1 概述

　　水電站工程自然條件復雜，設計和建造周期較長;參與設計的專業眾多，工程設計管理復雜。盡管傳統二維CAD軟件已經得到廣泛應用，由于專業之間設計周期的不同，設計人員之間沒有統一的設計平臺，經常出現不協調、不能發現和有效解決設計間的錯、漏、碰等問題;一個環節出現變更，反饋時間長，影響了工程的設計進程和設計產品質量。基于VPM系統平臺，各專業設計人員能夠在基于網絡化和信息共享的平臺上進行三維協同設計，有效解決傳統二維CAD軟件功能的缺陷。

　　2廠房三維設計

　　2.1 骨架設計

　　骨架由控制性的點、線、面構成。它必須是控制性的，它的作用在于支撐整個模型，是模型設計的脊梁支柱。建筑物、構筑物、機電設備均要直接或間接依賴于它，它的更改會聯動其他構件的更改。在軟件環境中設定了一些規定，如：在裝配環境中骨架模型發布后，下一級的零件才能引用。骨架從功能上分為定位骨架和定型骨架;從層次上分為總體骨架、專業骨架及更細的構件骨架。骨架采取多級別的組織型式，總體控制骨架由高層統一發布，總體骨架發布到各專業后，各專業通過引用總體骨架，建立自己本專業的控制骨架，在專業骨架的基礎上，進一步細化構件的骨架。

　　骨架建模的核心是要理順模型之間的從屬關系，不但要使骨架能夠有效驅動模型，同時要使骨架盡量簡單明了，這是平面設計與三維設計的一個重要區別。在平面設計里，只有結構本身這一個技術問題，而在三維設計里，還有一個重要的技術問題，那就是三維模型都是非常龐大的，同時設計也是多專業并行的。采用分散式的自下而上的建模方法，各專業不能實時直觀地獲得相關的數據與信息，各專業之間數據交換頻繁，設計效率較低。在大的環境下裝配各專業的模型需要耗費大量的時間來研讀其他專業的模型組織結構，甚至要做些必要的修改工作，關聯性很容易在其中任何一個環節打斷。

　　正因為三維模型是如此龐大的一個系統工程，遵循自上而下建模精神的骨架建模是模型的有效組織型式，它可以避免分散式的自下而上的建模方式的主要缺點，同時又不失靈活性，通過骨架可劃分設計權限，實現并行設計、協同設計。

　　機電設計人員根據規劃專業提供的水電站自然條件和裝機容量來確定裝機型號、單機容量、裝機臺數等基本參數給廠房專業設計人員。廠房設計之前，先將廠房結構按概念設計的要求規劃出廠房的骨架，主要包含結構分層、中心線的規劃，因此在骨架中包含廠房的分層面及縱橫方向中心線，依賴于骨架的規劃，關聯引用骨架各層完成廠房的設計。

　　廠房專業管理員根據該EXCEL表格在VPM環境里建立起整體模型結構樹，將廠房的建筑物各個部位的設計任務分配給各個設計人員，不同的設計人員擁有不同的權限，可以查看、修改、復制或粘貼等的操作。管理員同時也建立起骨架模型，它包括廠房頂拱面、吊車梁頂面、發電機層面、電氣夾層面、水輪機層面、安裝高程面、尾水操作廊道層面、尾水管底板面、廠房上下游墻面主廠房左右段墻面等平面，還有基于安裝高程面上機組的縱軸線以及縱軸線上的機組中心點，這些點線面均由參數來控制，然后參數再用EXCEL表來統一管理，再將這些參數發布出來，以備后面廠房中各個部位建模時引用為控制性的數據，如圖l所示。

　　圖1 參數驅動骨架

　　2.2參數化與關聯設計

　　參數化、關聯設計是CATIA的主要技術優勢之一，采用這一技術可以使設計參數的更改或在可控范圍內的設計結構型式變更變得異常容易，參數的調整可帶來全局性的結構變化，基于設計參數和設計結構型式的后續工作均無需重復勞動，可大大提高設計效率，減少設計更改過程中的設計失誤。充分發揮CATIA參數化、關聯性的優勢。通過對專業技術知識的收集，總結設計流程，分解結構組成，列舉結構型式，歸納設計參數，使標準的結構參數化，非標準的結構盡量標準化，不能標準化的結構，定制面向操作的動作模板。

　　參數化、關聯設計的核心在于設計好控制結構變形的參數，這基于對工程的深刻理解和對CATIA軟件的熟練應用，邏輯合理、控制得當的參數是保證模型協調快速變形的基礎，如圖2所示。

　　圖2 參數化廠房模型

　　若在大骨架中有方案變動，如：主機間、安裝問長寬高，機組臺數、間距。只需在骨架中調整上述參數，并同步更新即能完成模型相似性結構修改，如圖3所示。

　　圖3 廠房模型變化

　　3機電設備與管路系統

　　機電設備與管路系統設計可分為二維概念設計、三維概念設計、詳細設計三個過程。機電設備三維設計流程如圖4所示。

　　圖4 三維設計流程

　　3.1二維概念設計

　　二維概念設計即系統原理圖設計，基于功能/原理而非三維實物零件進行系統設計。用戶預先將二維符號與三維零件相關聯，運用原理圖可以驅動圖中的三維設備放置，自動或手動排放管系路徑、定位布置各類閥件和附件，定向調整、檢測管系的流向等，見圖5。

