基于三维信息模型的设计思考

文｜杜晓巍

在工程设计行业内，从历史发展来看，设计手段实现了两次大的变革。一是上世纪九十年代中期，随着计算机技术的普及，原始的人工手绘设计逐渐发展为在计算机上进行二维设计；二是随着计算机硬件及软件技术的不断发展，二维设计逐渐被三维设计及自动化出图所取代。

随着信息化时代的到来，电力行业已经步入三维设计阶段，但是电力土建专业的三维设计水平却滞后于工艺专业。在大力发展信息化的时代背景下，数字化电厂的概念逐渐进入工程设计的领域内。数字化电厂是采用数据库的形式对物理电厂进行客观的反应，并应覆盖电厂的整个生命周期。因此单独的三维设计已远远不能满足数字化电厂的要求，而作为信息化电厂载体的三维模型则成为更多信息的综合体，并非三维设计初级阶段的可视化模型。

信息化时代下，电力行业土建专业需要在实现三维协同设计的同时，充分利用三维模型实现工程信息在电力工程中的传递，让三维模型获取更多的信息，并将三维模型信息应用于设计、建造、运营的各个阶段，充分延续三维模型的“生命力”。

电力土建专业三维设计现状

目前国内电力工程设计行业已经步入了三维设计的进程中，电力行业中工艺专业已经开始在不同的三维设计平台中进行系统设计及布置设计，基本上在三维平台中可以实现管道的数字化布置及出图，最终能够实现整体工艺设计的数字化移交。

土建专业在电厂设计中与工艺专业关系非常紧密，土建专业在电厂设计中服务于工艺，而工艺设备又依附于土建，二者相互支持又相互制约。由于种种自身及外部条件的制约，土建专业在电厂数字化设计中的应用已经远远滞后与工艺专业，并且在整个电力工程领域信息化设计中也比较滞后。

根据目前电力行业中的土建专业的设计现状，土建三维协同设计大体分为两类状况。

第一类，由于上游工艺专业三维设计平台自身的条件约束，土建专业在工艺专业设计平台中建立的三维模型只能实现空间的占位，用于工艺专业的管道布置及设计；其结构自身的信息（如结构配筋、混凝土强度等）无法在模型中集成，结构模型无法导出至结构计算软件中进行结构计算，并实现结构模型的出图。在这种模式中，设计人员需要在工艺专业三维设计平台中建模，同时需要在结构计算软件中建模，并根据布置模型及计算模型的结果在二维平台中（AUTOCAD）绘制成品施工图。施工完成后设计人员需要对工艺专业三维设计平台中的土建模型进行更新。

从以上表述中不难发现：在这种模式下，土建专业设计人员实际上在工程设计中建立了三个三维模型，分别是用于工艺检碰土建布置模型、用于土建自身计算用三维计算模型、土建自身出图用出图模型。三种模型在不同的设计阶段分别建立，并且相互较为独立，没有实现信息的关联与共用，大大降低了土建设计人员的工作效率及模型的利用效率。因此，可以将这种三维模型称为：全独立无关联模型。

第二类，由于结构自身计算软件的条件约束，土建专业需要在工艺专业设计平台中建立的三维模型，该模型可以导入到土建的计算软件中用于土建计算（会伴随一些信息的缺失）。土建专业计算完成后，计算模型的修改无法导回至工艺专业设计平台中，无法实现模型的自动更新，需要在工艺设计平台中人工更新三维模型。土建专业出图可以在工艺专业设计平台中实现，但是仅仅局限于结构杆件的布置信息，无法完全实现集成结构全部信息，如结构混凝土杆件配筋信息等。根据以上表述，我们不难看出这种情况，土建设计人员所建立的三维模型利用率有所提高，但是土建三维模型信息化程度不高，信息流动性属于单向流动，无法完成信息模型的双向流动。可以将这种三维模型称为：半独立三维模型。

目前土建专业的三维设计水平较工艺专业有所滞后，土建专业三维模型的利用率不高，信息化程度较低。因此，如何摆脱土建三维设计的落后现状，在土建专业实现数字化设计，是急待解决的问题。

