探讨分析水电站三维机械设计

１ＲｅｖｉｔＭＥＰ软件介绍
Ｒｅｖｉｔ是Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司开发的基于建筑信息模型（Ｂｕｉｌｄ－ｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ即ＢＩＭ）的系列软件，它包括ＲｅｖｉｔＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ、ＲｅｖｉｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅ及ＲｅｖｉｔＭＥＰ三个产品。Ａｒｃｈｉ－ｔｅｃｔｕｒｅ和Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ分别为建筑、结构的ＢＩＭ平台，ＭＥＰ则是面向机械及电气专业的设计平台，是一款智能化的设计工具，它通过数据驱动的系统建模和设计来优化土建结构与设备专业工程，具有暖通、电力、给排水设计模块等。同其他三维设计软件一样，ＭＥＰ具有参数化、平剖面双向关联，各专业统一的设计特点。然其特有的设备及管道族特性优势，为水力机械设计者提供了良好的工作和拓展空间。在水电项目机电设计中，水力机械、土建结构、电气、通风专业需要协同工作，及时沟通更新设计思想，共享实时正确的设计信息。ＲｅｖｉｔＭＥＰ提供了“链接模式”、“工作共享”的２种协同工作模式，“链接模式”指不同专业的文件以整体“模型块”载入的方式共享设计信息的协同工作方法，各专业主体文件独立，文件较小，运行速度快，主体文件可根据需要随时链接各专业文件信息，但其不能在主体文件中直接编辑链接文件。主要适用大型水电站的设计；“工作共享”则指多个工作集（不同专业可作为一个独立的工作集）同时对一个服务器上的中心文件进行本地处理后及时与中心文件同步更新的协同工作方法，本地文件通过“与中心文件同步”模块操作时时更新整个项目的设计信息，来保证共享信息的及时性和准确性。如此，在二维设计中常出现的土建结构修改却未及时通知水机、电气等专业作相应修改而引起的不一致现象可以完全避免。同时，ＲｅｖｉｔＭＥＰ软件可通过设置“工作集”的权限来保护本专业设计成果不会被其他专业进行误操作。该模式适合中小型水电站设计。若本专业有多个设计者从事同一项目的设计，则可采用２种协同模式相结合的方式，即内部采用工作共享模式，对外采用“链接模式”。本文主要介绍“工作共享”的协调工作模式。


