换流站控制楼三维设计

 

　　王磊

 

　　中南电力设计院，湖北省武汉市民主路668号 430071；

 

　　摘要：介绍换流站控制楼的三维数字化设计方法，对比常规二维设计手段和三维协同设计手段的优缺点，阐述三维数字化设计手段在换流站控制楼设计中的可行性及带来的效益。

 

　　关键词：数字化协同设计精细化设计出图方式  设计成果的高效沟通

 

 

　　中国电力的发展速度是有目共睹的，我国建设的输变电项目囊括了世界上最高电压等级、最大输送容量、最大工程投资,可是，目前还没有用足够先进的输变电工程设计技术，来进一步地提高设计质量，优化设计方案。为适应国际大市场的竞争，对设计质量、方案优化、设计工期提出了更高的标准，传统的二维设计越来越不能满足现代电力市场对设计的要求。近年来，国家科技部大力推广应用数字化技术，一些业主在工程中也提出数字化设计的要求。

 

　　在我国发电厂的设计中，近年来已逐步推广使用了三维数字化技术，并取得了很好的效果。三维数字化工厂设计系统，经过多年的使用、磨合及二次开发，在发电设计领域已经体现出了巨大的优势，并在材料统计、电缆桥架设计、管道碰撞等方面均体现了三维数字化设计准确、直观、高效的优势。

 

　　为了追赶国际先进水平，参与国际市场竞争，要求变电行业也要转向三维数字化设计，尽快与国际接轨。而在变电设计领域，由于变电设计的特殊性，在三维数字化设计软件的运用上存在一些比较难以解决的困难，故变电方面的三维数字化设计一直推进得比较缓慢，目前国内变电三维数字化设计还没有得到广泛应用。

 

　　随着变电设计行业的不断发展，传统的二维设计技术越来越不能满足工程建设对设计的要求，传统的设计工作是从三维到二维，再从二维到三维，依靠工程师的空间想象力和基本制图技能完成空间设计，带有局限性和特殊性，在工程进度的约束下对详细布置的经济性和优化缺乏控制，效率也比较低。

 

　　在Bentley系列软件平台上应用数字化协同设计可最大程度地降低或避免软、硬碰撞的发生，确保工程的质量和建设工期，提升设计管理能力。

 

 

　　2.1数字化协同设计

 

　　在换流站控制楼土建相关专业间采用Bentley系列软件开展数字化协同设计，可以使建筑、结构、水工、暖通各专业及各设计人员在一个协同的环境下建立一个全信息、立体、可视、可多方位查看浏览的三维模型，设计人员容易方便地发现问题，再通过碰撞检查工具的检查，检查出专业之间的碰撞，将设计中差、错、碰、漏问题降至最低。

 

　　传统的二维设计，各个专业、各个设计人员不能真正实现实时的沟通和协同工作，常常会出现一些差、错、碰、漏问题，这些问题常会遗留到施工阶段，在施工过程中才能发现，并通过变更设计来解决。设计变更过多，会造成返工，严重影响施工工期，并导致工程投资增加。

 

　　数字化协同设计具有“并行设计”的特点，相比于传统的“串行设计”的模式，各设计人员不需要等到上游专业完全布置完一个区域后才能开展自己的工作，而是可以通过“参考”及“刷新参考”的方式及时的获得上游专业的工作内容，进行同步设计，缩短设计周期。

 

　　例如在工程设计中，水工、暖通专业向土建专业提资后（包括设备基础、水管、风管预留孔等），水工、暖通专业和建筑、结构专业分别完成三维空间布置。当各专业三维布置结束后，设计人员将各自的设计文件参考到一个统一的坐标系内进行校核工作。校核工作内容包括：核实各设备基础定位和和设备定位是否符合、设备布置与房间布置是否匹配、建筑物内部风管、水管与柱梁板是否碰撞等。

 

　　通过在一个统一的三维空间内进行不同专业间的校核，设计人员很容易发现多专业布置不匹配的情况，从而进行有效的修改，可以高效的完成多专业的协同设计。

 

　　除此之外，数字化协同设计还可利用设计软件的碰撞检查功能对数字化模型空间中的实体模型和进行“硬碰撞”及“软碰撞”检查，存在碰撞的地方，系统将提供碰撞检查列表，高亮显示存在碰撞的位置，方便设计人员逐一确认并修改，从而严谨彻底地解决碰撞问题。

 

　　2.2精细化设计

 

　　通过三维数字化布置设计，可以对控制楼内给排水管道和风管进行优化布置，压缩层高、减小建筑面积，节省工程投资，从而达到精细化设计的目的。

 

　　2.3符合三维数字化设计的出图方式

 

