黃鋅 彭嫣

《水利水電工程水力機(jī)械設(shè)計技術(shù)研究》一書針對水利水電工程中水力機(jī)械設(shè)計進(jìn)行研究，論述了引水徑流式水電站混流式機(jī)組、河床式水電站燈泡貫流機(jī)組、引水式電站沖擊式機(jī)組水力機(jī)械主機(jī)選型和水力機(jī)械輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計;對中高揚(yáng)程水泵站和低揚(yáng)程水泵站主泵選型與輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)進(jìn)行了研究;針對多泥沙水電站水力機(jī)械磨蝕情況，提出了抗磨蝕的解決辦法及技術(shù)建議，還對水利工程設(shè)計中計算模型的建立與方法進(jìn)行了研究。全書分為五個章節(jié)，分別為水電站主機(jī)選型及水力機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、水泵站主泵選型及水力機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、水電站水輪機(jī)抗磨蝕、水電站技術(shù)改造以及水電站、泵站過渡過程技術(shù)研究?！端姽こ趟C(jī)械設(shè)計技術(shù)研究》一書提出，水利工程設(shè)計是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作，其中涉及海量數(shù)據(jù)信息，因此水利工程設(shè)計需要較高的規(guī)劃設(shè)計水平和先進(jìn)的技術(shù)手段。在水利工程設(shè)計中，單純依靠人力對數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行測量、采集、計算，則必然無法在工期內(nèi)完成。因此，基于提高水利工程設(shè)計所需數(shù)據(jù)信息的采集速度與質(zhì)量，保證水利工程設(shè)計能夠符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在水利工程設(shè)計中運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)勢在必行。為了獲得更加可靠的數(shù)據(jù)，且利用數(shù)據(jù)分析得出更加準(zhǔn)確的結(jié)果，可以運(yùn)用三維動畫技術(shù)來開展設(shè)計。三維動畫技術(shù)在水利工程設(shè)計中的運(yùn)用，不僅能夠使得水利工程設(shè)計符合標(biāo)準(zhǔn)，還能夠有效提升設(shè)計效率與質(zhì)量。

《水利水電工程水力機(jī)械設(shè)計技術(shù)研究》一書提出，在工程建設(shè)行業(yè)中三維動畫設(shè)計是其發(fā)展的必然趨勢，只有直觀生動的三維動畫設(shè)計才能夠讓缺乏工程技術(shù)知識、不熟悉平面布置結(jié)構(gòu)的人通過三維動畫模型來交流設(shè)計理念，溝通設(shè)計思路，打造更理想的設(shè)計方案?；谌S動畫設(shè)計的工程設(shè)計能準(zhǔn)確表達(dá)工程設(shè)計人員的設(shè)計意圖與目的，且符合人們的思維習(xí)慣，讓設(shè)計人員可以全神貫注于設(shè)計本身，而不是二維圖紙的繪制。三維動畫技術(shù)能夠生成用于開展有限元分析的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行幾何形狀設(shè)計優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件的集合。三維動畫設(shè)計可以利用設(shè)計成果的三維模型投影自動生成二維設(shè)計圖，若對三維模型進(jìn)行修改，則二維工程圖可自動更新。且三維動畫設(shè)計可以利用著色與渲染功能來獲得水利工程的三維效果圖，不需要額外制作模型就可以使人全面、準(zhǔn)確地了解水利工程外觀，有助于設(shè)計方案的調(diào)整與決策，從而加快水利工程設(shè)計審批速度，推動水利工程建設(shè)順利開展。三維動畫設(shè)計還能夠根據(jù)設(shè)計需求快速得出水利工程的體積、質(zhì)量、重心等參數(shù)，對水利工程成本進(jìn)行預(yù)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)計、預(yù)算一體化，全面推動水利工程設(shè)計改革。

