摘要：隨著計算機圖形技術和信息化技術的快速發(fā)展，一種嶄新的設計方式——三維協(xié)同設計，動搖著傳統(tǒng)工程二維設計理念.三維設計技術給工程領域帶來的革命，讓人們看到了真正的計算機輔助設計的美好現(xiàn)實與未來.文章在收集、綜合了大量國內(nèi)外工程三維設計資料的基礎上，結合我國水利水電工程實際，系統(tǒng)論述了水利水電三維協(xié)同設計的概念、原理和方法，闡述了三維協(xié)同設計系統(tǒng)的先進性、行業(yè)應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.

關鍵詞：水利水電工程；三維設計；行業(yè)應用；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TB21文獻標識碼：A文章編號：1674-4942（2015）04-0461-04

在水利水電等工程建造領域，傳統(tǒng)的設計師們設計立體建筑物，是從原始的手工繪圖方式開始，或者利用后來發(fā)展的計算機輔助繪圖方式，總是先將立體設計對象轉(zhuǎn)化成平面形式來實現(xiàn)的.由于受技術條件的限制，傳統(tǒng)二維設計手段的最大弊端就是可想而不可見.對設計者而言，他們所構思的三維建筑物之間的邏輯關系、工程的總體布置等，都需要轉(zhuǎn)換成數(shù)量龐大的二維平面設計圖紙，既耗費設計師大量的時間和精力，又無法直觀并完全表達其原始設計意圖.在信息化技術快速進步和巨大市場需求的背景下，一種對結構描述更加真實、更加準確、更加全面的三維設計（也稱“三維產(chǎn)品仿真設計”）技術，以其可視化的巨大優(yōu)勢在國內(nèi)外水電工程設計行業(yè)風生水起[1].在三維設計中，集成化的三維項目模型的各種信息相互關聯(lián)，使得任何一個地方的設計或設計變更，只需在同一個地方完成即可，不僅可節(jié)省大量的設計時間，縮短設計周期，又能最大限度地減少差錯、提高設計質(zhì)量.三維設計已成為水利水電工程設計領域技術進步和創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢.

1水利水電三維設計系統(tǒng)

三維設計簡單地說，就是讓設計師的設計工作直接從三維開始，遵循一種完全符合人類大腦思維和行為習慣的模式，保證設計思維的連貫性，避免了經(jīng)過二維設計轉(zhuǎn)換的繁瑣過程.三維設計的特點是實現(xiàn)了設計過程的可視化與智能化，它包括設計條件，如地質(zhì)，水文，地形，樞紐布置及施工條件等的可視化、設計建模的可視化、計算分析過程的可視化與成果展示的可視化.三維設計系統(tǒng)是利用計算機虛擬現(xiàn)實技術，通過計算機仿真模擬設計軟件來實現(xiàn)的.目前在水利水電工程勘測設計領域具有三維協(xié)同仿真設計功能的軟件系統(tǒng)主要有三大產(chǎn)品，即法國達索公司的CATIA軟件、美國Bentley公司的MicroStation軟件和美國Autodesk公司的AutoCAD軟件.三維設計系統(tǒng)的基本工作原理及關鍵技術可概括為四個方面：1）骨架設計與驅(qū)動，2）參數(shù)化設計與驅(qū)動，3）模板設計與知識工程，4）協(xié)同設計模式。

1.1骨架設計與驅(qū)動

骨架（Skeleton，又稱骨架模型），是將某一數(shù)字幾何模型拓撲特性經(jīng)過某種特殊方法處理后具有類似生物“骨骼”般的可視幾何圖形，它以圖（Grahp）數(shù)據(jù)結構的形式進行存儲[4]，是構成工程全三維模型的核心和有效組織形式.骨架的組織形式一般采取多級樹形結構，分為總骨架和子骨架，子骨架又可衍生下級子骨架.水利工程三維模型中的骨架，大致分為工程總骨架（也稱“頂層基本骨架”）、單元工程骨架和零部件骨架三類.骨架設計是三維設計的基礎工作，采取自頂向下的設計方法.骨架設計的思路是，在工程總體設計初期（可研設計階段），從產(chǎn)品裝配的最高層面考慮工程的設計結構[5]，確定產(chǎn)品模型的主要空間位置和空間形狀，例如大壩的基準點、線、面，其他構筑物的點、輪廓線、輪廓面等，定義工程主模塊與子模塊的關聯(lián)（驅(qū)動與繼承）關系，如空間要求、界面及其他幾何屬性等拓撲約束關系[6].當工程發(fā)生重大設計變更（如地質(zhì)、建基面、樁號變更）時，只要在頂層基本骨架中完成所有控制參數(shù)的修改，便可驅(qū)動整個模型的更改.

