楊房溝水電站廠房三維設計研究與應用

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，311122)

1 引言

我國已建水利水電工程中，地下廠房數量超過100座，近期，在建水利水電工程中，有約半數工程采用了地下廠房型式。隨著水利水電工程的不斷發展，地下廠房的建設已積累了豐富的經驗，其發展也已取得矚目的成就，并向著數字化、自動化和智能化的方向在不斷前進。

地下廠房樞紐占地面積少，與地面水工建筑物之間干擾小、抗震性能良好、造價經濟，但地下廠房洞室縱橫交錯、結構復雜，給勘察、設計、施工等都增加了一定難度。三維設計立體、直觀、真實感強，將其應用于水電站地下廠房建設不僅能大大提高設計效率、節約成本，還能優化廠房內部布置，使得設計產品質量得到提高和優化。

隨著三維設計在工程中的廣泛應用，三維技術手段也在不斷提高，并得到了國際上許多公司的重視。楊房溝水電站地下廠房三維設計，利用美國Bentley公司的AECOsim Building Designer(簡稱ABD)軟件實現各專業模型建立，通過Project Wise(簡稱PW)協作平臺進行三維設計配合、調整、統一與固化，最終通過軟件LumenRT實現對地下廠房模型的演示與漫游。

2 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上，是規劃中該河段的第6級水電站，其上游連接孟底溝水電站，下游連接卡拉水電站。左岸首部開發地下廠房內布置4臺單機容量375MW的水輪發電機組，總裝機容量1500MW。

楊房溝水電站引水、發電系統主要建筑物由進水口、壓力管道、地下廠房及其輔助洞室、尾水調壓室、尾水閘門室、尾水隧洞等組成。主副廠房洞、主變洞、尾水調壓室三大洞室平行布置，主副廠房洞的最大開挖尺寸230m×30m×75.57m(長×寬×高)，主變洞最大開挖尺寸156m×18m×22.3m(長×寬×高)，地面開關站布置在電站進水口上游側約100m處的山坡上，場地尺寸138m×20m(長×寬)。

3 洞室群三維模型

楊房溝水電站引水、發電系統結構布置復雜，地下洞室群規模龐大、縱橫交錯、斷面各異。對其進行二維設計難度大、數據多、難理解，容易出錯，且引水、廠房專業間需要進行反復地溝通與配合，工作量大。

對洞室群進行三維設計，各專業僅依靠地形圖、洞室底部中心坐標、洞室斷面、洞室走向等結構主要參數，便可以實現復雜不規則的洞室群模型建立。通過PW協作平臺，實現專業間配合，并能夠直觀地復核各洞室定位、走向，確保引水、廠房洞室間的銜接準確，快速建立復雜而準確的洞室群模型。洞室群三維模型將楊房溝引水、發電系統清晰表達出來(如圖1)，主要包括進水塔、主副廠房洞、主變洞、尾水調壓室、引水隧洞、開關站等。

4 廠房三維模型

楊房溝水電站廠房為地下廠房，是集水流系統、電流系統、電氣控制設備系統、機械控制設備系統和輔助設備系統為一體的龐大區域，堪稱水電站的“心臟”。所以，廠房布置的合理與經濟顯得尤為重要，既要保證各系統自身的正常運行、互不侵占，又要保證各系統間的協作運行、相輔相成。如果水電站廠房僅局限于二維設計，即使經驗豐富的設計人員也難免出現結構遺漏、管路碰撞、設備缺失等錯誤，而利用三維設計則可以輕易避免這些錯誤，直觀且智能。

4.1 模型建立與更新

在楊房溝廠房三維設計開始階段，總設計師根據項目需要，制定開展計劃、設置項目規則、合理分工、明確各專業工作內容及時間要求。隨后，廠房結構、水機、電氣、給排水、建筑等專業在PW協同平臺上獨立進行ABD模型建立。

通過PW協同平臺，不同專業之間可以相互參考，及時發現布置間的矛盾之處，實現建模與優化調整的同步性。廠房結構、建筑體型復雜、不規則；機電專業設備與管路布置密集，通過PW平臺進行協同設計，利用共享模型進行工作，可以在設計過程中避免專業間的碰撞與干擾，大大節省專業間配合時間，工作效率得到提高，保證了土建與機電布置的同步性與有效性。