电力土建专业三维设计发展方向

通过对电力行业三维设计现状的分析可以看出，目前电力行业内部使用较多的PDMS、PDS等主流软件，其主要功能是为了满足工艺专业的管道布置设计，由于设计侧重点不同，所以用于服务工艺专业的土建模型信息往往会被淡化，造成在工艺设计平台中的土建模型仅仅成为工艺专业管道检碰的工具，与土建设计有关的信息不能充分进行利用和发挥。

经过各电力设计单位多年的探索，行业内也提出并进行了基于工艺设计平台的二次开发。通过开发接口，让其中的土建三维布置模型与土建三维计算模型间进行数据的互导，实现信息的交互。但是几年来的实践表明，这种设计思路往往由于工艺平台软件及土建计算软件自身的缺陷，无法完全实现，或者利用效率比较低下而被大多数单位放弃。

经过反复的探索并总结成功及失败的经验，笔者认为，土建专业要实现三维一体化设计，提高三维模型的使用效率，就需要寻找一个土建自身的三维设计平台，并在此平台中建立一个供土建、工艺、施工单位、业主共同使用的完整三维模型。这个三维模型集成了从设计计算到建造、运行的各方面信息，能够为项目建设中的各个角色提供各自所需要的信息，相关人员可以从中各取所需，从而完成数字化模型的交互使用。可以将这种三维模型称为：交互式三维模型。

交互式三维模型在设计过程中的应用

交互式三维模型在结构计算中的应用。作为土建设计人员，设计所有电厂建（构）筑物，在满足工艺布置要求的前提下，最关心的莫过于结构自身的安全性。由于不同项目的场地、环境的不同，土建专业不管任何建（构）筑物都要进行结构计算，从而保证结构安全以及人员安全。所以一个三维模型是否能导出至计算软件中进行计算，是交互式三维模型首要满足的基本需求。

三维交互式模型与计算模型的数据交互最主要是要克服两个难点。一是两种软件数据格式的不兼容。由于工艺三维设计平台软件与结构计算软件往往不同属一家软件公司，而每个软件公司都拥有自己的一套数据文件格式，所以在模型导出或导入过程中会出现文件格式不兼容以及杆件截面不匹配的情况。在不断的探索过程中发现，部分三维软件公司往往承诺可以开发与第三方计算软件接口程序来满足客户的数据交互要求，但在实际操作层面上来讲，这种借助第三方接口软件实现的三维模型数据交互，往往造成信息传递不完整或传递错误，同时当一方软件进行升级以后，会出现大量的接口程序维护问题。

西北电力设计院根据对软件市场的调研及试用，最终选择了Bentley软件公司，该公司旗下拥有多款三维模型设计软件，同时也拥有结构计算软件。由于两种软件均同属于一家软件公司，在数据传递方面已经克服了数据格式不兼容的情况，可以顺利的完成数据导入。当计算模型完成最终的计算后，对结构计算后的杆件修改，也可以直接导出至三维设计软件中，实现三维软件的模型更新。这样就完成了三维模型的交互式传递，使得模型的利用率大幅度提高。

二是三维实体模型到计算模型的合理简化。由于三维模型是对工程项目物理构件的实际表达，在三维模型中会对实际工程中所有构件进行真实反映，但是在结构计算模型中往往需要对真实模型做出合理的简化处理，如结构节点的简化、结构楼梯间的简化。所以三维模型并不完全等同于结构计算模型，这就要求在三维模型导入至结构计算软件中，需要对三维模型进行筛选，选择需要导入计算软件的模型进行数据交互。软件中应能够对三维模型构件属性进行定义，可以将需要导出的计算构件进行数据交互，其他不参与设计计算的构件将不导出。

三维模型设计与原有的二维设计最大的区别在于结构出图方式，出图方式的改变是工程设计领域流程及手段一次跨时代的飞跃。简单的讲，原有二维设计出图是靠工程师画出来的，而三维设计出图是靠工程师在三维模型中“切”出来的。

