杨房沟水电站厂房三维设计研究与应用

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

1 引言

我国已建水利水电工程中，地下厂房数量超过100座，近期，在建水利水电工程中，有约半数工程采用了地下厂房型式。随着水利水电工程的不断发展，地下厂房的建设已积累了丰富的经验，其发展也已取得瞩目的成就，并向着数字化、自动化和智能化的方向在不断前进。

地下厂房枢纽占地面积少，与地面水工建筑物之间干扰小、抗震性能良好、造价经济，但地下厂房洞室纵横交错、结构复杂，给勘察、设计、施工等都增加了一定难度。三维设计立体、直观、真实感强，将其应用于水电站地下厂房建设不仅能大大提高设计效率、节约成本，还能优化厂房内部布置，使得设计产品质量得到提高和优化。

随着三维设计在工程中的广泛应用，三维技术手段也在不断提高，并得到了国际上许多公司的重视。杨房沟水电站地下厂房三维设计，利用美国Bentley公司的AECOsim Building Designer(简称ABD)软件实现各专业模型建立，通过Project Wise(简称PW)协作平台进行三维设计配合、调整、统一与固化，最终通过软件LumenRT实现对地下厂房模型的演示与漫游。

2 工程概况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，是规划中该河段的第6级水电站，其上游连接孟底沟水电站，下游连接卡拉水电站。左岸首部开发地下厂房内布置4台单机容量375MW的水轮发电机组，总装机容量1500MW。

杨房沟水电站引水、发电系统主要建筑物由进水口、压力管道、地下厂房及其辅助洞室、尾水调压室、尾水闸门室、尾水隧洞等组成。主副厂房洞、主变洞、尾水调压室三大洞室平行布置，主副厂房洞的最大开挖尺寸230m×30m×75.57m(长×宽×高)，主变洞最大开挖尺寸156m×18m×22.3m(长×宽×高)，地面开关站布置在电站进水口上游侧约100m处的山坡上，场地尺寸138m×20m(长×宽)。

3 洞室群三维模型

杨房沟水电站引水、发电系统结构布置复杂，地下洞室群规模庞大、纵横交错、断面各异。对其进行二维设计难度大、数据多、难理解，容易出错，且引水、厂房专业间需要进行反复地沟通与配合，工作量大。

对洞室群进行三维设计，各专业仅依靠地形图、洞室底部中心坐标、洞室断面、洞室走向等结构主要参数，便可以实现复杂不规则的洞室群模型建立。通过PW协作平台，实现专业间配合，并能够直观地复核各洞室定位、走向，确保引水、厂房洞室间的衔接准确，快速建立复杂而准确的洞室群模型。洞室群三维模型将杨房沟引水、发电系统清晰表达出来(如图1)，主要包括进水塔、主副厂房洞、主变洞、尾水调压室、引水隧洞、开关站等。

4 厂房三维模型

杨房沟水电站厂房为地下厂房，是集水流系统、电流系统、电气控制设备系统、机械控制设备系统和辅助设备系统为一体的庞大区域，堪称水电站的“心脏”。所以，厂房布置的合理与经济显得尤为重要，既要保证各系统自身的正常运行、互不侵占，又要保证各系统间的协作运行、相辅相成。如果水电站厂房仅局限于二维设计，即使经验丰富的设计人员也难免出现结构遗漏、管路碰撞、设备缺失等错误，而利用三维设计则可以轻易避免这些错误，直观且智能。

4.1 模型建立与更新

在杨房沟厂房三维设计开始阶段，总设计师根据项目需要，制定开展计划、设置项目规则、合理分工、明确各专业工作内容及时间要求。随后，厂房结构、水机、电气、给排水、建筑等专业在PW协同平台上独立进行ABD模型建立。

