基于3DE平台的乌东德水电站水力机械BIM设计

王 豪，郭学洋，彭志远，郑涛平

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉430000）

乌东德水电站位于四川省会东县和云南省禄劝县交界的金沙江下游河段，工程开发任务以发电为主，兼顾防洪、航运和促进地方经济社会发展。乌东德电站水库正常蓄水位975 m，电站单机容量850 MW，总装机容量10 200 MW，多年平均年发电量约389.1 亿kWh。乌东德电站首批机组已于2020年6月发电，目前其水轮发电机组是世界上投运电站中单机容量最大的机组。

机电专业是由多个专业、多个系统组合而成，系统又由类型及数量众多的设备、管、桥架、线、管件、附件等组合而成，在一个有限的空间内往往需要同时集成多个专业、多个系统。乌东德电站厂房为地下电站，空间较为狭小，因为机电专业有以上特点，水力机械与其他专业之间极易出现干涉冲突和地下空间利用不充分的情况，传统的二维设计已不能满足水机专业的需求，故寻求一种水机专业全正向BIM设计方法迫在眉睫。

BIM 设计近年来在水利行业发展十分迅速，但在各企业中仍处于自我摸索、自行提高的阶段［1］，目前BIM 设计平台主流有Autodesk、Bentley、Dassault［2］，在建筑、基建、制造等领域各有所长［3-6］。从协同设计这一出发点来看，众多三维设计软件往往会依托协同管理平台软件如Projectwise、Navisworks Manage［7］等，协同设计的实现往往需要集成多个软件板块， 且在系统原理图驱动三维设计这一局部领域，之前的BIM 设计理念鲜有提出。

为了更便捷地进行全正向协同设计，本文针对乌东德电站的设计工作采用了Dassault 的3D Experience 协同设计管理平台，通过整合平台的多个应用（下文称“APP”），实现了设计、仿真、管理的集合功能。本文详实地论述了水力机械专业设备库的搭建，三维模型的创建，原理图驱动三维设计，以及工程图的生成等技术路线，文中所采用的从原理图到工程图的全正向BIM 设计方法已应用于乌东德、旭龙、滇中引水等水利枢纽项目，带来了较大的经济和社会效益。

1 研究方法

1.1 三维设计

乌东德水机专业涵盖的设备及管线极其庞杂，为了使三维设计更加标准化和速动化，须搭建一个较为完善的设备库，并应随厂家设备的更新及时对库文件进行迭代。标准件库的创建和扩充是BIM 设计标准化的重要基础性工作［8］，利用参数化建模完成设备库的搭建后，通过胖客户端连接服务器，从服务器的某章节目录下调用各规格型号的水机设备，再利用3DE 平台的“Assembly Design、FLG”APP 即可实现设备和管线的装配与布放。

1.2 原理图及原理图驱动三维设计

与三维设计类似，原理图的设计也需搭建逻辑设备库，3DE平台预制了众多2D 水机设备及附件的逻辑设备模板（如设备、阀门、三通等），本文按照《SL 73.4-2013 水利水电工程制图标准水力机械图》所规定的样式及大小，在上述模板中绘制各种二维图例，并定义图例中端口的属性，然后将创建好的逻辑设备填充至水机逻辑设备目录，完成逻辑设备库的搭建。

从原理图库中调用逻辑设备完成设备的布置，然后使用逻辑管路对设备进行互连完成系统图设计。再根据原理图中设备的属性及设备之间的联系，驱动三维模型的设计，实现原理图和三维模型的互相映射。

1.3 工程图的生成

在工程图应用中，利用已经生成的三维模型，通过自定义的“创成式视图样式”和“制图样式”，经投影和剖切生成各种视图。生成材料明细表后，根据材料编号可实现相对应的零部件自动标注，并通过EKL语言创建知识工程物料报表。

2 水力机械三维模型的创建流程

2.1 水机设备库的创建

下文以一个多功能止回阀系列件的创建介绍水机设备及附件库的扩充。3DE 平台已预制好众多不同属性的设备及管附件模板，在进行设备创建时需要将自定义的参数和模板自带的属性进行关联。

在新建的阀门模板里，定义所需的参数（公称直径、长度、法兰直径、法兰厚度，压力等级等），然后进行草图绘制，再使用“凸台、旋转、肋、多截面实体、布尔运算”等三维命令［9-11］进行实体的创建，二维草图和三维模型的创建都需要构建完整的尺寸约束，所有的尺寸约束都可以与创建的参数以一个函数关系进行关联，如此实现设备的参数化建模。

模型创建完成后，需导入工程文档（以厂家设备规格型号而建立的属性列表），并将文档的列属性与建立的参数进行关联。然后以设备的某一个特征点作为端口，定义其采用的标准、端面形式、流动方向等参数。由于本文创建的阀门为系列件，公称参数需在“Component Family”文件中进行属性映射，故在端口属性定义时无需进行设置。

