三维可视化设计在水电工程中的应用初探（林婕）

[摘 要]　以贵州蒙江灰洞水电站的三维设计为例，详细介绍三维可视化设计在水利水电工程中的应用体会，展示三维可视化设计技术在土木工程中应用的广阔前景。图7幅。

[关键词]　三维可视化技术 集成化项目模型 协同设计

1 国内三维设计现状

目前三维技术在国内工程中的应用较为广泛。

1.1 渲染及动画使用情况

整个土木工程设计行业目前大多采用3DSMAX软件，虽然掌握该项技术的设计院比较普遍，但由于生产周期长、投入的人力多，故未能形成生产力；只有交通规划设计总院以及水利行业中的上海院、黄委院、长委院、成勘院等开展得较好。

1.2 仿真使用情况

水利行业只有成勘院进行三维施工仿真。原铁道部几个设计院进行了局部施工仿真，投入软件费用近80万元。

1.3 三维设计使用情况

国外基本使用Bentley(奔特力)公司产品进行三维设计。国内形成生产力的单位有广东电力院，开展该项工作的有广州地铁、军队的导弹发射基地、铁道部原几个设计院、香港机场等。

2 三维设计在水电工程中的应用情况

三维可视化技术应用于水利水电工程设计是贵州省水利水电勘测设计研究院为应对人世后参与国际竞争所做的一项技术储备，也是为贯彻建设部、水规总院有关文件精神和提高竞争力所开展的一项工作。该技术的成果在2004年全国水利行业计算机年会上得到与会专家的一致肯定。现以蒙江灰洞水电站工程为实例将进行三维设计的初步应用情况介绍如下。

2.1 工程简介

蒙江流域灰洞水电站位于贵州省罗甸县境内，电站装机54MW，年发电1.819亿kW·h。水库库容1092万m3，为日调节水库。大坝为碾压混凝土抛物线对称双曲拱坝，坝高90m。校核洪水标准为500年一遇，设计洪水标准50年一遇。主要建筑物有：碾压混凝土抛物线双曲拱坝、泄洪表孔、冲沙底孔、发电取水口、发电引水隧洞、地下压力钢管、发电厂房、升压站等。

2.2 三维设计过程

2.2.1 基础资料处理

收集库区1：10 000地形图，扫描后通过Geo-graphics进行坐标校正，用Descartes软件进行矢量化。在Geographics中利用自动坐标投影变换功能，将地形图转换为统一原点，从而与1：500 GPS坝址地形图合成，在保证设计精度的条件下，形成了工程设计所需的三维地面模型(见图1)。

2.2.2 三维模型设计

根据灰洞电站设计成果，用Microstation、Tri-forma等软件制作形成三维实体模型，有双曲拱坝(见图2)、泄洪表孔、冲沙底孔、发电取水口、发电引水隧洞、地下压力钢管、发电厂房(见图3)、升压站(见图4)、变压器等。

其中坝体由7个高程剖面构建，每一个剖面的精确坐标点由6个方程式计算得出。由于坝型复杂，在施工阶段，要求提供精确的楼梯施工大样图，采用三维设计，可以非常方便地得到每一级台阶的精确坐标，大大提高了工程技术人员的工作效率。通过验证，以上三维实体均可导入Ansys有限元分析软件。

2.2.3 合成

根据总体布置图的要求，用Geopak site精确地合并模型，将建筑模型放在三维地形上，形成了1个三维的、可视化的工程实际模型。

该地面模型采用了世界上先进的三角网技术，坝区地形基础数据精度高。Geopak site能即时提供可视化地形反馈信息，对场景中修建公路、修建桥梁、改变坝体形式、移动坝体位置、修改开挖边坡比等情况，均可实时地观察开挖效果，能自动重新生成地面模型，不再需要传统的修改步骤。Geopak site同时为场地工程设计的评估提供了1套完善的分析工具，能够生成剖面、计算体积、分析标高差异以及查看坡度和标高的差异等(见图5)。标高分析工具允许您对设计模型的标高进行动态的查询。随着鼠标在模型中的漫游，能够动态的实现标高、等高线以及径流方向、体积计算和进行填挖方平衡的计算(见图6)。此外Geopak site还能够按照棱柱体或网格计算。软件允许设计者在对象间、模型与对象间或按照相对标高进行计算。在模型建立完成后，设计者可以建立以不同颜色代码表示的标高专题图。可以在网格或三角网模型的基础上，在模型与其对象或对象间进行类似的比较。Geopak site还能够显示并标注所有的填挖区域，帮助设计者识别不同属性的区域。通过下面这幅图(见图7略)，我们可以清楚地看见公路、桥梁。通过不同方案的比较，可以大大提高设计精度、缩短设计周期、大幅提高设计效率。