三維動畫之所以能夠在建筑工程設(shè)計中普及應(yīng)用，是因其擁有傳統(tǒng)二維平面設(shè)計難以比擬的優(yōu)越性。三維動畫技術(shù)應(yīng)用在水利工程設(shè)計中的主要價值在于能夠充分參與到水利工程設(shè)計的各個環(huán)節(jié)中去，便于開展密切的溝通交流與協(xié)調(diào)，避免因展示不全面、溝通不暢而導(dǎo)致的設(shè)計問題，且能提高水利工程設(shè)計的質(zhì)量與效率。傳統(tǒng)二維設(shè)計形式在水利工程設(shè)計中無法實(shí)現(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件一體化輸出，無法保證設(shè)計周期，且在設(shè)計過程中難以進(jìn)行全面徹底的檢查，如需要變更設(shè)計，難度較大?；诙S設(shè)計下的水利工程設(shè)計流程是線性的，如其中任意部分改動都會導(dǎo)致其他部分的變動，因此只有等所有部門都完成設(shè)計改動后才能完成最后的設(shè)計工作。二維平面設(shè)計呈現(xiàn)出明顯的平面性與間接性，主要是通過平面視圖與投影等方式來展現(xiàn)水利工程的外形與內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)，無法得到水利工程的三維軸測圖紙、開挖圖紙等。而三維動畫應(yīng)用在水利工程設(shè)計中優(yōu)勢較為明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是三維動畫設(shè)計在宏觀上簡化了水利工程設(shè)計與建設(shè)過程中的繪圖與讀圖過程，能夠有效節(jié)約生產(chǎn)成本，且能夠?qū)崿F(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件的一體化輸出。二是三維動畫設(shè)計過程中能夠在短時間內(nèi)掌握設(shè)計意圖，較為便捷，可以提高水利工程設(shè)計效率，且三維動畫設(shè)計軟件可以進(jìn)行全面的檢查，降低設(shè)計出錯的概率。后期修改也較為便捷，能夠有效提升設(shè)計質(zhì)量。相比二維設(shè)計來說，三維動畫設(shè)計流程為交互并行狀態(tài)，如某部分出現(xiàn)改動，則最終設(shè)計成果會自動更改，且設(shè)計數(shù)據(jù)與成果均為多部門共享，能夠有效提升三維設(shè)計效率。三是三維動畫設(shè)計成果是立體的，人們可以通過三維動畫立體造型來直觀感受水利工程建筑的外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所見即所得。三維動畫設(shè)計下的圖紙可視性較強(qiáng)，可以直接通過三維模型獲得二維圖紙。整體來看，三維動畫設(shè)計在水利工程設(shè)計中對結(jié)構(gòu)與外觀的描述更加真實(shí)準(zhǔn)確，能夠展現(xiàn)出強(qiáng)大的設(shè)計優(yōu)勢。三維動畫設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)可視化設(shè)計，可以顯著減少設(shè)計校對時間與工作量。三維動畫設(shè)計克服了二維平面設(shè)計中的各種缺陷，是計算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步背景下水利工程設(shè)計的必然發(fā)展趨勢。

水利工程設(shè)計在選擇設(shè)計軟件的過程中需要從自身實(shí)際需求入手，選擇與自身實(shí)力相匹配，能夠高質(zhì)量、高效率完成設(shè)計的軟件，主要需要考慮以下幾個方面：一是水利工程的性質(zhì)、規(guī)模;二是水利工程的系統(tǒng)性與集成性，要考慮水利工程數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等;三是工程化、實(shí)用化;四是開放性，用戶操作界面友好，擁有齊全的外部接口并支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對于大多數(shù)水利工程來說，所需的三維動畫設(shè)計軟件需要綜合CAD、CAE、CAM為一體。在眾多軟件中，CATIA較為適用于水利工程設(shè)計，其具有良好的開放性與兼容性。

