(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州，311122)

1 引言

我國已建水利水電工程中，地下廠房數(shù)量超過100座，近期，在建水利水電工程中，有約半數(shù)工程采用了地下廠房型式。隨著水利水電工程的不斷發(fā)展，地下廠房的建設(shè)已積累了豐富的經(jīng)驗，其發(fā)展也已取得矚目的成就，并向著數(shù)字化、自動化和智能化的方向在不斷前進(jìn)。

地下廠房樞紐占地面積少，與地面水工建筑物之間干擾小、抗震性能良好、造價經(jīng)濟，但地下廠房洞室縱橫交錯、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給勘察、設(shè)計、施工等都增加了一定難度。三維設(shè)計立體、直觀、真實感強，將其應(yīng)用于水電站地下廠房建設(shè)不僅能大大提高設(shè)計效率、節(jié)約成本，還能優(yōu)化廠房內(nèi)部布置，使得設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量得到提高和優(yōu)化。

隨著三維設(shè)計在工程中的廣泛應(yīng)用，三維技術(shù)手段也在不斷提高，并得到了國際上許多公司的重視。楊房溝水電站地下廠房三維設(shè)計，利用美國Bentley公司的AECOsim Building Designer(簡稱ABD)軟件實現(xiàn)各專業(yè)模型建立，通過Project Wise(簡稱PW)協(xié)作平臺進(jìn)行三維設(shè)計配合、調(diào)整、統(tǒng)一與固化，最終通過軟件LumenRT實現(xiàn)對地下廠房模型的演示與漫游。

2 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段的第6級水電站，其上游連接孟底溝水電站，下游連接卡拉水電站。左岸首部開發(fā)地下廠房內(nèi)布置4臺單機容量375MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量1500MW。

楊房溝水電站引水、發(fā)電系統(tǒng)主要建筑物由進(jìn)水口、壓力管道、地下廠房及其輔助洞室、尾水調(diào)壓室、尾水閘門室、尾水隧洞等組成。主副廠房洞、主變洞、尾水調(diào)壓室三大洞室平行布置，主副廠房洞的最大開挖尺寸230m×30m×75.57m(長×寬×高)，主變洞最大開挖尺寸156m×18m×22.3m(長×寬×高)，地面開關(guān)站布置在電站進(jìn)水口上游側(cè)約100m處的山坡上，場地尺寸138m×20m(長×寬)。

3 洞室群三維模型

楊房溝水電站引水、發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，地下洞室群規(guī)模龐大、縱橫交錯、斷面各異。對其進(jìn)行二維設(shè)計難度大、數(shù)據(jù)多、難理解，容易出錯，且引水、廠房專業(yè)間需要進(jìn)行反復(fù)地溝通與配合，工作量大。

對洞室群進(jìn)行三維設(shè)計，各專業(yè)僅依靠地形圖、洞室底部中心坐標(biāo)、洞室斷面、洞室走向等結(jié)構(gòu)主要參數(shù)，便可以實現(xiàn)復(fù)雜不規(guī)則的洞室群模型建立。通過PW協(xié)作平臺，實現(xiàn)專業(yè)間配合，并能夠直觀地復(fù)核各洞室定位、走向，確保引水、廠房洞室間的銜接準(zhǔn)確，快速建立復(fù)雜而準(zhǔn)確的洞室群模型。洞室群三維模型將楊房溝引水、發(fā)電系統(tǒng)清晰表達(dá)出來(如圖1)，主要包括進(jìn)水塔、主副廠房洞、主變洞、尾水調(diào)壓室、引水隧洞、開關(guān)站等。