　　三维数字化设计的出图方式区别于传统二维设计方式，设计时直接对三维数字化模型进行布置，然后通过三维数字化模型根据工程需要任意的抽取轴测图或者平、断面图。

 

　　数字化模型基于数据库，抽取的图纸将真实的反映出三维空间对应的平断面图纸，避免了人为原因造成的错误。等幅面的一张三维数字化图纸比一张二维图纸可以反映出更多的信息。数字化设计出图从数量和信息量上都较原有二维出图方式有很大的提高，可以更清晰、更精确地指导施工，提高工作效率，缩短施工时间。

 

　　水工、暖通专业施工图大部分为设备、给排水管道、风管的平断面图纸，而这些图纸中“平面-断面”、“断面-断面”间有着严格的逻辑匹配关系。传统二维设计中，当布置发生调整时，可能发生部分平断面图纸发生漏改的情况。这种存在逻辑矛盾的图纸到达施工现场时，可能造成施工困难或者错误。

 

　　三维施工图基于三维布置，设计人员只需要专注于三维模型布置，当设备及基础、结构布置完成后，施工图均从三维模型中抽取。这样从根本上保证各平断面图纸严格的逻辑一致。同时，当设备布局发生变化时，所有平断面图纸可以同步更新，不会发生遗漏或者矛盾的情况。一方面，三维施工图抽图将设计人员从各平断面对应的抽象思考方式中解放出来，使设计人员只需要专注于直观的三维布置和校核；另一方面，三维施工图很好的解决了平断面图纸的对应性，并且做到了图纸的同步修改更新，缩短了方案修改时间，为工程高效的开展提供了保证。

 

　　对于施工单位，大量的断面图之间缺乏整体感，很难形成整体的概念，需要较长时间去熟悉图纸。通过三维出图，可以将较复杂的区域拆分为若干简单的区域，再针对各区域给出相关的断面图及轴视图。这种施工图设置首先向施工人员建立了一个单体建筑整体的概念并形成了各区域的关联关系，使施工人员更方便、全面的了解图纸，从而提高了施工效率，保证了施工质量。

 

　　2.4设计成果的高效沟通

 

　　数字化协同设计的成果，可采用Bentley软件直接用于三维仿真动画、施工进度模拟及效果图的制作，以展现整个工程的全貌。

 

　　数字化设计所建立的模型是设计人员创建的准确设计模型，所以以它为蓝本制作的动画或效果图，能够更加准确地反应工程项目的实际情况。而且，对于一些简单的展示效果、或工程特定的细节，可以由设计人员自己利用三维数字化解决方案的内置功能来减少数据转换，能够原汁原味的体现设计思想。

 

　　该模型可在工程建设的全过程及全寿命周期中进行“上下游”传递，使项目的干系人对工程有更直观的了解和对工程更为“心中有数”。

 

　　三维仿真动画的制作过程为：首先在三维建模的过程中对各种构件的材质进行选择，并在软件自带的渲染引擎中通过相机、灯光、环境的设置生成效果图，与此类似，通过相机、路径、目标、制式的设置可生成一连串连续的画面，最终形成一段漫游视频。

 

　　施工进度模拟的过程为：将各阶段三维模型设计完成；确定工程实体的施工安装时间，即按照业主对于工程的施工进度要求，制定工程不同阶段的时间表；将上述时间表与三维模型关联，形成四维模型，即按照时间表中的不同时间链接相应的三维模型，达到显示的模型与现场进度相一致。

 

　　2.5设备材料工程量精确统计

 

　　在数字化设计中，数字化模型不仅提供设备的外形信息，而且被赋予了如“设备名称”，“产品型号”，“生产厂家”等信息。当设备布置完成后，可以通过Bentley软件自动统计功能对设备材料进行精确统计，并自动生成设备材料清册。

 

　　设备的数量与数字化模型空间的数据库相关联，设计人员在数字化模型空间中增加或者减少设备，设备材料表也会相应修改，做到设备材料清册始终与数字化模型一致。保证了设备材料表的准确性和即时性。

 

　　数字化模型建立之后，根据设计方案，设备材料报表及各种工程量表可以自动生成。

 

 

　　目前，变电设计行业的各家设计单位均在摸索及寻找一款适合变电设计要求的单体建筑的三维数字化设计方法，但均未进行大范围的推广及应用。换流站单体建筑土建相关专业采用的三维数字化设计方法具有以下优点：

 

　　（1）符合变电设计行业的设计习惯及流程；

 

　　（2）三维建模过程简单、高效；

 

　　（3）可覆盖土建设计全专业；

 

　　（4）可进行专业间协同设计及异地协同设计；

 

　　（5）可根据不同阶段三维数字化设计要求方便的进行开发定制；

 