1.2參數(shù)化設計與參數(shù)驅(qū)動

三維設計的另一個重要技術手段就是參數(shù)化設計與參數(shù)驅(qū)動.參數(shù)化設計技術以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動為特征，允許設計者在設計的初期只畫一個產(chǎn)品草圖，然后將產(chǎn)品的幾何尺寸、位置關系定義為參數(shù)變量，需要時，只要修改這些參數(shù)變量或約束，即可直接或間接地改變圖形的尺寸及形狀，并驅(qū)動模型中所有其他相關聯(lián)部分圖形的修改，極大地改善了圖形的創(chuàng)建和修改手段，提高了設計的柔性和工作效率[7].

1.3模板化設計

模板化設計是三維設計中知識重用思想的具體體現(xiàn)和重要技術手段.在水工建筑物中，有許多典型結構，如擋土墻，廠房上部結構中的牛腿、板、梁、柱、樓梯等，其重復利用率非常高.如果每次重復建模，會浪費很多時間[8].模板化設計就是把一些定型的、在多個工程項目之間反復使用的一些構件的設計過程做成模板，供任意工程設計時調(diào)用，以達到快速三維建模的目的，大幅提高工作效率和工作質(zhì)量.把參數(shù)化設計與模板化設計兩者相比較可以看出，如果說參數(shù)化設計是著眼于同一工程項目的一族產(chǎn)品的快速設計和修改的話，那么模板化設計則定位于不同工程項目的同類產(chǎn)品的結構設計.模板化設計是參數(shù)化設計思想的延伸和另類應用，法國達索公司的CATIA的知識模板功能提供了一個很好的實現(xiàn)模板化設計的軟件工具.

1.4協(xié)同設計

水利水電設計工作是一個涉及不同設計階段、眾多工程專業(yè)深度配合的系統(tǒng)工程，需要在各專業(yè)技術人員之間建立大規(guī)模的深度協(xié)同的工作關系，需要對設計信息及設計成果的高度集成和共享.傳統(tǒng)的離線設計方式需要大量面對面地溝通交流，設計流程復雜，效率和質(zhì)量得不到保證，而三維設計系統(tǒng)的在線協(xié)同功能是使所有設計者都在同一環(huán)境下在線工作，設計數(shù)據(jù)同步且唯一，設計流程清晰簡單，不同專業(yè)或不同部位的設計產(chǎn)品之間能夠相互關聯(lián)，實現(xiàn)了與業(yè)主、施工單位、專業(yè)間的實時溝通[9].如文獻[10]設計水電站廠房的三維設計。

2水利水電三維設計系統(tǒng)的先進性

水利水電工程三維協(xié)同可視化設計技術，突破了許多二維設計中的技術瓶頸，具有二維設計無法比擬的優(yōu)越性，較為突出的主要有以下幾個方面.

2.1提高了水電產(chǎn)品的設計質(zhì)量

在三維設計條件下，設計者實現(xiàn)了三維空間布置和設計，大大提升了產(chǎn)品的設計和創(chuàng)新手段.設計師們不再是圖紙的奴隸，他們的時間和精力被充分釋放，設計靈感受到極大激發(fā)，能夠站在工程設計的整體高度，進行多角度、多領域（專業(yè)）的產(chǎn)品審視、平衡，并進行設計方案的快速優(yōu)化和比較選擇.通過碰撞檢查和模型校驗，可以大大減少設計上的錯、漏、碰、缺現(xiàn)象，使得三維設計能更真實、更準確地描述設計物的結構以及各結構之間的空間關系，模型中的數(shù)據(jù)信息就是實際建設中的準確數(shù)據(jù)，既避免了工程建設的資源浪費節(jié)省了投資，又保證了工程體的高度安全，工程設計質(zhì)量得到了大幅提高.

2.2提高了水電工程設計效率

設計效率一直是影響水利水電工程建設周期的關鍵環(huán)節(jié).在傳統(tǒng)二維設計中，如果強調(diào)提高設計效率，往往意味著要以增加資源消耗和降低設計質(zhì)量為代價.由于三維協(xié)同設計技術對設計成果集中管理，能夠使設計工作在同一平臺上的不同專業(yè)的技術人員做到深度協(xié)同配合，在產(chǎn)品開發(fā)流程的早期及時發(fā)現(xiàn)和更正潛在的問題，并通過協(xié)同機制及時反饋給上、下游或同專業(yè)其他設計人員，避免了設計盲區(qū)，降低了出錯概率，同時又減少了決策的時間和成本[11]，“又好”、“又快”不再發(fā)生矛盾.

2.3提供了理想的結構分析模型

水利工程設計針對建筑物結構強度的預測、后驗校核和事故分析，是通過結構應力分析計算來完成的.而水利工程三維設計模型成果往往可為后續(xù)的結構分析計算提供理想的模型基礎.法國的CA⁃TIA三維設計系統(tǒng)，其結構分析與仿真解決方案為設計者提供了高度自動化、透明的解決方案.CATIA能夠自動進行網(wǎng)格劃分和初步的有限元分析，同時與原三維模型保持關聯(lián).當三維模型結構發(fā)生變化，有限元模型也跟隨更新，無需重新建立模型，大大縮短了建模時間，提高了分析效率.設計人員可以隨時修改三維模型，而分析人員可以利用已有的三維模型，進行水工結構的應力、位移等計算分析[11].對于大型復雜結構的設計，可采用軟件組合的方法，例如，通過CATIA建模，再導入專業(yè)有限元分析軟件ANSYS中進行結構應力分析計算.

