三维协同设计研究综述

董丽娜，孙 雷

(1. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;2. 哈尔滨市水文局，哈尔滨150010)

2011年初，中央发布了一号文件《中共中央、国务院关于加快水利改革发展的决定》，2011年7月8日—9日中央水利工作会议在北京召开。一号文件和中央水利工作会议特别强调:加快水利改革发展;着力提高水利科技创新能力，加快水利科技成果推广转化。三维协同设计的推广正代表了这种科技的更新与变革，而这种设计理念和先进的设计水平，已经成为水利行业发展的新趋势和新方向。

1 水利规划设计

水利规划设计的内容大体可概括为:问题识别、方案拟定、影响评价和方案论证等4个阶段，由粗到细，逐步深入。为使水利建设能按既定要求、时间有步骤地实现，在设计过程中我们开始植入三维协同设计的理念;在专有的软件平台上进行建模和设计工作。

2 三维协同设计

2.1 设计理念

三维协同设计是以三维数字技术为基础，以三维CAD设计软件为载体，不同专业人员组成的设计团队，为了实现或完成一个共同的设计目标或项目在一起开展工作，是一个知识共享和集成的过程。“协同设计”是当前设计行业经常提到的一个概念，设计过程中项目的目的是唯一的，但由于多专业、多设计人员参与其中，各设计人员对项目目的的理解不同，设计思路的差异，这样必然导致项目在设计过程中产生冲突、配合等问题，从而降低设计质量和设计效率。协同在设计中的主要作用正是使各专业相互交流、相互沟通、相互协调，以最大程度将设计中因为协调不畅而产生的问题最小化和最少化。

2.2 三维协同设计平台

协同设计，首先必须要统一设计平台，让各专业在同一平台、同一模型、同一数据、同一思路下进行设计。国际上三维协同技术领先的3 家企业分别是欧特克、Bentley、达索，设计平台及特点如下:

2.2.1 AutoCAD Civil 3D

AutoCAD Civil 3D 软件是Autodesk 面向土木工程行业的建筑信息模型( BIM) 解决方案。该软件能够创建协调一致、包含大量数据的模型，帮助从事水利规划项目的专业人员在设计阶段及早进行分析，实现设计方案外观、性能和成本的可视化及仿真，并且更精确地制作设计文档。AutoCAD Civil 3D 生成的单一模型中包含丰富的智能、动态数据，便于设计者在项目的任何阶段快速进行设计变更;根据分析和性能结果做出更明智的决策，选择最佳设计方案;快速、高效地创建与设计变更保持同步的可视化效果。该模型可以自动反映对整个项目绘图和标注所做的任何变更。

2.2.2 MicroStation V8 软件平台

MicroStation V8i 是Bentley 公司的产品，这个平台可以帮助工程师们完成基础设施项目的设计、建模、可视化、文档制作和测绘。MicroStation 是他们首选的一款CAD 软件基础，因为它提供给桌面一套经验证有效的集成化功能，该功能有三大特性—直观性、交互性和高效的数据互用性。它的优点:通过简化工作流程提高效率; 通过自动执行重复过程节省时间;通过简化程序提高生产力; 通过软件整合实现功能多样化;精确设计和提高可靠性; 提高项目质量和促进重复使用。

2.2.3 Catia V5

达索公司的产品。它是基于DSI 插值算法和约束控制的水电水利工程三维地质动态分析技术，解决了水电水利工程三维建模过程与地质空间解析过程的融合问题，实现了地质数据的三维采集、三维可视化校验、三维交互解析建模、三维地质成果的二维出图，提高了设计质量和效率; 提出了基于水电水利工程参数化驱动的三维建模技术，将设计参数、设计过程、设计规则和行业知识封装于三维模型中，解决了参数、规则对模型的驱动与更新机制问题，推动了水电水利工程标准化、模块化设计的发展; 研究解决了水电水利工程关联设计问题，建立了设计模型与分析模型、三维模型与工程图、工程属性与图纸标注的关联关系，实现了水电水利工程模型的智能更新与自动出图;提出了自上而下的水电水利工程多层骨架驱动与特征级协同技术，建立了由水工建筑物与机电设备控制点、线、面构成的骨架驱控体系，解决了多专业设计成果的发布与引用机制问题，实现了在三维虚拟工程环境下多专业模型的自动装配和在线协同设计。