4.2 碰撞檢查

在各專業三維模型進行合理布置、調整完善后，展開楊房溝廠房三維集中設計工作，對廠房三維模型進行碰撞檢查。碰撞檢查是廠房三維設計的關鍵步驟，ABD可以搜索專業內部及不同專業間的各種碰撞信息，在系統復雜、聯系緊密的模型中尋找肉眼不易發現的碰撞錯誤。

圖2與圖3為全廠機電設備布置圖，圖2主要涉及暖通、電氣、給排水專業，圖3主要涉及水機專業?？梢钥闯?，全廠機電管路、設備布置錯綜復雜、極其繁瑣，如果不進行碰撞檢查，緊靠肉眼或想象，大量碰撞錯誤不可避免。在以往，一些在施工時才會發現的棘手碰撞問題，如結構與管路的碰撞、管路與管路的碰撞等，如今，在三維集中的時候便可以及時被發現，問題得以快速解決。

圖2 全廠機電設備布置(一)

圖3 全廠機電設備布置(二)

通過碰撞檢查：如圖4，發現水機專業與結構專業之間的碰撞問題，水機管路穿梁布置，需要進行調整；如圖5，給排水專業管路與暖通專業風管“打架”，需要調整布置。

碰撞檢查功能，既確保了場內機電設備布置的合理性，又減輕了設計人員和校審人員的工作壓力與負擔，對設計產品的品質提升都有極大的幫助。

圖4 碰撞檢查(一)

圖5 碰撞檢查(二)

4.3 快速出圖

水電站廠房結構、性能復雜，涉及領域眾多，圖紙量巨大，設計人員工作任務繁重，以三維設計為基礎，則可以極大提速出圖工作。根據圖紙需求，制圖人員可以在三維模型的任何位置精準切出平面和剖面圖紙，只需再添加相應尺寸標注與文字標注即可出圖。對于結構不規則而傳統二維圖紙表達不清楚的部位，設計人員還可以在施工圖紙中配以軸測圖對結構進行直觀表述。故利用三維模型進行出圖，直觀、快速而精確。

5 廠房三維效果

設計人員通過對各專業、各部位模型的參考，組成整體的工廠三維總裝模型；利用對三維模型的剖切，從各方位把廠房外部與內部、整體與細節呈現出來。廠房三維效果圖是楊房溝水電站廠房設計的一個重要成果，通過最佳視角展現楊房溝主廠房、副廠房、主變洞等廠房主要部位不同層高的布置，得到直觀、具體和全方位的效果。這樣，對于不方便操作、運行ABD或PW軟件的施工、業主等參建各方，通過這種圖紙表達方式，都可以高效地對廠房模型進行形象閱讀和直觀理解。

在近期進行三維設計的水電站廠房中，制作三維效果圖的并不常見，廠房三維效果圖的制作是楊房溝廠房三維設計的一大特色，也得到了參建各方的肯定與積極響應。設計人員共制作出58張三維效果圖，涵蓋楊房溝廠房涉及的各個專業及各個系統。圖6和圖7為楊房溝地下三大洞室階梯展示圖和楊房溝地下三大洞室橫剖面圖。楊房溝地下三大洞室階梯展示圖運用“階梯剖”功能將主廠房廊道層、蝸殼層、水輪機層、中間層、發電機層，以及主變洞、尾調室等的布置、結構進行展示。楊房溝地下廠房三大洞室橫剖圖將主副廠房洞、母線洞、主變洞、出線豎井、尾調室等布置依次呈現。通過三維效果圖，廠房土建、設備布置一目了然，真實地對廠房布置進行了模擬。

圖6 地下三大洞室階梯展示

圖7 地下三大洞室橫剖面

6 廠房漫游

楊房溝廠房三維設計的另一大突出特色是利用與ABD接口的軟件LumenRT對廠房內景進行虛擬漫游，在生成三維效果圖的基礎上，使用軟件LumenRT進行動畫模擬可謂是錦上添花，這使得楊房溝廠房三維設計實現精益求精、效果近乎完美。