2.4提供了可視化的產(chǎn)品展示模型

三維協(xié)同設計另一個突出的優(yōu)勢，就是能形成虛擬的三維工程模型，使設計人員能將其設計理念和設計成果進行可視化三維展示，既能在投入施工之前模擬出水利水電工程建設的全過程，還能模擬出工程建成后的使用情況.這樣就能充分滿足業(yè)主方和行業(yè)領導在聽取匯報時的視覺感受，提高了設計單位的方案中標率。

3我國水利水電三維設計應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

3.1行業(yè)三維設計應用現(xiàn)狀

早在十幾年前，我國的水利水電工程領域就已經(jīng)開展了三維設計系統(tǒng)的引進、應用及研究工作，但主要集中在一些大型設計院.他們成立工程數(shù)字化研究中心，大力開展技術培訓，并實施產(chǎn)學研一體化策略等措施[12-15].已有成果表明，采用三維設計使設計圖紙的一次校審通過率可普遍提高至90%，設計產(chǎn)品的差錯率減少約80%.比傳統(tǒng)設計效率提高42%以上[16]，工程項目設計周期縮短了30%[17]，大大提升了設計單位的生產(chǎn)力、生產(chǎn)水平和市場競爭力.目前國家已從行業(yè)層面進入到三維設計標準制定、三維模型庫建設及三維平臺建設的整合開發(fā)階段.截止2015年上半年，在國內(nèi)各級水利水電勘測設計院中，開展三維設計的已超過23家.隨著時間的推移，三維協(xié)同設計的巨大生命力將日漸凸顯.可以預見，水利水電工程的設計將進入三維協(xié)同設計時代.

3.2行業(yè)發(fā)展趨勢

隨著三維設計系統(tǒng)應用的逐步深入，三維模型數(shù)據(jù)也將會不斷得到充實、豐富，這為設計企業(yè)開展工程數(shù)字化新業(yè)務創(chuàng)造了先機、開辟了方向.

3.2.1數(shù)字化設計與施工一體化

水利工程數(shù)字化設計與施工是計算機虛擬設計與虛擬制造在工程領域的典型應用.設計與施工的一體化與相互融合是工程建造領域發(fā)展、進步的必然趨勢，充分利用水利水電工程三維模型信息量豐富、可視性強的特點和優(yōu)勢，使實現(xiàn)數(shù)字化設計與施工一體化成為可能.用數(shù)字整體移交的理念和方法將三維模型運用于工程現(xiàn)場施工與管理以獲取三維模型的附加收益[16].如通過CATIA/SimuPower平臺，可使施工組織設計全部數(shù)字化和可視化，使施工現(xiàn)場的一切面貌均可在計算機屏幕上一一再現(xiàn)，并以現(xiàn)場實際施工面貌為基礎，預測一個月、一年以后工程區(qū)的三維施工面貌，從而決策優(yōu)選施工組織方案.這樣，人們向往的遠程施工管理就可實現(xiàn)三維可視化.

3.2.2數(shù)字化設計與全生命周期管理服務一體化

全生命周期管理（ELM—EngineeringLifecycleManagement）是對項目從可研到運行，到最終報廢等全生命周期的項目數(shù)據(jù)進行管理的一種先進的工具、方法與理念.設計單位通過三維協(xié)同設計建立起來的工程信息數(shù)據(jù)就是ELM所需要的最可靠、極珍貴的前端數(shù)據(jù).設計單位以三維設計數(shù)字模型為基礎，逐步構建滿足設計、采購、施工到運行和維護管理等需求的全信息三維數(shù)字化模型，整合工程安全等業(yè)務系統(tǒng)，最終將實物資產(chǎn)和全信息數(shù)字化虛擬資產(chǎn)進行整體移交，為工程業(yè)主提供工程全生命周期管理服務[16].可以預見，數(shù)字化設計與全生命周期管理一體化，必將極大地帶動我國水利水電工程建設領域生產(chǎn)方式的變革和全面升級，從而促進水利水電事業(yè)的大發(fā)展.

4結語

由于三維設計系統(tǒng)有諸多明顯優(yōu)勢，目前已迅速發(fā)展成水利水電工程設計的熱門技術，成為水利水電勘測設計企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級、創(chuàng)新管理模式、提高企業(yè)核心競爭力的必然選擇.在海南，由于存在人才、資金、技術等瓶頸因素，開展水利水電三維設計還有很多困難，目前還僅僅處在起步階段.建議海南結合當?shù)貙嶋H，積極開展水利工程三維協(xié)同設計技術的前期調(diào)研和應用研究工作，吸引更多的有識之人關心和參與三維設計系統(tǒng)這一最新技術，爭取早日在海南水利水電工程勘測設計中實現(xiàn)三維設計零的突破。