摘要：隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，一種嶄新的設(shè)計(jì)方式——三維協(xié)同設(shè)計(jì)，動搖著傳統(tǒng)工程二維設(shè)計(jì)理念.三維設(shè)計(jì)技術(shù)給工程領(lǐng)域帶來的革命，讓人們看到了真正的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的美好現(xiàn)實(shí)與未來.文章在收集、綜合了大量國內(nèi)外工程三維設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國水利水電工程實(shí)際，系統(tǒng)論述了水利水電三維協(xié)同設(shè)計(jì)的概念、原理和方法，闡述了三維協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的先進(jìn)性、行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.
關(guān)鍵詞：水利水電工程；三維設(shè)計(jì)；行業(yè)應(yīng)用；發(fā)展趨勢
中圖分類號：TB21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-4942（2015）04-0461-04
在水利水電等工程建造領(lǐng)域，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)師們設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助繪圖方式，總是先將立體設(shè)計(jì)對象轉(zhuǎn)化成平面形式來實(shí)現(xiàn)的.由于受技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手段的最大弊端就是可想而不可見.對設(shè)計(jì)者而言，他們所構(gòu)思的三維建筑物之間的邏輯關(guān)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(shè)計(jì)圖紙，既耗費(fèi)設(shè)計(jì)師大量的時(shí)間和精力，又無法直觀并完全表達(dá)其原始設(shè)計(jì)意圖.在信息化技術(shù)快速進(jìn)步和巨大市場需求的背景下，一種對結(jié)構(gòu)描述更加真實(shí)、更加準(zhǔn)確、更加全面的三維設(shè)計(jì)（也稱“三維產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)”）技術(shù)，以其可視化的巨大優(yōu)勢在國內(nèi)外水電工程設(shè)計(jì)行業(yè)風(fēng)生水起[1].在三維設(shè)計(jì)中，集成化的三維項(xiàng)目模型的各種信息相互關(guān)聯(lián)，使得任何一個(gè)地方的設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)變更，只需在同一個(gè)地方完成即可，不僅可節(jié)省大量的設(shè)計(jì)時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期，又能最大限度地減少差錯(cuò)、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量.三維設(shè)計(jì)已成為水利水電工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢.
1水利水電三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)
三維設(shè)計(jì)簡單地說，就是讓設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)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(xí)慣的模式，保證設(shè)計(jì)思維的連貫性，避免了經(jīng)過二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換的繁瑣過程.三維設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的可視化與智能化，它包括設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)建模的可視化、計(jì)算分析過程的可視化與成果展示的可視化.三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬設(shè)計(jì)軟件來實(shí)現(xiàn)的.目前在水利水電工程勘測設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有三維協(xié)同仿真設(shè)計(jì)功能的軟件系統(tǒng)主要有三大產(chǎn)品，即法國達(dá)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(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本工作原理及關(guān)鍵技術(shù)可概括為四個(gè)方面：1）骨架設(shè)計(jì)與驅(qū)動，2）參數(shù)化設(shè)計(jì)與驅(qū)動，3）模板設(shè)計(jì)與知識工程，4）協(xié)同設(shè)計(jì)模式。
1.1骨架設(shè)計(jì)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?fù)涮匦越?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(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行存儲[4]，是構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)是三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工作，采取自頂向下的設(shè)計(jì)方法.骨架設(shè)計(jì)的思路是，在工程總體設(shè)計(jì)初期（可研設(shè)計(jì)階段），從產(chǎn)品裝配的最高層面考慮工程的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[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(zhǔn)點(diǎn)、線、面，其他構(gòu)筑物的點(diǎn)、輪廓線、輪廓面等，定義工程主模塊與子模塊的關(guān)聯(lián)（驅(qū)動與繼承）關(guān)系，如空間要求、界面及其他幾何屬性等拓?fù)浼s束關(guān)系[6].當(dāng)工程發(fā)生重大設(shè)計(jì)變更（如地質(zhì)、建基面、樁號變更）時(shí)，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(gè)模型的更改.
1.2參數(shù)化設(shè)計(jì)與參數(shù)驅(qū)動
三維設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要技術(shù)手段就是參數(shù)化設(shè)計(jì)與參數(shù)驅(qū)動.參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動為特征，允許設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的初期只畫一個(gè)產(chǎn)品草圖，然后將產(chǎn)品的幾何尺寸、位置關(guān)系定義為參數(shù)變量，需要時(shí)，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(guān)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(shè)計(jì)的柔性和工作效率[7].
