1 概述

　　水電站工程自然條件復(fù)雜，設(shè)計(jì)和建造周期較長(zhǎng);參與設(shè)計(jì)的專業(yè)眾多，工程設(shè)計(jì)管理復(fù)雜。盡管傳統(tǒng)二維CAD軟件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，由于專業(yè)之間設(shè)計(jì)周期的不同，設(shè)計(jì)人員之間沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，經(jīng)常出現(xiàn)不協(xié)調(diào)、不能發(fā)現(xiàn)和有效解決設(shè)計(jì)間的錯(cuò)、漏、碰等問(wèn)題;一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)變更，反饋時(shí)間長(zhǎng)，影響了工程的設(shè)計(jì)進(jìn)程和設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量。基于VPM系統(tǒng)平臺(tái)，各專業(yè)設(shè)計(jì)人員能夠在基于網(wǎng)絡(luò)化和信息共享的平臺(tái)上進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，有效解決傳統(tǒng)二維CAD軟件功能的缺陷。

　　2廠房三維設(shè)計(jì)

　　2.1 骨架設(shè)計(jì)

　　骨架由控制性的點(diǎn)、線、面構(gòu)成。它必須是控制性的，它的作用在于支撐整個(gè)模型，是模型設(shè)計(jì)的脊梁支柱。建筑物、構(gòu)筑物、機(jī)電設(shè)備均要直接或間接依賴于它，它的更改會(huì)聯(lián)動(dòng)其他構(gòu)件的更改。在軟件環(huán)境中設(shè)定了一些規(guī)定，如：在裝配環(huán)境中骨架模型發(fā)布后，下一級(jí)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(yè)骨架及更細(xì)的構(gòu)件骨架。骨架采取多級(jí)別的組織型式，總體控制骨架由高層統(tǒng)一發(fā)布，總體骨架發(fā)布到各專業(yè)后，各專業(yè)通過(guò)引用總體骨架，建立自己本專業(yè)的控制骨架，在專業(yè)骨架的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化構(gòu)件的骨架。

　　骨架建模的核心是要理順模型之間的從屬關(guān)系，不但要使骨架能夠有效驅(qū)動(dòng)模型，同時(shí)要使骨架盡量簡(jiǎn)單明了，這是平面設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)的一個(gè)重要區(qū)別。在平面設(shè)計(jì)里，只有結(jié)構(gòu)本身這一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，而在三維設(shè)計(jì)里，還有一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題，那就是三維模型都是非常龐大的，同時(shí)設(shè)計(jì)也是多專業(yè)并行的。采用分散式的自下而上的建模方法，各專業(yè)不能實(shí)時(shí)直觀地獲得相關(guān)的數(shù)據(jù)與信息，各專業(yè)之間數(shù)據(jù)交換頻繁，設(shè)計(jì)效率較低。在大的環(huán)境下裝配各專業(yè)的模型需要耗費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)研讀其他專業(yè)的模型組織結(jié)構(gòu)，甚至要做些必要的修改工作，關(guān)聯(lián)性很容易在其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)打斷。

　　正因?yàn)槿S模型是如此龐大的一個(gè)系統(tǒng)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(diǎn)，同時(shí)又不失靈活性，通過(guò)骨架可劃分設(shè)計(jì)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)。

　　機(jī)電設(shè)計(jì)人員根據(jù)規(guī)劃專業(yè)提供的水電站自然條件和裝機(jī)容量來(lái)確定裝機(jī)型號(hào)、單機(jī)容量、裝機(jī)臺(tái)數(shù)等基本參數(shù)給廠房專業(yè)設(shè)計(jì)人員。廠房設(shè)計(jì)之前，先將廠房結(jié)構(gòu)按概念設(shè)計(jì)的要求規(guī)劃出廠房的骨架，主要包含結(jié)構(gòu)分層、中心線的規(guī)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(guī)劃，關(guān)聯(lián)引用骨架各層完成廠房的設(shè)計(jì)。

　　廠房專業(yè)管理員根據(jù)該EXCEL表格在VPM環(huán)境里建立起整體模型結(jié)構(gòu)樹(shù)，將廠房的建筑物各個(gè)部位的設(shè)計(jì)任務(wù)分配給各個(gè)設(shè)計(jì)人員，不同的設(shè)計(jì)人員擁有不同的權(quán)限，可以查看、修改、復(fù)制或粘貼等的操作。管理員同時(shí)也建立起骨架模型，它包括廠房頂拱面、吊車梁頂面、發(fā)電機(jī)層面、電氣夾層面、水輪機(jī)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(jī)組的縱軸線以及縱軸線上的機(jī)組中心點(diǎn)，這些點(diǎn)線面均由參數(shù)來(lái)控制，然后參數(shù)再用EXCEL表來(lái)統(tǒng)一管理，再將這些參數(shù)發(fā)布出來(lái)，以備后面廠房中各個(gè)部位建模時(shí)引用為控制性的數(shù)據(jù)，如圖l所示。