　　（6）可方便的将变电设计中常用的标准化模块集成至数字化设计系统中；

 

　　（7）具有严格有效的设计过程及文档管理。

 

 

　　裕隆±800kV换流主控楼三维数字化设计

 

　　4.1建筑设计

 

　　建筑设计采用三维数字化设计手段，可直接根据换流站各个建筑物空间需要，从三维构思到三维模型，使设计变得更加直接，减少了从空间想象到二维平面表达再由二维平面表达到空间想象的繁琐的思维转译过程；并能够进行体积面积的材料统计，以提供相关数据给预算部门。

 

 

　　图1 主控楼建筑设计

 

　　4.2结构设计

 

　　建筑物设计牵涉专业多，设计经常需要修改，往往一个专业修改后未通知其它专业，导致梁柱与门窗冲突、梁柱与水工暖通管道冲突。建筑物设计采用三维数字化设计手段，实时查看结构与建筑及工艺专业的配合情况，减少设计差错，并且还可由三维模型直接剖切生成结构布置图。

 

 

　　图2 主控楼结构设计

 

　　4.3水工设计

 

　　水工专业采用三维数字化设计手段可进行建筑物消防给水系统、生活给水系统、工业给水系统、生活排水系统的设计，直接在三维空间中进行布置，确保管道及设备布置的合理性、美观性，避免与柱梁板间发生碰撞。

 

　　
图3 主控楼水工设计

 

　　4.4暖通设计

 

　　根据三维模型布置通风空调系统，可以避免风管、出风口等设备与楼内柱梁板之间的碰撞，还可根据柱梁的实际高度优化风管截面尺寸，压缩层高。

 

 

　　图4 主控楼暖通设计

 

　　4.5阀冷却系统设计

 

　　在工程初始阶段，采用三维数字化设计手段对阀冷却系统的构成方式及布置方式进行方案（包括ABB方案、西门子方案）比选，根据站区布置的实际情况选择最优方案，优化主控楼面积及阀冷却系统布置方式。

 

　　

 

　　图5 ABB方案阀冷系统布置设计

 

　　

　　
图6 西门子方案阀冷系统布置设计

 

　　4.6设计成果的高效沟通方式

 

　　数字化协同设计的成果，能够直接用于三维仿真动画、施工进度模拟及效果图的制作，以展现整个工程的全貌。数字化设计所建立的模型是设计人员创建的准确设计模型，所以以它为蓝本制作的动画或效果图，能够更加准确地反应工程项目的实际情况。而且，对于一些简单的展示效果、或工程特定的细节，可以由设计人员自己利用三维数字化解决方案的内置功能来减少数据转换，能够原汁原味的体现设计思想。

 

　　

 

　　图7 主控楼效果图

 

　　4.7将三维轴视图应用至施工图中

 

　　对于施工单位，大量的平断面图之间缺乏整体感，很难形成整体的概念，需要较长时间去熟悉图纸。在施工图各分册中增加三维轴视图，给施工单位一个直观的整体印象，方便理解各张平剖面图。

 

　　图8 主控楼建筑轴视图

 

　　图9 主控楼暖通设备及管道轴视图

 

 

　　（1）各专业软件与三维数字化设计平台的集成

 

　　三维数字化设计的核心是数据，而常规设计的目标却是图纸，将常规设计过程简单的在三维数字化平台上再现显然是不合适的。前阶段我们的工作更多的是探索，尝试如何在三维数字化平台上实现常规设计过程。随着应用的深入，我们应该研究更适合数字化设计的设计过程及设计成果，让数据贯通整个工程全过程，将设计、采购、施工通过数据有机地串成整体，从而实现数据的大流转。对我们设计而言，还要逐个实现各专业间数据贯通，平台与专业软件之间数据贯通，另外也要研究建立一整套合适的数字化设计管理体系及如何以全新的方式提交或移交设计成果。

 

　　（2）系统定制

 

　　将Bentley三维数字化设计平台进一步打造成为变电设计解决方案的一个集成系统，并结合文档管理的功能为企业定制一个协同工作空间环境（Workspace），这样企业参与的人员，无论在何时何地，工作环境都是一样的。

 

　　（3）应用标准化

 

　　作为一个三维数字化设计及移交的集成系统，应该有一套完整地解决方案，如从集成系统安装，到协同环境的配置，到每个专业软件针对企业标准的基本定制，有一个全面的安装和操作说明书。提高设计效率应该是引入数字化设计手段的目标之一。而提高设计效率要从一些细节入手，比如统一设置种子文件，让设计人员在一个统一的设计环境中工作，有助于设计标准化。还应该统一建立及管理标准图框、使用的字体、字形，各专业图纸表达的图层定义、线性线宽，出图基本定制，使出图更规范。