创建一个“Component Family”文件，在该文件中需将设备及端口的公称属性与创建的参数进行绑定，这样当解析出某一规格型号的设备时，该型号的设备所对应的各个参数就会写入所关联的公称属性［12-14］。然后可进行系列项目的解析测试，系统会根据系列件的属性列表将三维模型逐一测试生成，以明确属性值是否有三维重构错误，图1 为多功能止回阀系列件解析成功的结果。最后，将解析好的系列件设置好“关键字”后填充至水机设备库的对应章节，其调用即可根据“关键字”进行索引，设备及管附件的创建及入库的一般性流程可用图2 来表示。

图1 多功能止回阀系列件解析Fig.1 Series analysis of multi function check valve

图2 设备、管附件的创建及入库流程Fig.2 Creation and input database process of equipment and accessories

2.2 设备及管线的综合布置

设备库搭建完成后，从数据库调用所需规格型号的设备，在“Assembly Design”APP 下添加设备与土建模型，设备与设备之间相对位置关系的约束（如共面、平行、同心等）。但这种约束关系是临时的，当土建模型或是参考设备发生变化（包括位置和本身的几何构造），布放的设备并不会相应作出几何位置的变化。故我们可以给设备与参考模型之间添加“工程链接”，在设备与参考模型之间增加一个固定参数的几何关系，这样即便是参考模型发生变化，所布放的设备也会以预设好的关系参数作出相应的移动，从而避免了因为土建模型的更新设备也要相应修改布置的重复工作量。

完成设备布置后，需在设备之间创建管线以承载流体介质。切换至“Piping 3D Design”APP，定义好管道数据信息（如管道库、标准、公称直径，弯曲半径等），然后在全局或局部坐标系下，调节标尺和角度以确定管线的各个节点位置，也可将节点的坐标向量表直接导入以实现节点的精确定位。

完成设备和管线的布置后，需要检查水机系统内部，或是与外专业是否发生碰撞。创建一个“干涉仿真”，平台会根据选定的干涉检查方式（组内、组与组等）进行干涉分析，并以高亮相贯线显示干涉区域。对于管线干涉来说，找到干涉部位后，使用自动偏移命令，定义偏移的距离和角度（多是45°），即可实现管线与干涉对象的桥式跨接，如图3所示。

图3 管线的干涉检查与自动偏移Fig.3 Interference check and automatic offset of pipeline

管线布放完成后，对管线网络使用“规格驱动辅助设计”命令，系统会识别需要添加管件的部位（弯头、交叉、变径处），并从数据库中筛选出规格型号匹配的管件，选择设计需要的型号，完成管件的自动添加。再在管路上插入阀门、自动化元件等管附件，完成水机专业的三维设计。待外专业将数据同步到服务器后，完成电站整个机电专业的三维设计，如图4所示。

图4 乌东德右岸地下电站机电专业总装图Fig.4 General assembly drawing of electromechanical specialty of Wudongde right bank underground power station

3 原理图驱动三维设计

传统的水力机械专业设计中，原理图与施工图是相对独立的，设计人员得花费较长的时间理解原理图所表达的设计思路，并结合土建和其他专业的布置策划本专业的施工设计。通过原理图驱动三维设计，原理图和三维模型之间使用单一的数据源并创建映射关系，可以更为直观地理解水机系统的设计方法，减少了因为设计人员更迭而导致的重新了解设计深度和进程所花的时间，提高了原理图和三维模型的一致性和准确性［15］。

3.1 原理图的创建

原理图的创建是基于3DE 的RFLP 系统（系统工程方法）实现的，RFLP 系统分为“需求、功能、逻辑、物理”4个层次，原理图即属于逻辑层。一个逻辑参考可视为某个水机系统，在该逻辑参考下可创建图纸和视图，在视图中调用逻辑设备库进行二维图例的布放（其逻辑端口所采用的数据库与三维模型设备一致），逻辑设备布置完成后再进行管线连接。“线路ID”是具有相同功能和相同特征的一组部件，其属性确保所有在上下文中的部件依据同样的标准。新建一个“逻辑管路”，选择某个“线路ID”作为其规格属性，连接设备的逻辑端口。最后在“逻辑管路”上插入逻辑管附件并调整管线和设备的位置完成原理图的设计，并可使用“B.I 基础”检查原理图的连通性以避免设备或管线的遗漏，原理图设计的一般流程如图5所示。

图5 原理图设计的一般流程Fig.5 General flow of schematic design

3.2 原理图与三维模型实施关联

为实现三维模型与原理图的一一对应关系，在RFLP 系统中的物理层应创建与逻辑层完全一致的结构树，且相对应的结构树节点应创建实施关系进行绑定。在创建逻辑设备时，可在属性中定义“自定义零件编号”，该编号与三维模型对应的标题一致，对物理层的根节点使用“逻辑到物理”命令，系统就会从数据库中调用标题与零件编号一致的三维设备，并将其归纳到与逻辑层一致的物理节点中，同时三维设备与逻辑设备自动创建实施关系，调整设备的位置和方位后完成物理设备的布放。

