既能解決各專業(yè)成果無法相互讀取問題，又能使各專業(yè)修改內(nèi)容及時得到更新。在整個工程設(shè)計周期內(nèi)，都能實現(xiàn)模型信息實時共享，不同的設(shè)計人員之間可以相互參考查閱，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的毛病，這樣對提高設(shè)計成果的質(zhì)量、縮短設(shè)計工作時間有很大幫助。

水利水電工程設(shè)計工作任務(wù)量大，涉及專業(yè)多，為方便各個專業(yè)設(shè)計人員之間準(zhǔn)確無誤的理解并相互參考模型及設(shè)計圖紙，需要定義一套標(biāo)準(zhǔn)的工作環(huán)境，進而確保設(shè)計過程中不同專業(yè)設(shè)計人員參考和引用的快捷性和準(zhǔn)確性。此外，對不同人員應(yīng)設(shè)置不同的權(quán)限，確保文件不被隨意修改，保證各設(shè)計文件的完整性與安全性。水利水電工程涉及專業(yè)眾多，不同的專業(yè)設(shè)計針對個體不同，而不同專業(yè)必須要在統(tǒng)一的工作平臺下協(xié)同設(shè)計。針對不同的專業(yè)特點，要有針對性的專門設(shè)計軟件，不同設(shè)計軟件的成果又必須能相互讀取、參考，這就需要一個門類齊全的專業(yè)工作平臺。

水利水電工程（尤其是大型樞紐工程）一般施工周期較長，在施工期間設(shè)計完成后的三維模型能直觀明了地指導(dǎo)施工，并依據(jù)現(xiàn)場實際情況作出修改。同時，三維數(shù)據(jù)的移交為運營管理部門帶來直觀的工程印象，為業(yè)主及施工單位創(chuàng)造不可估量的價值；全站的三維模型更方便后期的工程運行與維護，更方便運行單位管理，大大提高了業(yè)主滿意度。

3 Microstation平臺在浯溪口水利樞紐三維協(xié)同設(shè)計中的應(yīng)用

Microstation是美國Bentley公司旗下的基礎(chǔ)平臺軟件，所有Bentley專業(yè)軟件都是基于該平臺的，保證了不同專業(yè)設(shè)計之間的無縫鏈接。它能將壩工、廠房、施工、地質(zhì)、電氣及金屬機構(gòu)等專業(yè)整合起來統(tǒng)一進行三維協(xié)同設(shè)計，利用Bentley Project Wise平臺進行項目管理工作，有利于幫助團隊提高質(zhì)量、減少返工并確保項目按時完成。根據(jù)江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院實際開展項目，并利用現(xiàn)有設(shè)計圖紙，以浯溪口水利樞紐作為試點工程開展三維協(xié)同設(shè)計。

3.1 試點項目前期準(zhǔn)備工作

依托Bentley軟件強大的設(shè)計系統(tǒng)，參考國內(nèi)成功的經(jīng)驗，根據(jù)專業(yè)特點選擇不同的設(shè)計軟件，此次浯溪口水利樞紐三維協(xié)同設(shè)計軟件配置情況見表1。

表1 三維設(shè)計采用軟件匯總

為便于建立良好的協(xié)同工作環(huán)境，在三維設(shè)計開始前利用ProjectWise軟件進行項目管理，實現(xiàn)項目的標(biāo)準(zhǔn)化，其具體內(nèi)容如下[1，3]：①設(shè)置一套統(tǒng)一的工作空間(協(xié)同工作環(huán)境)和種子文件(設(shè)計模版)；②建立層次化、不同專業(yè)、不同三維模型的詳細(xì)工作目錄；③建立項目統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)（軸網(wǎng)）；④針對不同參與人員設(shè)置不同的訪問權(quán)限。