通过PW协同平台，不同专业之间可以相互参考，及时发现布置间的矛盾之处，实现建模与优化调整的同步性。厂房结构、建筑体型复杂、不规则；机电专业设备与管路布置密集，通过PW平台进行协同设计，利用共享模型进行工作，可以在设计过程中避免专业间的碰撞与干扰，大大节省专业间配合时间，工作效率得到提高，保证了土建与机电布置的同步性与有效性。

4.2 碰撞检查

在各专业三维模型进行合理布置、调整完善后，展开杨房沟厂房三维集中设计工作，对厂房三维模型进行碰撞检查。碰撞检查是厂房三维设计的关键步骤，ABD可以搜索专业内部及不同专业间的各种碰撞信息，在系统复杂、联系紧密的模型中寻找肉眼不易发现的碰撞错误。

图2与图3为全厂机电设备布置图，图2主要涉及暖通、电气、给排水专业，图3主要涉及水机专业。可以看出，全厂机电管路、设备布置错综复杂、极其繁琐，如果不进行碰撞检查，紧靠肉眼或想象，大量碰撞错误不可避免。在以往，一些在施工时才会发现的棘手碰撞问题，如结构与管路的碰撞、管路与管路的碰撞等，如今，在三维集中的时候便可以及时被发现，问题得以快速解决。

图2 全厂机电设备布置(一)

图3 全厂机电设备布置(二)

通过碰撞检查：如图4，发现水机专业与结构专业之间的碰撞问题，水机管路穿梁布置，需要进行调整；如图5，给排水专业管路与暖通专业风管“打架”，需要调整布置。

碰撞检查功能，既确保了场内机电设备布置的合理性，又减轻了设计人员和校审人员的工作压力与负担，对设计产品的品质提升都有极大的帮助。

图4 碰撞检查(一)

图5 碰撞检查(二)

4.3 快速出图

水电站厂房结构、性能复杂，涉及领域众多，图纸量巨大，设计人员工作任务繁重，以三维设计为基础，则可以极大提速出图工作。根据图纸需求，制图人员可以在三维模型的任何位置精准切出平面和剖面图纸，只需再添加相应尺寸标注与文字标注即可出图。对于结构不规则而传统二维图纸表达不清楚的部位，设计人员还可以在施工图纸中配以轴测图对结构进行直观表述。故利用三维模型进行出图，直观、快速而精确。

5 厂房三维效果

设计人员通过对各专业、各部位模型的参考，组成整体的工厂三维总装模型；利用对三维模型的剖切，从各方位把厂房外部与内部、整体与细节呈现出来。厂房三维效果图是杨房沟水电站厂房设计的一个重要成果，通过最佳视角展现杨房沟主厂房、副厂房、主变洞等厂房主要部位不同层高的布置，得到直观、具体和全方位的效果。这样，对于不方便操作、运行ABD或PW软件的施工、业主等参建各方，通过这种图纸表达方式，都可以高效地对厂房模型进行形象阅读和直观理解。

在近期进行三维设计的水电站厂房中，制作三维效果图的并不常见，厂房三维效果图的制作是杨房沟厂房三维设计的一大特色，也得到了参建各方的肯定与积极响应。设计人员共制作出58张三维效果图，涵盖杨房沟厂房涉及的各个专业及各个系统。图6和图7为杨房沟地下三大洞室阶梯展示图和杨房沟地下三大洞室横剖面图。杨房沟地下三大洞室阶梯展示图运用“阶梯剖”功能将主厂房廊道层、蜗壳层、水轮机层、中间层、发电机层，以及主变洞、尾调室等的布置、结构进行展示。杨房沟地下厂房三大洞室横剖图将主副厂房洞、母线洞、主变洞、出线竖井、尾调室等布置依次呈现。通过三维效果图，厂房土建、设备布置一目了然，真实地对厂房布置进行了模拟。

图6 地下三大洞室阶梯展示

图7 地下三大洞室横剖面

6 厂房漫游

杨房沟厂房三维设计的另一大突出特色是利用与ABD接口的软件LumenRT对厂房内景进行虚拟漫游，在生成三维效果图的基础上，使用软件LumenRT进行动画模拟可谓是锦上添花，这使得杨房沟厂房三维设计实现精益求精、效果近乎完美。