　　圖1 參數(shù)驅(qū)動(dòng)骨架

　　2.2參數(shù)化與關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

　　參數(shù)化、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是CATIA的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一，采用這一技術(shù)可以使設(shè)計(jì)參數(shù)的更改或在可控范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式變更變得異常容易，參數(shù)的調(diào)整可帶來(lái)全局性的結(jié)構(gòu)變化，基于設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式的后續(xù)工作均無(wú)需重復(fù)勞動(dòng)，可大大提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)更改過(guò)程中的設(shè)計(jì)失誤。充分發(fā)揮CATIA參數(shù)化、關(guān)聯(lián)性的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)專業(yè)技術(shù)知識(shí)的收集，總結(jié)設(shè)計(jì)流程，分解結(jié)構(gòu)組成，列舉結(jié)構(gòu)型式，歸納設(shè)計(jì)參數(shù)，使標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)化，非標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)盡量標(biāo)準(zhǔn)化，不能標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，定制面向操作的動(dòng)作模板。

　　參數(shù)化、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的核心在于設(shè)計(jì)好控制結(jié)構(gòu)變形的參數(shù)，這基于對(duì)工程的深刻理解和對(duì)CATIA軟件的熟練應(yīng)用，邏輯合理、控制得當(dāng)?shù)膮?shù)是保證模型協(xié)調(diào)快速變形的基礎(chǔ)，如圖2所示。

　　圖2 參數(shù)化廠房模型

　　若在大骨架中有方案變動(dòng)，如：主機(jī)間、安裝問(wèn)長(zhǎng)寬高，機(jī)組臺(tái)數(shù)、間距。只需在骨架中調(diào)整上述參數(shù)，并同步更新即能完成模型相似性結(jié)構(gòu)修改，如圖3所示。

　　圖3 廠房模型變化

　　3機(jī)電設(shè)備與管路系統(tǒng)

　　機(jī)電設(shè)備與管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為二維概念設(shè)計(jì)、三維概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)過(guò)程。機(jī)電設(shè)備三維設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

　　圖4 三維設(shè)計(jì)流程

　　3.1二維概念設(shè)計(jì)

　　二維概念設(shè)計(jì)即系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)，基于功能/原理而非三維實(shí)物零件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。用戶預(yù)先將二維符號(hào)與三維零件相關(guān)聯(lián)，運(yùn)用原理圖可以驅(qū)動(dòng)圖中的三維設(shè)備放置，自動(dòng)或手動(dòng)排放管系路徑、定位布置各類閥件和附件，定向調(diào)整、檢測(cè)管系的流向等，見(jiàn)圖5。

　　圖5 二維系統(tǒng)原理圖

　　3.2三維概念設(shè)計(jì)

　　三維概念設(shè)計(jì)即設(shè)備布置及管路空間走向布置。根據(jù)二維原理圖及“Rule”驅(qū)動(dòng)三維設(shè)備布置，通過(guò)“RUN”完成管路三維幾何空間走向布置，可以通過(guò)拖拽的方式精確調(diào)整設(shè)備位置，在調(diào)整過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)管系設(shè)備之間的碰撞干涉情況，見(jiàn)圖6。

　　圖6 設(shè)備及管線布置

　　3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　在詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，管系、風(fēng)管、電氣設(shè)計(jì)人員可分別在自己的“路徑”上，根據(jù)預(yù)定義的Design Rule、Standard、Specification直接定位放置或調(diào)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(fēng)“路徑”上的各類風(fēng)機(jī)、調(diào)風(fēng)門(mén)、風(fēng)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(fēng)管與電纜系統(tǒng)是否有因設(shè)計(jì)人員的疏忽而遺漏個(gè)別閥件、附件等。

　　4機(jī)電與廠房協(xié)同設(shè)計(jì)