4 廠房三維模型

楊房溝水電站廠房為地下廠房，是集水流系統(tǒng)、電流系統(tǒng)、電氣控制設(shè)備系統(tǒng)、機械控制設(shè)備系統(tǒng)和輔助設(shè)備系統(tǒng)為一體的龐大區(qū)域，堪稱水電站的“心臟”。所以，廠房布置的合理與經(jīng)濟顯得尤為重要，既要保證各系統(tǒng)自身的正常運行、互不侵占，又要保證各系統(tǒng)間的協(xié)作運行、相輔相成。如果水電站廠房僅局限于二維設(shè)計，即使經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員也難免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)遺漏、管路碰撞、設(shè)備缺失等錯誤，而利用三維設(shè)計則可以輕易避免這些錯誤，直觀且智能。

4.1 模型建立與更新

在楊房溝廠房三維設(shè)計開始階段，總設(shè)計師根據(jù)項目需要，制定開展計劃、設(shè)置項目規(guī)則、合理分工、明確各專業(yè)工作內(nèi)容及時間要求。隨后，廠房結(jié)構(gòu)、水機、電氣、給排水、建筑等專業(yè)在PW協(xié)同平臺上獨立進(jìn)行ABD模型建立。

通過PW協(xié)同平臺，不同專業(yè)之間可以相互參考，及時發(fā)現(xiàn)布置間的矛盾之處，實現(xiàn)建模與優(yōu)化調(diào)整的同步性。廠房結(jié)構(gòu)、建筑體型復(fù)雜、不規(guī)則；機電專業(yè)設(shè)備與管路布置密集，通過PW平臺進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，利用共享模型進(jìn)行工作，可以在設(shè)計過程中避免專業(yè)間的碰撞與干擾，大大節(jié)省專業(yè)間配合時間，工作效率得到提高，保證了土建與機電布置的同步性與有效性。

4.2 碰撞檢查

在各專業(yè)三維模型進(jìn)行合理布置、調(diào)整完善后，展開楊房溝廠房三維集中設(shè)計工作，對廠房三維模型進(jìn)行碰撞檢查。碰撞檢查是廠房三維設(shè)計的關(guān)鍵步驟，ABD可以搜索專業(yè)內(nèi)部及不同專業(yè)間的各種碰撞信息，在系統(tǒng)復(fù)雜、聯(lián)系緊密的模型中尋找肉眼不易發(fā)現(xiàn)的碰撞錯誤。

圖2與圖3為全廠機電設(shè)備布置圖，圖2主要涉及暖通、電氣、給排水專業(yè)，圖3主要涉及水機專業(yè)?？梢钥闯觯珡S機電管路、設(shè)備布置錯綜復(fù)雜、極其繁瑣，如果不進(jìn)行碰撞檢查，緊靠肉眼或想象，大量碰撞錯誤不可避免。在以往，一些在施工時才會發(fā)現(xiàn)的棘手碰撞問題，如結(jié)構(gòu)與管路的碰撞、管路與管路的碰撞等，如今，在三維集中的時候便可以及時被發(fā)現(xiàn)，問題得以快速解決。

圖2 全廠機電設(shè)備布置(一)

圖3 全廠機電設(shè)備布置(二)

通過碰撞檢查：如圖4，發(fā)現(xiàn)水機專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)之間的碰撞問題，水機管路穿梁布置，需要進(jìn)行調(diào)整；如圖5，給排水專業(yè)管路與暖通專業(yè)風(fēng)管“打架”，需要調(diào)整布置。

碰撞檢查功能，既確保了場內(nèi)機電設(shè)備布置的合理性，又減輕了設(shè)計人員和校審人員的工作壓力與負(fù)擔(dān)，對設(shè)計產(chǎn)品的品質(zhì)提升都有極大的幫助。

圖4 碰撞檢查(一)

圖5 碰撞檢查(二)

