刚果（金）布桑加水电站发电厂房三维设计与应用.pdf

基于 三维设计软件和数字生产管理平台 开展三维设计校审工作，刚果（金）布桑加水电站发电厂房实现从模型创建、多专业协同设计到生成三维施工图的完整三维设计流程，结构及机电设备布置优化贯穿始终。多专业三维协同设计的实现与 模型的深度运用，使厂房布置更加合理完善，且能有效避免设计中存在的错、漏?碰?缺问题，提高生产效率、丰富设计成果、确保产品质量。关键词：岸边式发电厂房；三维协同设计；三维校审；数字工程应用中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言发电厂房作为水电站转换输出电能的重要场所，涉及水工结构、电气、水机、金结、暖通、建筑、消防、给排水等十几个专业，各系统自身需正常运行、互不侵占，同时也需要各系统间的相互协作、相辅相成，传统设计模式下各专业间相互提资、修改、协调，设计周期长，设计过程中的错漏碰等问题频出。三维设计立体直观、真实感强、协同设计协调性好，将其应用于水电站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，提高设计产品质量。近年来水利水电工程中三维设计也得到了越来越多的认可和重视 。刚果（金）布桑加水电站发电厂房三维设计，利用 软件实现各专业模型的建立、协同设计及碰撞检查；通过 数字生产管理平台进行数字工程模型校审，把控设计质量；进行了三维模型的综合深度应用，提高生产效率、确保设计产品质量。工程概况布桑加水电站位于非洲刚果民主共和国南部卢阿拉巴省卢阿拉巴（）河上?是该峡谷河段规划四个梯级电站的最后一个梯级。该电站装机容量 （），多年平均发电量为 亿 ，为一等大（）型工程。水库正常蓄水位为 ，死水位 ，总库容 亿。枢纽建筑物由碾压混凝土拱坝、坝身泄洪系统、左岸引水系统及岸边式厂房等建筑物组成。工程总工期 个月，总投资约 亿美元。厂区枢纽由主机间、安装间、上游副厂房、尾水平台、尾水渠等建筑物组成，安装间布置在主机间左侧。主厂房尺寸 （长 宽 高）。厂房模型设计 协同设计根据项目需要制定设计工作计划、设置项目模型规则，合理分工、明确各专业工作内容及进度、质量、深度要求，是开展三维协同设计的前置工作条件 。首先，基于大型水电站厂房项目性质及特点划分专业角色、权限、行为、关系及节点，明确各设计专业先后顺序及相互衔接关系；其次，进行各方协同工作整体策划，明确各方工作界面、信息沟通、模型专项应用等具体工作；再次，协调各参与方组织关系，严格按照协同工作策划要求开展工作，加强模型文件及变更等信息管理，规范设计模型变更程序；最后，依据工程项目策划阶段制定项目数字化交付规定，开展模型数据整理归档及交付应用工作 。基于 软件协同管理平台 ，布桑加水电站发电厂房涉及的各设计专业可从协同设计模型中获取项目其他专业的设计信息，共享设计资料；同时基于最新成果开展本专业设计建模工作，保证项目信息的连续性和成果的可积累性。各设计专业通过及时调整设计方案，同步碰撞检查工作，避免潜在的设计错误。模型创建刚果（金）布桑加水电站地面厂房结构可分解为主机间、安装间、副厂房、尾水渠及附属结构等典型部位，通过统一的项目坐标原点、典型分布高程、结构轮廓纵横桩号及结构分缝，确认三维模型定位及模型范围，按照结构特性分别建立模型，基于统一的骨架对各子模型进行组装，形成发电厂房水工结构模型，并传递至设备及建筑设计人员进行专业设计及建模，最终形成布桑加水电站地面厂房全专业 模型。以布桑加发电厂房主厂房 、号机组段结构模型为例对 模型的创建步骤进行论述：（）根据自行创建的水工结构样本文件（包含厂房结构设计需要的通用族、线条、文字样式、显示样式等）新建项目文件，以 号机组中心点作为模型的项目原点。（）绘制主厂房控制性标高，分别对应基础开挖底部、尾水管底板、蝶阀层、水轮机层、风罩层、发电机层、尾水平台层、吊车轨顶及主厂房结构顶面。