原有的二维设计出图流程是工程设计人员根据计算模型的计算结果，结合工艺专业的布置要求，在二维平面进行建（构）筑物的平面图设计，平面图主要包括结构平面布置图、结构剖面布置图及结构详图。各个二维平面图纸之间是相互对应的，这就要求工程师在绘制二维平面图时，首先需要在脑海里把整个模型的位置关系进行组装，在脑海中先形成一个完整的三维模型，然后通过这个想象的空间考虑模型构件之间的相对关系、构件视觉的透视及遮挡关系，来进行平面图的绘制，并且需要在平面图中通过线性的虚实粗细来反应构件间的层次关系。当对原有结构布置进行改变时，工程设计人员需要检查每一张二维平面图纸，修改结构的平面布置。这种情况下，往往容易造成前后图纸无法对应，从而降低工作效率。

三维设计时，工程师仅仅需要确定建筑物需要表达的平面图纸位置，然后对交互式三维模型进行剖切，剖切后三维模型将自动生成平面二维图纸。三维模型剖切生成的二维图纸是与三维模型关联的，也就是说三维模型中结构布置或结构构件发生改变的情况下，设计人员不需要重新对三维模型进行再次剖切，原有剖切好的平面图纸将自动进行更新。所以说，三维交互式模型是设计人员的源头，而图纸则是这个三维模型的附属产品，只要工程师保证三维模型的惟一性、正确性，那么所生成的图纸也是唯一及正确的。这样工程设计人员在工程设计的过程中，只要对三维模型进行维护，保证其满足工艺布置及结构计算要求，就不需要更多关注生成的二维图纸。工程师可以把更多的精力放在结构合理性及优化上面，不仅可以大大提高设计的效率，同时还能提高设计质量。

由于交互式三维模型是一个带有信息的数字模型，那么生成材料统计表将会是非常容易的事情，同时由于三维模型的唯一性，材料表内容会依照三维模型的不同而自动改变。

交互式三维模型在施工及运营阶段的应用

交互式三维模型因为集成了大量的数据信息，包括结构布置、结构配筋、结构构件尺寸截面、强度等级等，所以它不仅仅是一个简单的三维数字模型，而是一个数字化的信息模型，其内容涵盖工程项目中结构的全部信息。那么交互式三维模型“生命力”就不简单的局限于设计阶段，而必将延续到工程项目的建造和运营阶段。

在项目施工阶段，施工建造人员可以通过三维模型直观的了解整个建筑物的布置情况，以及材料使用的情况，然后通过三维模型可以实现自动的施工建造模拟，从而根据现场实际情况安排物资调配及进度安排。对于大型复杂的工程项目，由于各专业交叉较多或者结构自身相对复杂，往往平面图纸已经无法很清楚的表达结构的布置，这就需要通过三维模型进行空间布置，施工单位必然需要图纸及三维模型进行施工。目前结合三维模型进行施工已经在鸟巢、水立方、北京国际机场3号航站楼和上海中心等工程中得到了应用。

虽然目前施工单位仍旧是按照传统的施工方法安排施工建造，但是随着信息时代的不断发展，我们不难想象，在今后的项目施工中建造单位必将进入三维时代。

在项目的运营阶段，运营单位可以根据承包单位移交的交互式三维模型获得与实际物理模型一致的项目信息，所有的信息都是准确、唯一的，避免出现现场项目结构与图纸不符的情况。因为现场所有变更单及图纸、三维模型均以最终的信息传递给业主，这样势必对以后的运行维护提供了可靠准确的信息基础。同时业主在运营后的维护改造阶段，可以根据交互式三维模型对结构梁柱、墙体、维护结构组件建立索引，当用户点击三维模型中的某一结构组件时，可以查询到结构组件的相关信息，如该结构组件的结构强度、建造时间、配筋信息等详细属性。

当前电力设计行业乃至电力工程行业都处于传统电子化设计和电子化管理向数字化设计和数字化管理的变革期，数字化电厂是以对象为核心对电厂建设的各阶段进行数字化、精细化的过程管理，是以提高工程质量、降低工程建设周期与造价，并为数字化电厂的其他应用提供数据基础为目标。而作为数字化电厂基础数据的载体，三维模型则是数据信息的源头和起点。

土建专业要实现真正意义上的三维空间设计，必将寻求一个交互式三维模型，这种三维模型不仅仅是结构三维空间的表达，更是一个土建专业设计的信息综合体。它能够集成全部的结构信息并将这些信息通过交互的方式在土建专业自身以及其他工程项目建设角色中“流动”，实现可持续发展的“生命力”。