　　圖5 二維系統原理圖

　　3.2三維概念設計

　　三維概念設計即設備布置及管路空間走向布置。根據二維原理圖及“Rule”驅動三維設備布置，通過“RUN”完成管路三維幾何空間走向布置，可以通過拖拽的方式精確調整設備位置，在調整過程中實時檢測管系設備之間的碰撞干涉情況，見圖6。

　　圖6 設備及管線布置

　　3.3詳細設計

　　在詳細設計過程中，管系、風管、電氣設計人員可分別在自己的“路徑”上，根據預定義的Design Rule、Standard、Specification直接定位放置或調整各類部件。例如：管系“路徑”上的各類閥件、附件、儀表、管子支架等;通風“路徑”上的各類風機、調風門、風管吊架等;電氣“路徑”上的各類附件、電纜托架等;檢查在三維空間中布置的管系、風管與電纜系統是否有因設計人員的疏忽而遺漏個別閥件、附件等。

　　4機電與廠房協同設計

　　4.1 VPM平臺

　　VPM是達索系統(Dassault Syst宅mes)公司一個協同技術平臺。VPM(Virtual Product Lifecycle Manage.ment)意為虛擬產品生命周期管理。VPM是達索系統公司基于CATIA平臺上的一個既能滿足協同設計又能滿足虛擬產品生命周期管理的解決方案。基于VPM的協同設計可以提高設計效率，保護企業知識，加快企業創新速度，提高企業創新能力。VPM是以CATIA為基礎，以設計產生的數據為核心，實現對產品相關的數據、過程進行一體化集成管理的技術。VPM的核心技術在于，能夠使所有相關參與項目產品開發的人在整個產品生命周期中自由瀏覽或共享與產品相關的同構或異構數據。VPM系統是為實施基于CATIA的在線設計而搭建的協同平臺，系統通過對統一存放在服務器中的結構化的數據，進行設計任務的分解與分配、設計數據的動態協同和歸檔、設計模板的管理與共享。三維可視化設計具有可視的特點，可以大大提高平面設計的效率，改善設計質量;三維可視化設計具有關聯性、參數化的特點，可以大大減少重復勞動強度，逐步進行數據挖掘和知識積累，作為開展知識工程，創建學習型組織的信息平臺;三維設計具有實時協同、在線設計的特點，可以提高協同工作的效率，很好的保證數據一致性和實時更新，縮短設計周期，便于歸檔和即時地解決問題，VPM平臺如圖7所示。

　　圖7 VPM平臺

　　4.2機電VPM環境數據結構

　　機電專業節點建立在需要參考或引用的廠房建筑節點下，與建筑骨架同級。該節點由廠房專業設計人員建立，并將所有權轉移到機電專業設計人員。下面以廠房專業與水機專業數據為例，說明廠房與機電專業的數據關系，如圖8所示。

　　圖8 第一副廠房機電數據結構

　　機電專業節點可以按以下兩種結構類型保存數據到ENOVIA。(1)結構炸開節點。Explode(與水工模型關系：引用)以呈示結構方式保存，在VPM Navigator結構樹下能看到內部結構，能與外部元素關聯，此節點活動狀態下，部分機電專業模塊不可用(如設備布置模塊、管路設計模塊等)。此節點用于非系統設備安裝。(2)工作包節點。work Package(與水工模型關系：參考)以呈示發布方式保存，在VPM Navigator結構樹下能看不到內部結構，不能與外部元素關聯，此節點活動狀態下，機電專業模塊可用。此節點用于設備與管路系統布置，如圖9所示。

　　圖9 機電專業節點結構

　　4.3機電與廠房協同設計實例

　　4.3.1 機電引用廠房建筑骨架

　　機電專業在Explode節點下插入模型，通過裝配設計模塊下的約束按鈕，使廠房骨架與水機模型產生約束關系，廠房建筑骨架修改后，機電模型會根據骨架的調整更新模型位置，一般用于未定義機電類型設備的裝配，如吊車、水輪機、發電機等設備，如圖l0所示。

　　圖10 水輪發電機組引用廠房骨架裝配

　　4.3.2廠房專業引用機電專業開孔符號

　　由機電專業將各種樣式的開孔符號添加到機電庫，作為套管輸出結果的一部分，與套管模型同時調出。廠房專業可通過DMU空間分析模塊分析管道穿過建筑體位置，引用該位置開孔輪廓，為建筑物開孔。

　　4.3.3機電專業參考建筑物定位

　　機電設備可以直接安放在建筑物平面上，并可以通過“Offset Plane”(偏移)功能，將水工建筑物實體平面作為參考平面，使用拖拽方式快速定位設備與管路。設計人員也可以使用“更改當前坐標”功能，將水工建筑各坐標系設定為當前坐標，參考該坐標系為設備與管路定位布置。

　　5結語

　　基于VPM平臺，應用CATIA軟件廠房機電三維協同設計和傳統軟件比較具有很多優勢，它使設計變得直觀，所見即所得的數據結構使溝通變得容易和確定。它可以避免二維平面思維中出現的盲區，最大限度地減少疏漏。通過關聯，可以使得上游結構的變更在第一時間與下游專業、下游產品同步，一致性自然保持，大大節省校核時間。三維模型使設計變更變得輕松，參數化的設計，使模型基本由參數控制，參數的修改即可導致模型的更新，提高設計工作效率。