4.3 快速出圖

水電站廠房結(jié)構(gòu)、性能復(fù)雜，涉及領(lǐng)域眾多，圖紙量巨大，設(shè)計人員工作任務(wù)繁重，以三維設(shè)計為基礎(chǔ)，則可以極大提速出圖工作。根據(jù)圖紙需求，制圖人員可以在三維模型的任何位置精準(zhǔn)切出平面和剖面圖紙，只需再添加相應(yīng)尺寸標(biāo)注與文字標(biāo)注即可出圖。對于結(jié)構(gòu)不規(guī)則而傳統(tǒng)二維圖紙表達(dá)不清楚的部位，設(shè)計人員還可以在施工圖紙中配以軸測圖對結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀表述。故利用三維模型進(jìn)行出圖，直觀、快速而精確。

5 廠房三維效果

設(shè)計人員通過對各專業(yè)、各部位模型的參考，組成整體的工廠三維總裝模型；利用對三維模型的剖切，從各方位把廠房外部與內(nèi)部、整體與細(xì)節(jié)呈現(xiàn)出來。廠房三維效果圖是楊房溝水電站廠房設(shè)計的一個重要成果，通過最佳視角展現(xiàn)楊房溝主廠房、副廠房、主變洞等廠房主要部位不同層高的布置，得到直觀、具體和全方位的效果。這樣，對于不方便操作、運行ABD或PW軟件的施工、業(yè)主等參建各方，通過這種圖紙表達(dá)方式，都可以高效地對廠房模型進(jìn)行形象閱讀和直觀理解。

在近期進(jìn)行三維設(shè)計的水電站廠房中，制作三維效果圖的并不常見，廠房三維效果圖的制作是楊房溝廠房三維設(shè)計的一大特色，也得到了參建各方的肯定與積極響應(yīng)。設(shè)計人員共制作出58張三維效果圖，涵蓋楊房溝廠房涉及的各個專業(yè)及各個系統(tǒng)。圖6和圖7為楊房溝地下三大洞室階梯展示圖和楊房溝地下三大洞室橫剖面圖。楊房溝地下三大洞室階梯展示圖運用“階梯剖”功能將主廠房廊道層、蝸殼層、水輪機層、中間層、發(fā)電機層，以及主變洞、尾調(diào)室等的布置、結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示。楊房溝地下廠房三大洞室橫剖圖將主副廠房洞、母線洞、主變洞、出線豎井、尾調(diào)室等布置依次呈現(xiàn)。通過三維效果圖，廠房土建、設(shè)備布置一目了然，真實地對廠房布置進(jìn)行了模擬。

圖6 地下三大洞室階梯展示

圖7 地下三大洞室橫剖面

6 廠房漫游

楊房溝廠房三維設(shè)計的另一大突出特色是利用與ABD接口的軟件LumenRT對廠房內(nèi)景進(jìn)行虛擬漫游，在生成三維效果圖的基礎(chǔ)上，使用軟件LumenRT進(jìn)行動畫模擬可謂是錦上添花，這使得楊房溝廠房三維設(shè)計實現(xiàn)精益求精、效果近乎完美。

由于廠房三維總裝模型信息量大、數(shù)據(jù)多，占用內(nèi)存較大，僅利用軟件ABD中的“漫游”功能，無渲染效果生硬、操作不便易卡頓。所以，楊房溝三維設(shè)計提出利用軟件LumenRT對廠房進(jìn)行虛擬漫游，實現(xiàn)了水電站廠房三維設(shè)計從三維靜態(tài)到三維動態(tài)的進(jìn)步。采用軟件LumenRT可以將靜止不動的模型，經(jīng)過漫游，以視頻動畫的形式“動”起來。軟件LumenRT易操作，普通結(jié)構(gòu)設(shè)計人員即可上手，只需將ABD模型導(dǎo)入LumenRT軟件，并根據(jù)需求及喜好調(diào)整好性能參數(shù)、設(shè)置好漫游路徑，便可得到想要的理想動畫視頻。