（）绘制与 、号机组段上下游侧的结构边线重合的控制轴网，增加上下游向、左右向及厂房纵向中心线的轴网，并绘制与结构分缝重合的参考平面，上述轴网及参考面作为结构约束的边线。（）在厂房开挖底高程平面中，导入外轮廓（格式文件）通过拉伸、剪切等过程创建厂房基础大体积混凝土构件，要求一、二期混凝土构件分别创建，并设置构件的相应混凝土材料参数，载入蜗壳、尾水管实体族进行布尔剪切。（）依次在各控制高程平面上，创建下部大体积二期混凝土构件、机墩风罩、交通廊道、交通楼梯、孔洞及风罩层、发电机层板梁柱结构，通过轴网及尺寸定位依次布置。其他机组段模型的建立过程与之基本一致，或采取复制该模型文件粘贴的型式进行机组段长度向及相关部分构件的修改即可满足模型创建要求。建模过程中对具有共性、使用次数较多的建筑物结构运用参数化方式进行设计形成自建族，创建完成后可通过修改参数对相应结构进行快速修改?可在类似工程中重复使用，提升建模效率 。模型碰撞检查依据水工结构专业三维模型为基础，设备及建筑专业以此为底图进行合理布置，各专业设计过程中可直观立体地对设备及管道线路进行实时检查，各专业模型综合组装后，可进行发电厂房三维模型碰撞检查。碰撞检查是厂房三维设计的关键步骤，可对硬碰撞?最小间隙检查和净空进行设置，碰撞结果可生成检测报告。通过检测结果可以快速找出碰撞部位?相关专业点击碰撞部位后可返回 中进行修改和更新。设计软件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 。碰撞检查功能，既确保了厂内机电设备布置的合理性，又减轻了设计、校审人员的工作压力与负担，对设计产品的品质提升有极大的帮助。布桑加水电站厂房机电设备布置见图 。图 布桑加水电站厂房机电设备布置 系统三维校审发电厂房 模型是多专业三维协同设计的产物。与传统设计校审不同的是，其面向的对象是三维模型，只要模型本身正确，基于模型延伸的设计出图、标注?工程量统计等方面就具有内在的一致性，可显著减轻传统的复核工作量，从而设计人员能将精力转移到对 模型的创建、完善与校验上。模型校审的重点内容是模型的完整性、合理性和设计过程逻辑的一致性，以及专业内部和专业之间是否存在相互冲突碰撞的问题 。本工程应用数字生产管理系统（），三维模型上传通过 软件与数据库之间的接口映射至该系统，系统分配校审任务至各专业设计人员；同时 端校审工具具备轻量化三维模型的功能，其校核工作界面包含了三维轻量化模型及常用校验工具（剖切、测量、标注等）、项目校审重难点指导书及标准化电子版校审卡，可大幅提升三维校审效率，实现数据无纸化归档。数字工程应用 三维出图发电厂房结构相对复杂，各专业设备交叉布置，施工图阶段设计图纸量大，设计任务繁重。以三维模型为基础进行设计出图，效率可大幅提升。在三维模型中根据设计需要精准切出平面和剖面，只需在系统中再增加相应尺寸、标高与文字标注即可出图。对于结构不规则而传统二维图难以表达清楚的部位，可配以轴测图进行直观表述，降低了复杂剖面图纸的绘制难度 。同时基于参数化 模型生成的具有逻辑关联二维图，在三维模型修改后二维图也可相应更新，亦有效提高了设计效率。钢筋三维设计对于水工专业而言，钢筋设计制图是一项繁琐、费时费力的工作，设计过程中出错后修改工程量较大。本工程运用水工三维配筋软件 导入 模型输出生成的 格式文件，通过在三维模型结构上创建钢筋模型，依据设计人员制定的规则（设置钢筋型号、保护层厚度、间距、钢筋延伸面、排布方向等参数）自动布设三维钢筋模型，空间上直观可见。当厂房模型结构发生修改时，不影响已布设的钢筋，对修改部位的钢筋进行重新调整即可。根据施工蓝图需要切取三维模型剖面，导入 软件中可自动生成钢筋平剖面详图、钢筋及工程量信息表，满足施工详图阶段的钢筋制图需求，大幅度提升设计工作效率 。工程量输出传统施工图设计阶段要求各专业根据二维图纸计算工程量，其存在工作量大、繁琐且计算精度难以达到要求等特点，导致工程实施各参建单位在签量、造价、验收等环节存在争议。