由于厂房三维总装模型信息量大、数据多，占用内存较大，仅利用软件ABD中的“漫游”功能，无渲染效果生硬、操作不便易卡顿。所以，杨房沟三维设计提出利用软件LumenRT对厂房进行虚拟漫游，实现了水电站厂房三维设计从三维静态到三维动态的进步。采用软件LumenRT可以将静止不动的模型，经过漫游，以视频动画的形式“动”起来。软件LumenRT易操作，普通结构设计人员即可上手，只需将ABD模型导入LumenRT软件，并根据需求及喜好调整好性能参数、设置好漫游路径，便可得到想要的理想动画视频。

图8为厂房水轮机层漫游视频截图，可以清楚地看到水轮机层中管路、桥架、盘柜等布置；图9为厂房发电机层漫游视频截图，从安装间视角观察发电机层的桥机、发电机、盘柜等布置。杨房沟厂房三维模拟动画精美而生动逼真，置身于厂房之中，仿佛身临其境。动画得到各参建方的好评，基于动画，各参建方更易于理解，可以轻松进入三维虚拟厂房实境当中。

图8 厂房水轮机层漫游视频截图

图9 厂房发电机层漫游视频截图

7 设计优化

杨房沟水电站项目的一个重大创新点在于它采取的设计、施工总承包模式。总承包模式项目鼓励设计优化、控制工程总价，无形间可以调动设计、施工等各方的积极性，有助于提高工程质量与进度。厂房三维设计恰好是实现设计最优化的重要措施。在杨房沟厂房三维设计全过程中，每一个阶段都在查“撞”补“漏”的进行着厂房布置优化；模型在不断调整与完善。以下为厂房三维设计中设计优化的几个例子：

(1)在进行厂房上下游向尾水盘型阀操作廊道层漫游时，设计人员发现：给排水专业的消火栓布置在水机专业的水泵之后，二者虽无直接碰撞，但消火栓门难以开启，如图10所示。设计人员即刻对消火栓槽的位置进行调整。倘若这个问题在施工期或运行期发现，错误则无法挽回，再进行补救则代价较大。

图10 设计优化(一)

(2)在进行厂房左右向尾水盘型阀操作廊道层漫游时，设计人员发现：在廊道端头有障碍物，“走”近则发现是含油污渗漏集水井进人孔的钢爬梯扶手。这种布置方式虽然没有显著问题，也不影响运行，但显得不够合理，于是设计人员将钢爬梯扶手调整至进人孔的另一侧，靠边布置，更加合情合理。

图11 设计优化(二)

(3)检修集水井中的水，起初的排水路线为：厂房进风洞→上层排水廊道→通风兼安全洞→水垫塘交通洞→水垫塘，总长超过1000m。而通过观察厂房洞室群三维效果图(图1)，设计人员发现集水井排水路线变为：厂房进风洞→尾水调压室，总长不超过300m。通过对排水管路优化设计、缩短管路路程，减少了排水埋管及混凝土工程量，降低造价超过百万。

8 结语

随着信息技术的快速发展，水电站厂房的设计、运行与管理正逐步由人工向数字化、智能化不断转变。对于复杂且浩大的水电站厂房设计工程，三维设计具有很大优势，在稳步前进且势不可挡。杨房沟水电站厂房三维设计实现了三维模型建立与协同设计，在此基础上，更完成了三维效果图的设计，并提出运用动画渲染软件对厂房内部进行虚拟漫游；在成功运用传统三维设计模式的同时，也对传统三维流程进行了完善；大幅提高生产效率、保证设计产品质量。杨房沟水电站厂房三维设计的研究与应用成果将有助于三维设计在水电站厂房设计中的推广，并为之后的水电站厂房三维设计提供可借鉴的经验。