3 评 价

就三维设计在水利水电工程与传统二维设计手段相比有哪些明显的优势和不足，有关专家和工程技术人员对此进行了评价：

1)奔特力以Microstation为平台，提供了从测量、地理信息、矢量化、建筑结构以及土木工程的一系列产品，通过用它的产品对灰洞电站的设计(验证)表明在水利水电工程中使用三维可视化、参数化设计从技术上说是可行的。

2)三维工程设计使勘测设计行业特别是土木工程设计单位的协同设计成为可能。

在进行灰洞工程设计验证时，将地形数字化形成三维地面模型、创建双曲拱坝、泄洪表孔、冲沙底孔、发电取水口、发电引水隧洞、地下压力钢管、发电厂房、升压站建筑物的三维模型工作同期进行，由传统的串行工作方式改变为并行工作方式。

上述工作完成后，在进行主体建筑物(坝址、坝型)方案比较的同时进行有限元分析计算。可解决工程设计人员不足的矛盾，将过去只有工程人员能胜任的工作部分转移到计算机技术人员上。

3)三维设计可大大提高勘测设计单位设计成果的利用率，大幅度缩短设计周期。

基础资料如三维地面模型(三维地质模型)的成果可以在相关工程中得到重复利用。

本系统特别适用于水利工程的设计周期(规划一项目建议书一可研—初设—施工乃至施工和工程建设后的运行管理)，即每一阶段都可在上一阶段的模型基础上按本阶段设计精度进行深化，大大提高了前一阶段产品的利用率。

4)三维设计技术的使用可以最大程度获得业主的满意。

可以利用航片作为材质对设计场景很快地进行渲染，把各专业相互之间的设计成果以可视化的形式展示出来，达到虚拟设计和虚拟制造的目的。按照预定的飞行路线，真实地将设计产品展示给业主。

该系统的成果可实时准确地回答专家或业主在设计过程中提出的各种问题。

若用于技施阶段还可以回答施工单位有关施工方面的问题。

5)可以给设计单位带来更大的经济效益。

6)下一步工作方向：

①进行地质信息的处理；

②实施航片与三维地形图的叠加；

③将水力学、三维地形、建筑物结合在一起进行有限元分析计算；

④各阶段的方案比较、工程量、环境评价、经济评价；

⑤与P3(工程项目管理软件)结合进行施工进度模拟。

4 结束语

在上世纪80年代与90年代之间，从徒手绘图设计转变到了计算机辅助设计(CAD)，但即使CAD增进了桌面计算机的产能，也仅仅只是为项目的过程提供了少许的改变。在整个土木工程设计行业中，虽然建筑物是3D的，而工程师也是以3D的方式来思考；但是他们所受的传统教育，却是教导他们第一步要将3D对象转化成2D的表现形式，这是因为传统的纸张和画笔具有其限制性。传统的工作流程需要产生大量的2D平面图、报告、进度表与明细规格表，才能完整地描述建筑物。与传统方式不同的是，由于计算机并没有这类的限制，在三维设计中，集成化项目模型不但涵盖了这些建筑物的内容，还包括了项目信息。所有的设计或设计上的变更，只需在同一个地方完成即可。与那些无相互关联的文件相比，信息相互关联的项目模型可节省大量的时间，还可以排除错误、遗漏与差异的主要来源。由此可见，奔特力集成化项目模型的功能远远超越了计算机辅助设计，它将全信息建筑模型扩展为全方位且具有普遍性的解决方案，让设计、工程以及项目管理与写作更加地便利，也使得整个项目的传递过程更有效率，同时支持了所有的建设资产的生命周期。三维可视化是工程设计领域发展的一个方向。

作者单位：贵州省水利水电勘测设计研究院

来源：小水电杂志