圖8為廠房水輪機層漫游視頻截圖，可以清楚地看到水輪機層中管路、橋架、盤柜等布置；圖9為廠房發(fā)電機層漫游視頻截圖，從安裝間視角觀察發(fā)電機層的橋機、發(fā)電機、盤柜等布置。楊房溝廠房三維模擬動畫精美而生動逼真，置身于廠房之中，仿佛身臨其境。動畫得到各參建方的好評，基于動畫，各參建方更易于理解，可以輕松進(jìn)入三維虛擬廠房實境當(dāng)中。

圖8 廠房水輪機層漫游視頻截圖

圖9 廠房發(fā)電機層漫游視頻截圖

7 設(shè)計優(yōu)化

楊房溝水電站項目的一個重大創(chuàng)新點在于它采取的設(shè)計、施工總承包模式。總承包模式項目鼓勵設(shè)計優(yōu)化、控制工程總價，無形間可以調(diào)動設(shè)計、施工等各方的積極性，有助于提高工程質(zhì)量與進(jìn)度。廠房三維設(shè)計恰好是實現(xiàn)設(shè)計最優(yōu)化的重要措施。在楊房溝廠房三維設(shè)計全過程中，每一個階段都在查“撞”補“漏”的進(jìn)行著廠房布置優(yōu)化；模型在不斷調(diào)整與完善。以下為廠房三維設(shè)計中設(shè)計優(yōu)化的幾個例子：

(1)在進(jìn)行廠房上下游向尾水盤型閥操作廊道層漫游時，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)：給排水專業(yè)的消火栓布置在水機專業(yè)的水泵之后，二者雖無直接碰撞，但消火栓門難以開啟，如圖10所示。設(shè)計人員即刻對消火栓槽的位置進(jìn)行調(diào)整。倘若這個問題在施工期或運行期發(fā)現(xiàn)，錯誤則無法挽回，再進(jìn)行補救則代價較大。

圖10 設(shè)計優(yōu)化(一)

(2)在進(jìn)行廠房左右向尾水盤型閥操作廊道層漫游時，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)：在廊道端頭有障礙物，“走”近則發(fā)現(xiàn)是含油污滲漏集水井進(jìn)人孔的鋼爬梯扶手。這種布置方式雖然沒有顯著問題，也不影響運行，但顯得不夠合理，于是設(shè)計人員將鋼爬梯扶手調(diào)整至進(jìn)人孔的另一側(cè)，靠邊布置，更加合情合理。

圖11 設(shè)計優(yōu)化(二)

(3)檢修集水井中的水，起初的排水路線為：廠房進(jìn)風(fēng)洞→上層排水廊道→通風(fēng)兼安全洞→水墊塘交通洞→水墊塘，總長超過1000m。而通過觀察廠房洞室群三維效果圖(圖1)，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)集水井排水路線變?yōu)椋簭S房進(jìn)風(fēng)洞→尾水調(diào)壓室，總長不超過300m。通過對排水管路優(yōu)化設(shè)計、縮短管路路程，減少了排水埋管及混凝土工程量，降低造價超過百萬。

8 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，水電站廠房的設(shè)計、運行與管理正逐步由人工向數(shù)字化、智能化不斷轉(zhuǎn)變。對于復(fù)雜且浩大的水電站廠房設(shè)計工程，三維設(shè)計具有很大優(yōu)勢，在穩(wěn)步前進(jìn)且勢不可擋。楊房溝水電站廠房三維設(shè)計實現(xiàn)了三維模型建立與協(xié)同設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，更完成了三維效果圖的設(shè)計，并提出運用動畫渲染軟件對廠房內(nèi)部進(jìn)行虛擬漫游；在成功運用傳統(tǒng)三維設(shè)計模式的同時，也對傳統(tǒng)三維流程進(jìn)行了完善；大幅提高生產(chǎn)效率、保證設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量。楊房溝水電站廠房三維設(shè)計的研究與應(yīng)用成果將有助于三維設(shè)計在水電站廠房設(shè)計中的推廣，并為之后的水電站廠房三維設(shè)計提供可借鑒的經(jīng)驗。