２设计实施
在ＲｅｖｉｔＭＥＰ中，一套完整的施工图的设计所包含的元素与二维ＣＡＤ设计基本相同。水力机械施工详图设计阶段主要涉及主副厂房内的主机管路系统、辅助系统的油、气、水设备及管路、消防设备及管路、量测管路等各个系统的布置设计。一个新建项目初始，在“工作共享”的协同模式下，水工专业需在ＲｅｖｉｔＭＥＰ平台上创建并导入自己的土建结构模型族，给后续专业定出一个相对位置及相对高程，并将此新建项目作为中心文件存入服务器，此后，各个专业（包括水工）仅需在该服务器中心文件下另存各自相对独立的本地文件后就能开展各自的工作，水机设计者在本地文件上开展各个系统的设备及管路布置设计之前，需要使用到族（类似于ＣＡＤ中的“块”），这些族是需要事先创建的，参数化族尤为重要，为后续的设计提供元素，提高效率，避免在不同的新系统及新项目中重复做族的创建工作。
２．１参数化驱动建族“参数化”是将三维模型的各个部分利用多个参数约束起来。这些关键性的参数是根据实际设备的外形控制尺寸参数确定的，比如闸阀族中，手柄长度和直径与阀门公称直径之间存在一定的约束，主阀体宽度也与直径之间存在一定的约束等等，通过这些尺寸约束可以实现三维模型在主要外形上与实际设备完全一致，绘制出一个闸阀外形后，通过建立的参照线标注好闸门外形主要结构之间的尺寸参数后，建立相关的列有所有不同规格（ＤＮ５０至ＤＮ６００）主要外形驱动参数．ｃｓｖ数据表或．ｔｘｔ数据表，即建立三维模型数据库与设备外形尺寸序列之间的关系，实现一次建模就即可得到同一类型不同规格的阀门。建模完成后就可以把族库载入三维设计项目中选用，不需要像二维设计中每次使用时都需要重复绘制设计每一不同规格的设备。采用“参数化”的方法，逐步完善和建立水力机械专有设备族库，为顺利开展项目设计作铺垫。水机族库总的包括２大类即设备族和管道族，设备族包括主机、进水阀、油泵、滤油机、油桶（立式和卧式）、滤水器、空压机、储气罐、小球阀、闸阀、雨淋阀、电磁阀、四通阀、漏油箱、流量计、压力表、温度计等等，管道族则包括直角弯头和任意角度弯头、Ｔ型等径三通及异径三通、焊接卡套式直通管接头、焊接卡套式直角管接头等。虽以上２大类族在ＲｅｖｉｔＭＥＰ２０１２版已经有了部分构件，但是用于水电站设计实际还存在差异，需要修改完善，因此，建立参数化族是必不可少的重要基础工作。图１为一些设备族实例。参数化族建立完成后，可对其赋于属性信息如采购时间、材质、规格等，这样在以后的运行维护中将起到一定的查询和指导作用，大大方便了检修维护工作人员在工作时的盲目性及重复性。
２．２设备及管路三维布置完成所需族库的建立工作以后，开展基于水工专业建立的厂房结构三维模型，进行水力机械设备及管路系统三维布置。这里以某电站气系统及管路布置为例进行说明，该系统涉及空压机（中、低压）、冷干机、储气罐、球阀、压力表等诸多族的使用。本地文件同步服务器中心文件后，则可看到水工专业实时更新好的气系统设备室的最新体型结构及电气、通风专业设备布置，而无需像二维ＣＡＤ设计一样在进行水机布置同时还人为对照水工结构及电气、通风图纸，ＲｅｖｉｔＭＥＰ平台让最虚拟现实的结构模型跃然纸上，一目了然，只需从已建好的族库导入需要的气系统设备族至项目中，根据设计者的意图，按合适的高程和平面位置进行放置后，依据系统图的设计原理依次在该平台的三维空间中连接好设备及阀门间连接管路即可得到图２所示的模型成果（电气、通风工作集已关闭，其设备未显示），在管路连接过程中，需辅助ＲｅｖｉｔＭＥＰ视图模块中的“左视图、右视图、前视图、后视图”来将管路定位到合适的高程及平面位置，此过程亦为三维设计较重要的部分，若管路较多工作任务则会相对多，但此为一次到位布设，后续进行任意剖切时则无须再重复绘制定位。
２．３施工图纸设计三维模型以栩栩如生的画面将设备外形呈现于面前，无需看图人员通过三视图来构想设备实际形状。但实际施工时仍需要设备及管路的定位和轮廓尺寸标注。因此，需将已经建立好的三维模型进行平、剖切及注释表达，用以准确地指导施工。这点和以前的二维设计产品保持一致，但总体而言，实体设备及管路使得施工人员读图和理解设计意图变的更为容易。水机专业设计者建立了一套从图纸尺寸标注到建立图框的一系列出图图元族，从而保证了三维图纸的良好的可读性和完整性。在三维模型建立完成以后，设计者可在任意需要的位置进行模型的平、剖切，剖切面上的图形是自动生成，并与三维模型相互关联，对模型或者剖切面任意一个进行改动，其相关联的剖切面或者模型会随之变动的。无需像ＣＡＤ二维设计一样需要在每一个剖面上重复绘制土建结构和水机设备管路外形轮廓线。剖切位置选定并自动生成剖切面后，此时只需要利用ＲｅｖｉｔＭＥＰ相应的标注模块添加尺寸及文字标注即可。这样一套成型图纸所需要的剖面就可以完成。以下是上述气系统设备室水机设备对应的平面及部分剖面（已添加好尺寸及注释）成果。平面成果如图３，部分剖面成果如图４。将全部的平剖面成果依次拖入到已导入的图框族中设置合适的比例、调整相互的位置即可。图纸说明则和二维设计中一样，在图框中空白处输入文字即可。在三维建模过程中的设备及阀门都被赋予了一些属性，在ＲｅｖｉｔＭＥＰ的材料自动统计时则可根据这些属性中的一些来过滤统计我们需要的材料的数量，添加所需格式的明细表拖入图框相应位置即可。材料的自动统计功能使得以前人为统计的错误和浪费降低到几乎为零的可能性，大大降低或减少浪费及错误。这样压缩空气系统管路设计已基本完成，其中间过程的顺序也不完全绝对，比如也可先将平剖面拖入图框之后再逐个激活添加尺寸和注释等。当然，为了施工读图理解方面，我们一般也将三维模型拖入图框，同平剖面一起成图。


３检查工作
由于三维模型如搭积木般逐步被建立完善，因此在出图之前可进行方便的自校，打开所有专业的工作集，让电气设备（桥架、电器柜、引出线等）、通风设备（风机、通风管等）等全部显示出来，在三维视图下直观系统性地检查各处水机设备或管路是否与其他专业的设备发生碰撞冲突等，尽早发现问题即时进行协调或调整，避免设计出现一些很容易避免的小错误。同时，三维设计图纸的直观易读性使得设计错误大大降低，从而使得校核工作也相对变得容易，校审人员亦可直接在电脑模型中参看其他专业的布置来进行本专业图纸的检查，而无须在核对过程中时时刻刻都将水工结构及通风、电气的布置牢记于心。


４结语
三维协同设计解决的是立体的、整体的问题，其数据模型可以在虚拟的空间形象地表达出复杂的不规则图形或结构，大大拓展了设计领域的广度和难度；与二维绘图方式比，熟练运用后可大量减轻简单机械重复劳动强度，减少设计团队的各类错误及后续施工建造的错误、提高工作效率及图纸质量，节约人力、物力和财力成本。尤其在设计复杂度高的大项目中，其优势更为明显。同时，其带有的属性信息，也大大方便了以后的检修和维护工作。相对于传统的二维设计而言，三维设计不仅仅是设计手段的改进，对整个设计质量控制的各个环节都是质的变革，有利于设计者快速完善设计方案。但由于软件自带的族库有限，因此后续仍需大量的工作来完善族库；对于复杂度较高的工程，对管路的批量复制和阵列也存在一些小问题；如何完全按设计者的要求来统计固定范围或系统内的管材也存在一定难度，没有二维统计时的人为的随意性等诸多细节问题都需要我们在以后的设计工作中进一步的研究和完善。