三维设计过程中通过创建等比例工程数字模型，实现了模型虚拟数据与工程建设实物的一一映射，通过 模型可将设计信息完整的传递至施工实践中，减少了人工重复算量的步骤，降低工程量计算统计误差，并在一定程度上提高了设计效率。工程数字化移交系统 工程数字化移交系统包括模型轻量化浏览、数据（属性信息、图纸、报告）管理、信息查询等功能，是工程设计、施工和运维阶段的统一的、多维的数据管理、展示和交付平台。布桑加水电站项目数字交付平台是为关联方交付模型、图纸、视频、报告等服务的，包括数据层、逻辑层、应用层三个层次。数据层即底层物理数据库，汇集设计、施工等数据成果，包括三维模型库、文件库、图像库、关系型数据库等。逻辑层通过数字化移交系统，将数据之间的关联关系进行有效组织，这种关联关系可存储在关系型数据库中，以便于系统进行检索。应用层为用户提供具体的数据服务，是联系客户与系统的纽带。布桑加项目数字模型上传至数字化移交系统后，工程参建各方可通过 进行远程访问服务器 端口，项目现场基于该系统数据对项目进行沟通、管理，极大的发挥 的核心价值。特别对于海外工程而言，由于语言及思维方式的差异，设计方案的沟通一直存在问题，基于轻量化 版本的三维模型可显著提升现场各方沟通协调效率（见图）。图 布桑加厂房工程数字交付界面 基于三维模型的数值计算已建三维协同设计模型，运用相关软件进行格式转换生成 文件，可导入 等有限元计算软件中，进行划分有限元网格划分和计算分析（见图 ），内力计算结果作为结构设计及配筋依据。通过三维设计的方式一次建模，由一套模型数据完成设计、分析工作，实现了三维协同设计和三维结构图、钢筋图设计的有机结合，避免了在其他软件中进行有限元计算建模费时费力的问题。对于部分结构中存在的空间组合扭面，如厂房蜗壳、尾水管结构周边，传统建模方式通过点、线、面、体分层级构建几何体，耗费时间较多，三维模型一键导入，图形文件略作检查修整后即可进行网格划分，可极大提升效率。虚拟仿真采用 软件对布桑加发电厂房 模型进行虚拟漫游，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，经过漫游，模型可通过视频动画方式“动”起来。结合 技术，可以突破空间限制，三维可视化浏览结构内部布置情况。如图所示，其逼真展现工程的完建场景，通过人机交互进行场景漫游?进一步提升设计优化的范围与程度。图 模型转换后导入 进行有限元计算图 布桑加厂房发电机层虚拟漫游视图 结语三维设计技术发展日新月异，随着 技术在水电水利行业推广应用的不断深入，水电工程的设计方式、流程正迎来新的变革。通过对布桑加水电站发电厂房三维协同设计及模型应用进行研究，实现了水利水电工程各专业三维模型协同设计、虚拟仿真、数字移交、数值分析、三维配筋设计、施工阶段三维出图及工程量计算等环节的高度集成和有机统一。基于 的三维协同设计有效解决了发电厂房设计成果中的“错、漏、碰”问题，为海外项目的高效履约、协调沟通、资源配置、设备采购争取了富裕的时间，提高设计效率及质量。参考文献：李德，宾洪祥，黄桂林 水利水电工程 应用价值和企业推广思考 水利水电技术，（）：解凌飞，李德 基于 技术的水利水电工程三维协同设计 中国农村水利水电，（）：王婧，蔡波，张奕泽 杨房沟水电站厂房三维设计研究与应用 四川水利，（）：杨小龙，吴贵春 大型水电站厂房三维设计研究与应用 云南水力发电，（）：，何关培 总论 北京：中国建筑工业出版社，石俊杰 基于 技术的三维协同设计研究 上海水务，（）：顾鹏飞，喻远光 水电站厂房设计 北京：中国水利水电出版社，补舒棋 关于 软件在电站厂房设计中的应用探索 陕西水利，（）：柏慕进业 官方标准教程 北京：电子工业出版社，杨一健 设计的校审模式探索 建筑工程技术与设计，（）：马青，杨秋，苏鹏 果多水电站工程三维协同设计探索与应用 红水河，（）：解凌飞，李德 基于 技术的螺山泵站主泵房三维配筋设计 水利规划与设计，（）：，李玮，张海丽，卫慧，等 三维配筋技术在界牌枢纽中的应用 江苏水利，（）：（编辑：惠方方）