3.2 浯溪口水利樞紐三維設(shè)計實施過程

利用服務(wù)器托管的工作環(huán)境，在ProjectWise管理平臺上進行三維協(xié)同設(shè)計。測量專業(yè)利用Geopak軟件建立數(shù)字流域地面模型；水工專業(yè)利用MicroStation、AECOSIM及Geopak Site軟件建立整個樞紐的三維模型（包括各種類型水工建筑物及其開挖設(shè)計）；電氣專業(yè)利用Substation軟件建立各種電氣設(shè)備及其連接裝配的模型；水機專業(yè)利用PSPD及MicroStation建立主、輔機模型；金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)利用MicroStation軟件建立各種金屬結(jié)構(gòu)模型；各專業(yè)模型完成后，由水工專業(yè)在ProjectWise軟件平臺進行拼裝，通過在Navigator碰撞檢查并修改模型形成最終總體模型。后期通過Microstation實現(xiàn)渲染和動畫的制作，最后通過視頻編輯軟件形成三維可視化匯報系統(tǒng)。

3.3 浯溪口水利樞紐三維設(shè)計相關(guān)成果

項目三維設(shè)計成果包括三維數(shù)字地模、相關(guān)部位剖切抽圖、工程演示動畫、浯溪口水利樞紐三維可視化匯報系統(tǒng)等。通過浯溪口水利樞紐項目形成了三維協(xié)同設(shè)計的基本原則和工作開展方法，包括ProjectWise協(xié)同環(huán)境中建立工作目錄、設(shè)置工作環(huán)境、分配使用權(quán)限、設(shè)定軸網(wǎng)和使用規(guī)則、設(shè)定文件參考引用規(guī)則、確定模型總裝方法、二維剖切抽圖規(guī)則等操作性文件。項目形成的這些規(guī)則是三維協(xié)同設(shè)計的靈魂，為其他工程進行類似三維設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)，引導(dǎo)設(shè)計團隊高效率地開展工程項目的三維協(xié)同設(shè)計。此次項目主要成果，如圖1—5所示。

圖1 基于數(shù)字地面模型生成的開挖曲面

圖2 左岸非溢流壩段實體模型

圖3 機組中心線剖面圖

圖4 浯溪口水利樞紐各結(jié)構(gòu)模型總裝

圖5 浯溪口水利樞紐全站總裝

3.4 浯溪口水利樞紐三維協(xié)同設(shè)計項目總結(jié)

回顧整個試點項目工作歷程，其成功實施經(jīng)驗有以下幾點：

（1）單位領(lǐng)導(dǎo)層對三維設(shè)計工作給予足夠的重視，選拔有一定基礎(chǔ)的專業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)并實戰(zhàn)，并在政策上大力支持。

（2）從浯溪口水利樞紐項目來看，采用Bentley平臺基本上可以滿足常規(guī)三維設(shè)計需要。因此，不應(yīng)過于強調(diào)二次開發(fā)工作，也無需投入過多精力專注于此，后期軟件推廣后尤其是在二維抽圖切圖后，可根據(jù)江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院制圖、設(shè)計習(xí)慣由各專業(yè)設(shè)計人員定制專門的小插件。

（3）三維設(shè)計和常規(guī)二維平面設(shè)計在未來相當(dāng)長時間內(nèi)共存。在大中型水利樞紐工程中，涉及專業(yè)多尤其是在前期方案設(shè)計中優(yōu)化比選及工程量統(tǒng)計方面，三維設(shè)計更有優(yōu)勢。而對于小型常規(guī)泵閘、灌區(qū)及堤防、河道整治等線狀工程來說，設(shè)計相對簡單，采用三維設(shè)計耗費的人力與時間也未必是允許的。要合理區(qū)分，發(fā)揮二維、三維設(shè)計的各自優(yōu)點。

（4）三維設(shè)計的推廣是一個循序漸進的過程。在沒有相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)文件和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下，大范圍展開風(fēng)險較大，對設(shè)計業(yè)務(wù)不利，現(xiàn)階段也是不現(xiàn)實的。這就需要依托典型項目，培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人員，積累一定的實施和管理經(jīng)驗，分類型、分批次地逐漸展開。