現(xiàn)以CATIA軟件為例分析三維動畫在水利工程設(shè)計中的運(yùn)用。CATIA是法國達(dá)索公司設(shè)計產(chǎn)品，擁有先進(jìn)的混合建模技術(shù)，其中所有模塊都具有相關(guān)性，所營造的并行工程設(shè)計環(huán)節(jié)能夠有效縮短設(shè)計周期，且能夠覆蓋水利工程設(shè)計的整個過程。第一，CATIA的主要模塊。CATIA的應(yīng)用功能十分強(qiáng)大，可以分為曲面設(shè)計、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工程與知識工程四大部分。一是曲面設(shè)計模塊。曲面設(shè)計模塊在水利工程設(shè)計中應(yīng)用，主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾個功能：對水利工程設(shè)計中涉及的各類地形、地質(zhì)問題進(jìn)行合理解決或處理，如水利工程設(shè)計中較為復(fù)雜的曲面、曲面變形、逆向工程等處理;在應(yīng)用過程中還可以對三維建模過程中的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入處理，以形成地質(zhì)建模數(shù)據(jù);利用水利工程地質(zhì)建模的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，以保證水利工程設(shè)計中地質(zhì)、水工等方面信息數(shù)據(jù)得以平衡，具有較高的應(yīng)用價值。二是內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊。內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊在水利工程設(shè)計中主要針對水利工程部件選擇與運(yùn)用的合理設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)難度較大的曲面設(shè)計工作。另外，還能夠完成數(shù)據(jù)的模板化設(shè)計，為水利工程的建模打造直觀形象的環(huán)節(jié)。對于水利工程設(shè)計的過程與方法能夠進(jìn)行捕捉與重建，從而提高水利工程設(shè)計效率與質(zhì)量。三是施工工程模塊。施工工程模塊在水利工程設(shè)計中主要用于解決水利工程整體布置問題，可以完成曲面、地質(zhì)設(shè)計等運(yùn)算，能夠?qū)λこ淘O(shè)計進(jìn)行全面計劃，并對各個結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行平衡。四是知識工程模塊。知識工程模塊在水利工程設(shè)計中主要用于對模板化的問題進(jìn)行處理，在CATIA中加入設(shè)計規(guī)則，為后續(xù)水利工程設(shè)計奠定基礎(chǔ)，使得水利工程設(shè)計更加科學(xué)合理。第二，CATIA在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用。一是零部件設(shè)計。水利工程的零部件設(shè)計就是對水利工程內(nèi)部的各模塊進(jìn)行實(shí)體化的造型設(shè)計。首先，需要對水利工程中的模塊進(jìn)行初步繪制，即在掌握水利工程設(shè)計要求的基礎(chǔ)上對內(nèi)部各個模板進(jìn)行二維圖繪制;其次，運(yùn)用CATIA中預(yù)設(shè)的零件設(shè)計模塊來對模塊進(jìn)行造型設(shè)計，且根據(jù)零件外形之間存在的拓?fù)潢P(guān)系明確其相應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)行模型制作;最后，根據(jù)水利工程設(shè)計要求對模塊的輔助特點(diǎn)進(jìn)行加工處理，從而完成零部件的設(shè)計工作。二是裝配設(shè)計。裝配設(shè)計流程首先是利用CATIA中的對稱工具來對零部件進(jìn)行復(fù)制，以加快模型導(dǎo)入速度;其次，在明確各零部件裝配關(guān)系的基礎(chǔ)上對零部件進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，如對零部件的角度、間距等進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，這一過程需要對零部件的位置與細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)致的校對、檢查，以保證零部件的適用性;最后，對零部件組裝過程中存在的缺陷進(jìn)行校驗(yàn)，保證零部件在裝配過程中不會出現(xiàn)矛盾與沖突，如在校驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題，則需要及時進(jìn)行調(diào)整與處理。三是數(shù)據(jù)管理。CATIA中的VPM模塊可以對水利工程設(shè)計中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，其主要作用在于將水利工程數(shù)據(jù)源存儲至數(shù)據(jù)庫與電子倉庫的服務(wù)器中，并根據(jù)數(shù)據(jù)的屬性、類別與命名進(jìn)行統(tǒng)一歸類管理，對水利工程設(shè)計的模型版本進(jìn)行更新、規(guī)劃等。VPM模塊能夠?yàn)椴煌脩粼O(shè)置訪問權(quán)限與角色，針對不同數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的訪問權(quán)限，以保護(hù)數(shù)據(jù)安全。整體來看，VPM模塊猶如數(shù)據(jù)庫，對水利工程設(shè)計中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。最初VPM是獨(dú)立運(yùn)行的，但伴隨著CATIA的廣泛應(yīng)用，VPM模塊便與CATIA相結(jié)合，一同開展水利工程設(shè)計。VPM模塊可以快速查詢CATIA中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，還能夠?qū)λこ痰慕Y(jié)構(gòu)與零部件設(shè)計進(jìn)行分析。不論是結(jié)構(gòu)簡單亦或是復(fù)雜的數(shù)據(jù)項(xiàng)目，均可以運(yùn)用VPM模塊進(jìn)行分析，掌握CATIA中存儲的關(guān)于水利工程設(shè)計的數(shù)據(jù)聯(lián)系。

綜上所述，水利工程設(shè)計作為三維立體空間結(jié)構(gòu)設(shè)計，雖然在初期設(shè)計中采用的是平面投影圖、剖面圖等工程圖紙，但設(shè)計人員腦海中所構(gòu)思的是三維結(jié)構(gòu)。在水利工程設(shè)計中運(yùn)用三維動畫設(shè)計，直接生成三維結(jié)構(gòu)模型，能夠更加全面、直接地展現(xiàn)水利工程結(jié)構(gòu)的空間狀態(tài)，展示水利工程建筑結(jié)構(gòu)中的空間關(guān)系，對水利工程施工量進(jìn)行更加準(zhǔn)確、更加全面的計算，且可以按照相應(yīng)的規(guī)則來明確結(jié)構(gòu)面的形狀，減少不必要的參數(shù)錄入，使得水利工程設(shè)計更加高效、更加便捷。

作者簡介：黃鋅（1985—），女，湖南長沙人，湖南大眾傳媒職業(yè)技術(shù)學(xué)院視覺藝術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)橛耙晞赢?/p>

彭嫣（1987—），女，湖南益陽人，湖南大眾傳媒職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研處政工師，研究方向?yàn)閯勇O(shè)計