浅谈三维协同设计

□王守中 王 伟

1.三维设计

今天由于计算机软硬件技术的进步，设计人员摆脱二维图形的限制，进入三维设计阶段。三维设计采用虚拟现实技术，人们面对的不再是抽象的二维空间，而是三维实体，二维图纸只不过是三维设计的副产物，设计人员可以把更多的精力放在设计上，而不是画图上，充分发挥设计人员的想象力，使设计更加合理。同时三维设计表现直观便于和非专业人士进行技术交流。

三维设计软件采用的尺寸驱动，使得我们在产品方案设计阶段即可迅速得到合理的设计方案和成果 （工程量、体形、碰撞等），并且这样的成果可延续至产品的最终设计。

图纸校审方便，图纸的校审工作不再是图纸尺寸的校审和依据图纸尺寸去判别结构的合理性，图纸的校审工作发生根本性的改变，结构的合理性可以从三维模型中直接获取，尺寸的校审工作也不再是尺寸校对，转变为检查尺寸标注的合理性。

三维设计成果可贯穿建设项目的全寿命期，为产品的运行、管理、维护直至寿命终结提供基础数据资料。在三维设计阶段，建设项目的整个活动与过程“没有计算机是做不到的”。

除了没有计算机就做不到．在传统的工作模式下也做不到。设计团队需要共同搭建一个模型，每一个成员在整体模型中完成自己承担的部分。可以清楚地看出每一部分设计数据是唯一的，相互间的关系是真实准确的。设计者关注的是设计本身，模型建成之后，图纸不过是对模型任意剖切得到的二维描述。此时“设计”和“绘图”已清晰地分开的。

2.协同设计

“协同设计”是当前设计行业经常提到的一个概念。水利水电工程设计参与专业众多，有测量、地质、水工、机电、金结、厂房等，各专业参与其中，完成设计任务的某一部分。协同设计就是指在设计过程中，多专业相互配合，共同完成设计任务。由于多专业、多设计人员参与其中，每人对项目的理解参差不齐，设计思路各有差异，会导致项目在设计过程中产生碰撞、配合等问题，从而降低设计质量和效率。协同设计的作用正是使各专业相互交流、沟通、协调，以最大程度将设计中因协调不畅而产生的问题最小化。

二维设计也有协同，如上下游专业互提资料单，召开设计协调会，设计人员参考其他人员的图形文件等。问题是几张图纸不能完全展现所有的设计数据，而各专业间图纸表述内容、类型、数量千差万别，难以做到整套图纸的协同。因此，二维设计无法达到实时协同，根源在于二维设计本身不具备实时协同的基础。

以图纸为工作对象的传统工作方式，由于同一设计内容在不同图纸上重复出现而使得修改的工作量成倍增加，从而出错的机会也成倍增加。对于目前大量的一般设计项目来说．电脑绘图的工作方式尽管有诸多弊端，但还是可以保证完成设计。甚至由于设计人员对此种工作方式的熟练操作，个人的高工作效率，掩盖了其中的消极因素——团队低效率。但从设计项目的发展趋势来看，项目曰趋复杂。参与设计项目的人员和团队众多。专业化分工协作的趋势曰趋明显，专业化的范围逐渐扩大，专业分工更多更细，深度也逐渐加大。一些超大型的复杂设计项目，采用传统的工作方式已经难以实现了。

三维协同设计的工 作模式形成设计团队的梯形构架和设计文件的多层次结构——团队模式，设计人员更多地关注设计本身，而不只是图纸。准确的设计内容；清晰的文件结构关系；规范的元素标准，决定了最终的输出结果一定是正确无误的。

3.两项原则是协同设计的关键

3.1 设计数据的惟一性原则

它体现在三维设计中无疑是概念清晰操作明确的。三维协同设计以单一模型来实现设计数据的惟一性，而当应用于二维设计时，惟一性的概念往往被忽略，根本的原因在于二维设计中设计数据与设计图纸概念的混淆。三维协同设计中设计数据体现在模型中，设计数据与设计图纸概念的区分是实现设计数据惟一性的基础。

3.2 设计团队以设计内容为分工依据的原则

建立起了设计数据惟一性的概念，设计团队分工的依据就成为下一个应当解决的问题。以设计内容而不是最终的图纸内容为分工依据是实现团队协同设计另一个关键所在，合理有效的分工方式是实现设计数据惟一性的基础，同时两者互为充分必要条件。

4.三维协同设计从设计功能和信息共享管理上需要解决的问题

4.1 各专业间的数据关联

三维模型易于理解，无多义性，各专业三维模型可以关联，设计变更快。这就要求各专业三维协同设计应采用同构的三维设计软件，否则，难以保证有效的数据关联。

4.2 总体和局部的关系

机械行业一般采用自下而上的设计方法，首先设计各个零件模型，而后将零件模型按照模型的相对关系组装即可。水利水电工程则采用自上而下的设计方法，先进行总体布置，再进行水工建筑物细部设计。总体布置需要定义整个工程的关键定位、布置基准、各水工建筑物相对位置关系和重要尺寸，这与三维设计软件骨架设计思想是一致的，工程总体设计开始就要从工程装配的最高层面上考虑工程的设计结构，搞清楚整体装配和子装配的位置关系，上游向下游传递设计数据表达，有的放矢地进行各专业设计。

4.3 统一的三维设计模型和参数

三维协同设计需统一管理数据源，来保证数据的唯一性。通过统一管理设计模型和设计参数，使各专业在最新版本的三维模型上工作，一个专业的修改对其它专业的影响能即时体现。

4.4 设计结构、参数、关联和知识信息的管理

三维模型含有大量的结构、参数、关联和知识信息，这些信息通过数据库技术和三维模型融合在一起，可以非常方便地提取这些信息，进行查询、统计和管理。在二维设计中，这些数据无法和图纸放在一起，也就没有直接的关系了。

4.5 设计流程管理

在协同设计平台的统一管理下，对设计流程进行定义和管理，设计活动在协同设计平台管理下进行，设计人员通过网络对三维模型进行实时浏览、批注、修改等，完成三维设计、校核、评审、直至三维发布。

改变人的操作习惯是困难的，改变人的思维方式则更困难。三维设计最大的难点不是投资和软硬件设施，而是改变设计人员的思维方式和工作习惯。人们已习惯了以图纸为对象的设计方法，一旦改变成以模型为设计对象，会感到无从下手，初期设计效率会有所降低。但是，无论我们是否真的愿意接受，三维设计取代二维设计是必然的，当然，并不是所有设计都必须用到三维。如果说在电脑取代手工绘图时，我们还可用鼠标来模拟笔和尺，三维设计我们则没有多少经验可以借鉴，也正是因此，三维设计所能够带给我们的冲击和变革动力才是真正值得期待的。□