1.3模板化設(shè)計(jì)
模板化設(shè)計(jì)是三維設(shè)計(jì)中知識重用思想的具體體現(xiàn)和重要技術(shù)手段.在水工建筑物中，有許多典型結(jié)構(gòu)，如擋土墻，廠房上部結(jié)構(gòu)中的牛腿、板、梁、柱、樓梯等，其重復(fù)利用率非常高.如果每次重復(fù)建模，會浪費(fèi)很多時(shí)間[8].模板化設(shè)計(jì)就是把一些定型的、在多個(gè)工程項(xiàng)目之間反復(fù)使用的一些構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程做成模板，供任意工程設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用，以達(dá)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(shè)計(jì)與模板化設(shè)計(jì)兩者相比較可以看出，如果說參數(shù)化設(shè)計(jì)是著眼于同一工程項(xiàng)目的一族產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)和修改的話，那么模板化設(shè)計(jì)則定位于不同工程項(xiàng)目的同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).模板化設(shè)計(jì)是參數(shù)化設(shè)計(jì)思想的延伸和另類應(yīng)用，法國達(dá)索公司的CATIA的知識模板功能提供了一個(gè)很好的實(shí)現(xiàn)模板化設(shè)計(jì)的軟件工具.
1.4協(xié)同設(shè)計(jì)
水利水電設(shè)計(jì)工作是一個(gè)涉及不同設(shè)計(jì)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(shù)人員之間建立大規(guī)模的深度協(xié)同的工作關(guān)系，需要對設(shè)計(jì)信息及設(shè)計(jì)成果的高度集成和共享.傳統(tǒng)的離線設(shè)計(jì)方式需要大量面對面地溝通交流，設(shè)計(jì)流程復(fù)雜，效率和質(zhì)量得不到保證，而三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的在線協(xié)同功能是使所有設(shè)計(jì)者都在同一環(huán)境下在線工作，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同步且唯一，設(shè)計(jì)流程清晰簡單，不同專業(yè)或不同部位的設(shè)計(jì)產(chǎn)品之間能夠相互關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了與業(yè)主、施工單位、專業(yè)間的實(shí)時(shí)溝通[9].如文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)水電站廠房的三維設(shè)計(jì)。
2水利水電三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的先進(jìn)性
水利水電工程三維協(xié)同可視化設(shè)計(jì)技術(shù)，突破了許多二維設(shè)計(jì)中的技術(shù)瓶頸，具有二維設(shè)計(jì)無法比擬的優(yōu)越性，較為突出的主要有以下幾個(gè)方面.
2.1提高了水電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量
在三維設(shè)計(jì)條件下，設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)了三維空間布置和設(shè)計(jì)，大大提升了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新手段.設(shè)計(jì)師們不再是圖紙的奴隸，他們的時(shí)間和精力被充分釋放，設(shè)計(jì)靈感受到極大激發(fā)，能夠站在工程設(shè)計(jì)的整體高度，進(jìn)行多角度、多領(lǐng)域（專業(yè)）的產(chǎn)品審視、平衡，并進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的快速優(yōu)化和比較選擇.通過碰撞檢查和模型校驗(yàn)，可以大大減少設(shè)計(jì)上的錯(cuò)、漏、碰、缺現(xiàn)象，使得三維設(shè)計(jì)能更真實(shí)、更準(zhǔn)確地描述設(shè)計(jì)物的結(jié)構(gòu)以及各結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系，模型中的數(shù)據(jù)信息就是實(shí)際建設(shè)中的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，既避免了工程建設(shè)的資源浪費(fèi)節(jié)省了投資，又保證了工程體的高度安全，工程設(shè)計(jì)質(zhì)量得到了大幅提高.
2.2提高了水電工程設(shè)計(jì)效率
設(shè)計(jì)效率一直是影響水利水電工程建設(shè)周期的關(guān)鍵環(huán)節(jié).在傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)中，如果強(qiáng)調(diào)提高設(shè)計(jì)效率，往往意味著要以增加資源消耗和降低設(shè)計(jì)質(zhì)量為代價(jià).由于三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)對設(shè)計(jì)成果集中管理，能夠使設(shè)計(jì)工作在同一平臺上的不同專業(yè)的技術(shù)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(shí)發(fā)現(xiàn)和更正潛在的問題，并通過協(xié)同機(jī)制及時(shí)反饋給上、下游或同專業(yè)其他設(shè)計(jì)人員，避免了設(shè)計(jì)盲區(qū)，降低了出錯(cuò)概率，同時(shí)又減少了決策的時(shí)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(jié)構(gòu)分析模型
水利工程設(shè)計(jì)針對建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的預(yù)測、后驗(yàn)校核和事故分析，是通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計(jì)算來完成的.而水利工程三維設(shè)計(jì)模型成果往往可為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算提供理想的模型基礎(chǔ).法國的CA⁃TIA三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)分析與仿真解決方案為設(shè)計(jì)者提供了高度自動化、透明的解決方案.CATIA能夠自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分和初步的有限元分析，同時(shí)與原三維模型保持關(guān)聯(lián).當(dāng)三維模型結(jié)構(gòu)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(shí)間，提高了分析效率.設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)修改三維模型，而分析人員可以利用已有的三維模型，進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等計(jì)算分析[11].對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可采用軟件組合的方法，例如，通過CATIA建模，再導(dǎo)入專業(yè)有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計(jì)算.