接着在物理设备间创建管线，设备的端口名需与原理图中的逻辑设备的端口名一致，在管路创建过程中，需选择与原理图一致的“线路ID”以保持物理模型与原理图的数据一致性，再使用“低光度”功能在物理层的设备同名端口之间生成一条虚拟的“蓝线”以指导管线的布放。在布管过程中，可以通过原理图2D 选项卡同步查看设备与管线之间的连接关系，管路布置完成后，在管路上添加管附件并和逻辑设备创建实施关系完成原理图驱动三维设计。如图6所示，图示的为乌东德集水井清污系统的简化模型，原理图上的逻辑设备与三维模型及其对应端口均为一一对应的关系（包括设备名称、端口名称和端口属性），任选一个生成的实施关系，在原理图和三维模型中即会高亮显示互为映射的设备或管线。

图6 乌东德集水井清污简化模型Fig.6 Simplified model of drainage sump cleaning in Wudongde Station

4 二维出图

由于BIM 技术还未在水电行业普遍应用，三维模型无法直接交付，设计成果仍需要转换为二维图纸以指导施工，下文将介绍如何利用BIM 模型生成各种视图及物料报表。工程图与三维模型为同一个数据源，三维模型更新后，相应的工程视图也同步修改，避免了二维图纸更新的重复工程量，缩短了设计周期。

4.1 二维出图流程

轴测图为BIM 模型最为直观的展示，在“Drafting”APP 中，调整好某一个三维模型观测视角，使用“等轴测命令”即可生成三维模型的等轴测三维线框图。三视图的生成需要指定一个投影平面，其法线为投影方向。而由于水机三维模型往往在土建模型内部，这种投影生成视图的方式不能剔除土建模型的遮挡，故需给视图添加一个3D 裁剪框以定义需要展示的范围，且这种裁剪范围可以继承应用于其他视图，如此可以快速划定成图区域。

为了实现标准化出图，根据企业的制图规定，在3DE 的标准交互式面板里定义“创成式视图样式”和“制图样式”。“创成式视图样式”主要控制生成视图的线型、线宽、剖面样式、模型消隐等属性，“制图样式”则主要控制视图的标注和修饰。定义好两种样式的属性后，生成“.xml”格式的样式文件，作为创建视图和标注的标准化模板，在创建图纸和视图时加载对应的样式文件即可。

在各视图中完成尺寸标注后，根据预定义的物料清单样式可生成材料明细表，再使用“零件序号自动生成”命令就可为各设备和管路管件自动创建与明细表一致的零部件编号。

4.2 EKL语言自定义物料报表

上文生成的物料清单给出了每一段管路的规格及长度，这对精确计量和精准配管是大有裨益的，而在某些阶段（如设备招标），我们只需要某一型号管路的总长就行了，且有些物料清单的属性与设计习惯表达不一致，这就需要我们使用EKL 语言进行自定义“知识报告表”。EKL（Enterprise Knowledge Lan⁃guage）是3DE 平台中面向对象的基础脚本语言，它可将各种知识工程的接口“黏合”在一起，通过简单的语法规则提供基础编程功能。

切换至“Know-how Reuse”APP，创建一个报告模板，在属性管理中，定义报表的列标题与某种类型对象的某一属性的映射关系，如列标题为“管道长度”，映射刚性管道的长度属性，再选择该属性的求和功能，该列属性在报告实例化时就可以统计管道总长。

针对与设计习惯不一致的属性，在报告模板中的表达式中使用EKL 语言进行整合，如图7所示的代码是将管道的外径和壁厚合并输出，再将该属性设为“主键”以归类同种规格的管路。

图7 EKL语言定义列标题属性Fig.7 Define column header properties by EKL language

最后在工程图中调用定义好的报告模板，生成设备管路的知识报告表，图8 为乌东德中压气系统的设备管路布置图及知识报表。

图8 乌东德中压气系统设备及管路布置图Fig.8 Equipment and pipeline layout of Wudongde medium pressure gas system

5 结论

本文针对乌东德水电站的设计工作，基于3DE 平台梳理出一套较为完善的水力机械专业BIM 协同设计流程，为水力机械专业全正向BIM设计提供了借鉴思路。

（1）在3DE 协同设计管理平台的框架内，实现了数据库驱动设备精细化建模，在各专业间构建了“工程链接”关系，论述了干涉检查的方法和快速避让的制定原则；打破了原理图与三维模型之间的壁垒，构建了原理图与三维模型的驱动模式，并通过EKL 编程制定了精准而又个性化的材料报表，大大提升了设计质量和进度，为设计工作向水利工程的施工、运维管理等全生命周期环节的延伸创造了条件。

（2）目前BIM 设计在水利行业仍处于一个发展和完善的阶段，BIM标准体系和行业规范相继推出，在完成全正向设计的基础上，利用BIM 模型所蕴含的工程信息［16］，结合5G、AR/MR 等高新技术，使行业生态更加规范化，在全生命周期的延展市场中发挥更为重要的作用。□