3.5 浯溪口水利樞紐三維設(shè)計展望

浯溪口水利樞紐三維設(shè)計的成功案例，為今后的三維設(shè)計工作的開展提供了寶貴經(jīng)驗，仔細(xì)分析并總結(jié)此次設(shè)計工作的得與失，可在以下幾個方向上進行深入探索和研究。

（1）本項目受實際條件限制，缺少工程設(shè)計的三維地質(zhì)模型，這就為基礎(chǔ)開挖、邊坡設(shè)計、工程量統(tǒng)計帶來不便，后期進行類似工程時應(yīng)建立基于三維地質(zhì)分層的數(shù)字地模。

（2）本項目開展是利用已有二維設(shè)計圖紙生成三維數(shù)字模型，從實施效果看，二者保持很高的相似度。但在后期類似工程開展時，設(shè)計人員在沒有現(xiàn)成圖紙時，應(yīng)加強專業(yè)技術(shù)知識學(xué)習(xí)，提高空間想象力及設(shè)計水平，保證設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）三維模型完成后，可導(dǎo)入相關(guān)三維有限元計算軟件進行數(shù)值仿真分析，真正實現(xiàn)三維設(shè)計和數(shù)值計算的緊密耦合。

（4）使用數(shù)字化模型進行施工模擬。施工過程模擬采用全站模型階梯剖切，展示不同時間對應(yīng)的工程面貌，并查閱此時的工程相關(guān)信息屬性（工程量等）。后期模型信息屬性用于工程運行維護管理，有利于工程的高效管理。

4 結(jié)語

三維協(xié)同設(shè)計打破了常規(guī)二維設(shè)計在空間上的局限，它以高效的協(xié)同工作模式、形象直觀的設(shè)計手段、實時共享的信息管理模式?jīng)_擊著工程設(shè)計行業(yè)，為設(shè)計方、業(yè)主、施工方提供了更好的溝通交流平臺，為工程的數(shù)字化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。三維設(shè)計的推廣，設(shè)計單位應(yīng)根據(jù)自身業(yè)務(wù)特點做好規(guī)劃，理清思路，處理好三維與傳統(tǒng)二維設(shè)計之間的關(guān)系，實現(xiàn)平穩(wěn)過渡和互補共存，并逐步設(shè)定和完善相關(guān)的設(shè)計、校審程序及相關(guān)質(zhì)量體系管理文件。三維協(xié)同設(shè)計的模型信息驅(qū)動，實現(xiàn)工程數(shù)字化模型，不僅為運行管理部門帶來價值，延長設(shè)計產(chǎn)品服務(wù)周期，同時還將其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，助力設(shè)計單位。

[1]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，2013，19（9）：40-43.

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[3]陳功軍，張金輝，高英.實施水利工程三維協(xié)同設(shè)計的探索[J].人民長江，2013，44(16)：105-108.

[4]李明超，鐘登華，王忠耀，等.水利水電工程地質(zhì)－水工三維協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)研究[J].中國工程科學(xué)，2010，12（1）：43-46.

[5]宋明佳.水利水電行業(yè)三維協(xié)同設(shè)計中三維可視化的應(yīng)用與研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013，26（12）：57-59.

[6]孫程.基于GEOPAK Site的三維開挖輔助設(shè)計[J].人民長江，2013，44（17）：26-28.

Application of 3D Cooperative Design in Wuxikou Water Control Project

WENG Fa-gen，LIANG Bi-jue
（Jiangxi Provincial Water Conservancy Planning And Designing Institute，Nanchang 330029，China）

With the development of information technology，water conservancy and hydropower engineering design more and more need specialization and cooperation between different professions，which need cross professional and cross region?al that information sharing based on the three-dimensional collaborative design.3D design has become the development di?rection and trend of engineering design.Wuxikou water control project as an example，a little knowledge and experience is proposed for 3D design in water conservancy and hydropower projects based on Bentley software platform.

3D cooperative design；Wuxikou water control project；water conservancy and hydropower projects

TV222

A

1004-7328（2016）06-0060-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.06.019

2016—09—20

翁發(fā)根（1985—），男，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。