2.4提供了可視化的產(chǎn)品展示模型
三維協(xié)同設(shè)計(jì)另一個(gè)突出的優(yōu)勢，就是能形成虛擬的三維工程模型，使設(shè)計(jì)人員能將其設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)成果進(jìn)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(shè)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(lǐng)導(dǎo)在聽取匯報(bào)時(shí)的視覺感受，提高了設(shè)計(jì)單位的方案中標(biāo)率。
3我國水利水電三維設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
3.1行業(yè)三維設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀
早在十幾年前，我國的水利水電工程領(lǐng)域就已經(jīng)開展了三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的引進(jìn)、應(yīng)用及研究工作，但主要集中在一些大型設(shè)計(jì)院.他們成立工程數(shù)字化研究中心，大力開展技術(shù)培訓(xùn)，并實(shí)施產(chǎn)學(xué)研一體化策略等措施[12-15].已有成果表明，采用三維設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)圖紙的一次校審?fù)ㄟ^率可普遍提高至90%，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的差錯(cuò)率減少約80%.比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)效率提高42%以上[16]，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期縮短了30%[17]，大大提升了設(shè)計(jì)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(jìn)入到三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定、三維模型庫建設(shè)及三維平臺建設(shè)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(shè)計(jì)院中，開展三維設(shè)計(jì)的已超過23家.隨著時(shí)間的推移，三維協(xié)同設(shè)計(jì)的巨大生命力將日漸凸顯.可以預(yù)見，水利水電工程的設(shè)計(jì)將進(jìn)入三維協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)代.
3.2行業(yè)發(fā)展趨勢
隨著三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用的逐步深入，三維模型數(shù)據(jù)也將會不斷得到充實(shí)、豐富，這為設(shè)計(jì)企業(yè)開展工程數(shù)字化新業(yè)務(wù)創(chuàng)造了先機(jī)、開辟了方向.
3.2.1數(shù)字化設(shè)計(jì)與施工一體化
水利工程數(shù)字化設(shè)計(jì)與施工是計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)與虛擬制造在工程領(lǐng)域的典型應(yīng)用.設(shè)計(jì)與施工的一體化與相互融合是工程建造領(lǐng)域發(fā)展、進(jìn)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(qiáng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，使實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)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(yùn)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(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)屏幕上一一再現(xiàn)，并以現(xiàn)場實(shí)際施工面貌為基礎(chǔ)，預(yù)測一個(gè)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(yuǎn)程施工管理就可實(shí)現(xiàn)三維可視化.
3.2.2數(shù)字化設(shè)計(jì)與全生命周期管理服務(wù)一體化
全生命周期管理（ELM—EngineeringLifecycleManagement）是對項(xiàng)目從可研到運(yùn)行，到最終報(bào)廢等全生命周期的項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的一種先進(jìn)的工具、方法與理念.設(shè)計(jì)單位通過三維協(xié)同設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)單位以三維設(shè)計(jì)數(shù)字模型為基礎(chǔ)，逐步構(gòu)建滿足設(shè)計(jì)、采購、施工到運(yùn)行和維護(hù)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(wù)系統(tǒng)，最終將實(shí)物資產(chǎn)和全信息數(shù)字化虛擬資產(chǎn)進(jìn)行整體移交，為工程業(yè)主提供工程全生命周期管理服務(wù)[16].可以預(yù)見，數(shù)字化設(shè)計(jì)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(shè)領(lǐng)域生產(chǎn)方式的變革和全面升級，從而促進(jìn)水利水電事業(yè)的大發(fā)展.
4結(jié)語
由于三維設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的熱門技術(shù)，成為水利水電勘測設(shè)計(jì)企業(yè)實(shí)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(shù)等瓶頸因素，開展水利水電三維設(shè)計(jì)還有很多困難，目前還僅僅處在起步階段.建議海南結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際，積極開展水利工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的前期調(diào)研和應(yīng)用研究工作，吸引更多的有識之人關(guān)心和參與三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)這一最新技術(shù)，爭取早日在海南水利水電工程勘測設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)零的突破。
