三維協同設計在烏沙河泵閘樞紐工程中的應用

■ 江西省水利規劃設計研究院 丁維馨

三維協同技術在國外起步較早，主要應用于機械、電子、石油等制造行業，20世紀80年代后被引入國內，電力、石油等行業工廠化設計率先應用此類技術[1]，水利水電基礎行業應用起步于2000年左右[2]。由于水利水電工程設計涉及的邊界條件復雜多樣化，無法形成標準工廠化流程設計，大大增加了其三維設計的難度。

三維設計技術能夠根據當前工程的實際情況，更為直觀、完善地展示設計師對于工程設計的理念。設計人員利用現代三維技術，能夠在計算機上準確地表現三維實體造型，同時生成相應的二維工程圖，在清楚、準確地反映設計者意圖的同時，也對后續施工中的各項工作起到了很好的支持作用，并且能在施工過程中，根據實際反饋情況方便、快速地調整模型[3]。通過三維協同設計技術制作的工程三維模型更便于工程建模，同時在調整工程方案時能夠更加快速、靈活，這樣既減少了設計中出現的錯誤，有效避免了由于設計失誤導致的返工問題，同時又節省了設計時間，從而有效地提高工程設計效率和設計質量[4]。

相對于傳統的二維設計，三維協同設計帶來的是一種全新的設計模式和協同狀態。要想實現設計手段更新、設計流程再造，建立起一套完整的三維協同設計軟件平臺，則需要有一個科學、合理、完善的解決方案，具備強大的技術支持和應用實施團隊，以及一個具有創新精神和很強執行力的企業應用環境[5]。基于此，本文結合三維協同設計在江西省水利規劃設計研究院中的實踐，分析其應用理念和管理實施架構，并以烏沙河泵閘樞紐項目為例，對三維協同設計的具體應用進行分析與探討。

平臺選用及工作開展

江西省水利規劃設計研究院（以下簡稱“江西院”）根據行業發展趨勢及市場需求于2014年引進三維協同設計。在基于“一個平臺、一個模型、一個數據架構”的三維協同設計應用解決方案及配套的平臺基礎上，通過比較國內水利水電設計行業應用情況，最終選定Bentley平臺作為江西院三維設計開展平臺。2016年，江西院選取烏沙河泵閘樞紐作為試點，嘗試使用三維協同設計代替常規二維設計，取得了良好的效果。

具體應用

項目背景

烏沙河泵站設計排澇流量319m3/s，泵站規模為大⑴型，等別為Ⅰ等。采用7臺3700ZGQ46.0-3.13型豎井貫流泵、單機容量2500kw，總裝機容量17500kw。

應用環境的建立

封閉集中并成立項目組。為了確保三維工程設計人員在設計過程中能夠專心一致、靜心做好協同設計，同時減少開展過程中學習、交流所帶來的誤差，保證設計團隊的積極性及設計效率和設計質量，江西院成立協同設計項目組，并進行短期封閉集中辦公，以確保工程設計中的軟件使用心得及方案優化所需的大量討論和交流能夠及時進行，有利于培養良好的三維協同設計習慣，從而快速提高團隊協同設計能力。

建立協同工作環境。基于Bentley ProjectWise協同管理平臺，對三維設計流程進行管理，根據專業設置，設定不同的軟件應用環境配置，并對設計人員進行權限分配，保證整個設計文件的安全性。在工作環境搭建過程中，注意區分專業軟件的環境配置以及通用平臺軟件的環境配置，確保各專業應用環境不發生沖突，如電氣專業與水工專業因專業軟件使用不同，其對象和構件屬性相差較大，故工作空間環境配置應根據專業文件夾進行區分。而常規的平臺應用環境，如文字樣式、標注樣式、批打印等，則可對應整個項目進行配置。

結合實例完善流程

烏沙河泵閘樞紐三維地質圖

烏沙河泵閘樞紐建筑及給排水模型

根據確定的項目設計目標及工程自身特點進行項目分解，利用已經配置完成的各專業工作環境，建立各專業的三維模型，組裝后根據碰撞檢查結果修改完善模型，并進行相關三維、二維圖紙抽取，工程量統計以及漫游動畫。在項目開展過程中，引進華東勘測設計研究院有限公司HydroStation平臺解決方案，對測量、地質、電氣以及三維配筋進行深入挖掘，確保三維設計成果替代常規二維成果應用于施工。通過烏沙河泵閘樞紐項目具體實踐，進一步對設計流程補充完善，具體包括：（1）建立項目三維數字地面模型，并疊加高清衛星影像；（2）根據鉆孔資料，建立工程區三維地質模型；（3）建立工程項目的建筑物模型（泵房、水閘、管理房等），以及對應的場地開挖模型；（4）建立對應的設備模型（水機管路、開關站、電纜橋架、給排水、金屬閘門等）；（5）根據需要抽取生成相應的二維結構圖及三維示意圖；（6）對實體結構混凝土進行三維配筋，并生成常規鋼筋圖及材料表；（7）后期三維漫游動畫及效果圖制作。