3 三维协同设计在国内水利行业的发展动态

3.1 黑龙江省水利水电勘测设计研究院三维协同设计工作的推进与应用

三维协同设计代表了最新的设计理念和先进的设计水平，已经成为工程设计行业发展的趋势和方向。黑龙江水院将“三维协同设计”的应用与发展纳入院“十二五发展目标”，于2011年6月上旬启动了“三维协同设计”准备工作，由院领导负责，集结院具创新能力、研发能力的专业技术人员成立了“三维协同设计工作组”，就三维协同设计平台的功能、性能、技术指标、开发环境、应用情况等问题进行了充分调研。2011年9月初院发布了《黑龙江省水利水电勘测设计研究院“三维协同设计整体解决方案”征集书》，得到了在业界具有广泛影响和代表性的Autodesk 公司、Bentley 公司、Catia软件代理商成都希盟泰克公司3 家软件商积极响应。在评审会上，3 家公司进行了多媒体演示和讲解，展示了各自的优势和特点。经过与会专家的认真评审打分，决定优先试用Bentley 公司软件为平台开展三维协同设计试点工作，标志着设计院正步入科学发展的快车道。

3.2 长沙中南院

2011年5月底，中南院完成了托巴水电站的三维设计，这标志着中南院三维设计导入阶段的结束。而后的一个半月时间里，数字工程中心完成了MicroStation 二次开发培训，2011年7月15日，中南院三维可视化协同设计系统发布，进行为期一个月的试运行。三维设计平台发布及试运行标志着中南院三维可视化协同设计系统建设正式进入了实用化阶段。

3.3 上海勘测设计研究院的三维协同设计工作

上海院经过3 a多的调研和前期准备，2010年10月27日上午，上海勘测设计研究院三维协同设计工作启动大会顺利召开。

3.4 吉林省水利水电勘测设计研究院正式启用达索三维协同设计解决方案

2010年4月12日，吉林省水利水电勘测设计研究院正式签署购买达索系统公司CATIA/VPM 三维协同设计解决方案及技术实施服务合同，标准着吉林院的三维CAD 协同设计项目正式启动。

4 水利工程案例

1) 四川大渡河长河坝水电站右岸高边坡开挖及支护工程。采用三维协同软件进行设计使设计成本得到节约，工作效率得到提升。

2) 红格尔水库。红格尔水库所承担的主要任务是为火电厂供水;并兼顾水库下游生态保护和草牧场灌溉用水，水库建筑物由挡水坝、溢洪道、冲沙洞及后期的取水建筑物组成，利用AutoCAD Civil 3DCIVIL3D 生成的三维地形模型，真实再现现场的实际地形，使设计的精度更高、土方工程量的计算也更加精确、CIVIL3D 的强大的动态更新功能方案大大的降低了工程师反复修改设计方案的工作量。

3) 甘肃省洮河九甸峡水利枢纽及引洮供水工程。

4) 惠州抽水蓄能电站。利用三维协同软件有效的节约该项目设计成本和能够准确的计算土方挖填量。

5 总 结

三维设计是工程设计的必然趋势，把三维设计应用到水利工程上，可以实现真正意义上的工程方案优化及多方案的比较，对于提高工程的品质、降低工程造价、缩短设计周期、提高设计质量均可以起到重要作用。集成化、智能化、可视化、网络化、并行化是三维设计的发展方向。应努力实现远程协助设计、自动协同设计、集成协同设计，充分体现设计的团体性、交互性、协作性，建立跨学科的、以人际合作关系为基础、协同工作、合作设计的新格局。

［1］王浩民. 推动设计手段革命 提高核心竞争能力 开创具有龙江水院特色的三维协同设计之路［J］. 黑龙江水利科技，2012，40(1) :7－10.

［2］李斌，宗志坚，郑会春. 水利水电工程三维设计方法引进与研究［J］. 人民黄河，2011，33(5) :136－137.

［3］袁锦虎，邓虹，黄毅勇，等. 三维可视化水工设计的系统框架和集成研究［J］. 水利与建筑工程学报，2009，7(1) :85－86.

［4］钟登华，刘东海. 工程可视化辅助设计理论方法与应用［M］.北京:水利水电出版社，2004.

［5］陈阳宇. 数字水利［M］. 北京:清华大学出版社，2011.

［6］杨开林. 应当重视调水工程运行的计算机仿真研究［J］. 水利规划设计，2002(3) :58－60.

［7］杨开林. 关于“数字南水北调工程”的设想［J］. 中国水利，2003(3A) :24－25.

［8］虞松宾. 浅谈利用三维设计软件计算某灌区渠道工程量［J］.广西水利水电，2009(6) :64－67.