由于廠房三維總裝模型信息量大、數據多，占用內存較大，僅利用軟件ABD中的“漫游”功能，無渲染效果生硬、操作不便易卡頓。所以，楊房溝三維設計提出利用軟件LumenRT對廠房進行虛擬漫游，實現了水電站廠房三維設計從三維靜態到三維動態的進步。采用軟件LumenRT可以將靜止不動的模型，經過漫游，以視頻動畫的形式“動”起來。軟件LumenRT易操作，普通結構設計人員即可上手，只需將ABD模型導入LumenRT軟件，并根據需求及喜好調整好性能參數、設置好漫游路徑，便可得到想要的理想動畫視頻。

圖8為廠房水輪機層漫游視頻截圖，可以清楚地看到水輪機層中管路、橋架、盤柜等布置；圖9為廠房發電機層漫游視頻截圖，從安裝間視角觀察發電機層的橋機、發電機、盤柜等布置。楊房溝廠房三維模擬動畫精美而生動逼真，置身于廠房之中，仿佛身臨其境。動畫得到各參建方的好評，基于動畫，各參建方更易于理解，可以輕松進入三維虛擬廠房實境當中。

圖8 廠房水輪機層漫游視頻截圖

圖9 廠房發電機層漫游視頻截圖

7 設計優化

楊房溝水電站項目的一個重大創新點在于它采取的設計、施工總承包模式?？偝邪Ｊ巾椖抗膭钤O計優化、控制工程總價，無形間可以調動設計、施工等各方的積極性，有助于提高工程質量與進度。廠房三維設計恰好是實現設計最優化的重要措施。在楊房溝廠房三維設計全過程中，每一個階段都在查“撞”補“漏”的進行著廠房布置優化；模型在不斷調整與完善。以下為廠房三維設計中設計優化的幾個例子：

(1)在進行廠房上下游向尾水盤型閥操作廊道層漫游時，設計人員發現：給排水專業的消火栓布置在水機專業的水泵之后，二者雖無直接碰撞，但消火栓門難以開啟，如圖10所示。設計人員即刻對消火栓槽的位置進行調整。倘若這個問題在施工期或運行期發現，錯誤則無法挽回，再進行補救則代價較大。

圖10 設計優化(一)

(2)在進行廠房左右向尾水盤型閥操作廊道層漫游時，設計人員發現：在廊道端頭有障礙物，“走”近則發現是含油污滲漏集水井進人孔的鋼爬梯扶手。這種布置方式雖然沒有顯著問題，也不影響運行，但顯得不夠合理，于是設計人員將鋼爬梯扶手調整至進人孔的另一側，靠邊布置，更加合情合理。

圖11 設計優化(二)

(3)檢修集水井中的水，起初的排水路線為：廠房進風洞→上層排水廊道→通風兼安全洞→水墊塘交通洞→水墊塘，總長超過1000m。而通過觀察廠房洞室群三維效果圖(圖1)，設計人員發現集水井排水路線變為：廠房進風洞→尾水調壓室，總長不超過300m。通過對排水管路優化設計、縮短管路路程，減少了排水埋管及混凝土工程量，降低造價超過百萬。

8 結語

隨著信息技術的快速發展，水電站廠房的設計、運行與管理正逐步由人工向數字化、智能化不斷轉變。對于復雜且浩大的水電站廠房設計工程，三維設計具有很大優勢，在穩步前進且勢不可擋。楊房溝水電站廠房三維設計實現了三維模型建立與協同設計，在此基礎上，更完成了三維效果圖的設計，并提出運用動畫渲染軟件對廠房內部進行虛擬漫游；在成功運用傳統三維設計模式的同時，也對傳統三維流程進行了完善；大幅提高生產效率、保證設計產品質量。楊房溝水電站廠房三維設計的研究與應用成果將有助于三維設計在水電站廠房設計中的推廣，并為之后的水電站廠房三維設計提供可借鑒的經驗。