該項目是江西院開展三維協同設計參與專業最廣、模型精度最深的一次應用，涵蓋了地質、水工、建筑、結構、給排水、電氣、水機等專業的三維信息模型，對模型進行碰撞檢查、大體積混凝土三維配筋及后續各專業抽圖等，并在此基礎上生成了可視化三維匯報系統。

項目開展過程中，各專業利用設計信息三維模型，通過剖切抽圖等技術手段，生成常規的二維圖紙，并對結構混凝土進行三維配筋，剖切抽圖生成常規鋼筋圖及材料表，大大提高了工作效率。

體會與展望

項目總結體會

回顧烏沙河泵閘樞紐項目三維協同設計工作歷程，將其實施經驗總結如下：

一是封閉集中辦公（含培訓），可以確保工程設計中的軟件使用心得及方案優化所需的大量討論和交流能夠及時進行，同時減少外界干擾；

二是設計效率的提升，不僅來自于三維設計本身，還有專業技術知識的沉淀（避免低級錯誤）、標準化工作環境設置以及良好的三維設計習慣共同作用的結果，尤其是工作環境的配置在后期抽圖出圖過程顯得尤為重要；

三是重視專業軟件的功能，切勿直接利用基礎平臺的基本功能去做專業的三維協同設計，忽視一些專業的元件庫、管道建模等，這對設計人員來說是完成正常設計任務之外的一個非常繁重、額外的負擔；

四是精確建模的必要性，尤其是在后期三維配筋過程中，鋼筋全部是基于面或者線偏移，模型的不精確會導致鋼筋根數和型號與常規的二維鋼筋圖差別較大，不利于校審人員接受；

五是三維設計質量管理體系的必要性。真正把三維協同設計轉化為設計成果，還需要有一整套與之相適應的技術、質量和管理體系，方便校審人員從原則上把握，避免出現三維出圖后取消關聯性，將其純粹當做常規二維圖去處理。

展望

為了完成三維協同設計，模型建立完成后，如何將設計模型信息應用到工程建造過程中，并發揮其價值，是國內設計單位一直積極探索的課題。結合行業發展趨勢，后期可在以下幾個方面繼續進行應用探索和研究[6]-[7]。

烏沙河泵閘樞紐電氣專業開關站三維布置圖

烏沙河泵閘樞紐廠區及附屬景觀布置模型

一是構建虛擬仿真演示系統。通過引進大型專業三維可視化、實時三維動畫等類型互動內容的虛擬現實的綜合游戲開發工具，如果能在大型水利工程施工中很好地利用虛擬現實技術，構建虛擬仿真系統，并通過仿真系統與全生命周期管理相結合，最終形成一個全面的、信息豐富的工程數據中心和三維可視化信息管理及展示系統。通過構建虛擬仿真演示系統，可以向業主全面展示設計成果，業主單位也可以通過該系統完成相關的管理、職工培訓等其他展示活動。

二是構建三維可視化監測系統。通過集成三維可視化成果及安全監測系統的基礎上，引入虛擬現實技術，從實時監測數據庫中讀取數據，取得相應的監測數據及相關過程線，再通過二維、三維聯動技術以及虛擬場景的快速定位，使用戶能夠更加直觀形象地檢查檢測數據，更直觀地感受該檢測儀器的空間位置。通過構建三維可視化監測系統，有利于提高大型水利樞紐的后期運行維護水平、優化整個信息檢索流程，能夠更好地適應現代化水利樞紐管理的需求。

結語

三維協同設計打破了常規二維設計在空間上的局限，它以高效的協同工作模式、先進直觀的設計手段、高度共享的知識管理模式沖擊著工程設計行業，為設計、業主、施工提供了更好的溝通交流平臺，也為工程的數字化發展奠定了技術基礎。毫無疑問，三維設計有利于提高在工程的方案優化必選、工程量統計、剖切出圖（含鋼筋圖）等方面的生產效率。若三維設計成果僅用于設計出圖，只是完成其在設計行業的價值。下一步要將三維設計緊密結合工程全生命周期運作，打造工程數字信息一體化模型，為施工單位和業主單位提供更多管理手段，同時為工程全生命周期管理提供信息支撐及技術服務。