　　4.1 VPM平臺(tái)

　　VPM是達(dá)索系統(tǒng)(Dassault Syst宅mes)公司一個(gè)協(xié)同技術(shù)平臺(tái)。VPM(Virtual Product Lifecycle Manage.ment)意為虛擬產(chǎn)品生命周期管理。VPM是達(dá)索系統(tǒng)公司基于CATIA平臺(tái)上的一個(gè)既能滿足協(xié)同設(shè)計(jì)又能滿足虛擬產(chǎn)品生命周期管理的解決方案。基于VPM的協(xié)同設(shè)計(jì)可以提高設(shè)計(jì)效率，保護(hù)企業(yè)知識(shí)，加快企業(yè)創(chuàng)新速度，提高企業(yè)創(chuàng)新能力。VPM是以CATIA為基礎(chǔ)，以設(shè)計(jì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)、過(guò)程進(jìn)行一體化集成管理的技術(shù)。VPM的核心技術(shù)在于，能夠使所有相關(guān)參與項(xiàng)目產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的人在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中自由瀏覽或共享與產(chǎn)品相關(guān)的同構(gòu)或異構(gòu)數(shù)據(jù)。VPM系統(tǒng)是為實(shí)施基于CATIA的在線設(shè)計(jì)而搭建的協(xié)同平臺(tái)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)統(tǒng)一存放在服務(wù)器中的結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)的分解與分配、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)協(xié)同和歸檔、設(shè)計(jì)模板的管理與共享。三維可視化設(shè)計(jì)具有可視的特點(diǎn)，可以大大提高平面設(shè)計(jì)的效率，改善設(shè)計(jì)質(zhì)量;三維可視化設(shè)計(jì)具有關(guān)聯(lián)性、參數(shù)化的特點(diǎn)，可以大大減少重復(fù)勞動(dòng)強(qiáng)度，逐步進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)積累，作為開(kāi)展知識(shí)工程，創(chuàng)建學(xué)習(xí)型組織的信息平臺(tái);三維設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)協(xié)同、在線設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以提高協(xié)同工作的效率，很好的保證數(shù)據(jù)一致性和實(shí)時(shí)更新，縮短設(shè)計(jì)周期，便于歸檔和即時(shí)地解決問(wèn)題，VPM平臺(tái)如圖7所示。

　　圖7 VPM平臺(tái)

　　4.2機(jī)電VPM環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　機(jī)電專業(yè)節(jié)點(diǎn)建立在需要參考或引用的廠房建筑節(jié)點(diǎn)下，與建筑骨架同級(jí)。該節(jié)點(diǎn)由廠房專業(yè)設(shè)計(jì)人員建立，并將所有權(quán)轉(zhuǎn)移到機(jī)電專業(yè)設(shè)計(jì)人員。下面以廠房專業(yè)與水機(jī)專業(yè)數(shù)據(jù)為例，說(shuō)明廠房與機(jī)電專業(yè)的數(shù)據(jù)關(guān)系，如圖8所示。

　　圖8 第一副廠房機(jī)電數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　機(jī)電專業(yè)節(jié)點(diǎn)可以按以下兩種結(jié)構(gòu)類型保存數(shù)據(jù)到ENOVIA。(1)結(jié)構(gòu)炸開(kāi)節(jié)點(diǎn)。Explode(與水工模型關(guān)系：引用)以呈示結(jié)構(gòu)方式保存，在VPM Navigator結(jié)構(gòu)樹(shù)下能看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能與外部元素關(guān)聯(lián)，此節(jié)點(diǎn)活動(dòng)狀態(tài)下，部分機(jī)電專業(yè)模塊不可用(如設(shè)備布置模塊、管路設(shè)計(jì)模塊等)。此節(jié)點(diǎn)用于非系統(tǒng)設(shè)備安裝。(2)工作包節(jié)點(diǎn)。work Package(與水工模型關(guān)系：參考)以呈示發(fā)布方式保存，在VPM Navigator結(jié)構(gòu)樹(shù)下能看不到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不能與外部元素關(guān)聯(lián)，此節(jié)點(diǎn)活動(dòng)狀態(tài)下，機(jī)電專業(yè)模塊可用。此節(jié)點(diǎn)用于設(shè)備與管路系統(tǒng)布置，如圖9所示。

　　圖9 機(jī)電專業(yè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　　4.3機(jī)電與廠房協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)例

　　4.3.1 機(jī)電引用廠房建筑骨架

　　機(jī)電專業(yè)在Explode節(jié)點(diǎn)下插入模型，通過(guò)裝配設(shè)計(jì)模塊下的約束按鈕，使廠房骨架與水機(jī)模型產(chǎn)生約束關(guān)系，廠房建筑骨架修改后，機(jī)電模型會(huì)根據(jù)骨架的調(diào)整更新模型位置，一般用于未定義機(jī)電類型設(shè)備的裝配，如吊車、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備，如圖l0所示。

　　圖10 水輪發(fā)電機(jī)組引用廠房骨架裝配

　　4.3.2廠房專業(yè)引用機(jī)電專業(yè)開(kāi)孔符號(hào)

　　由機(jī)電專業(yè)將各種樣式的開(kāi)孔符號(hào)添加到機(jī)電庫(kù)，作為套管輸出結(jié)果的一部分，與套管模型同時(shí)調(diào)出。廠房專業(yè)可通過(guò)DMU空間分析模塊分析管道穿過(guò)建筑體位置，引用該位置開(kāi)孔輪廓，為建筑物開(kāi)孔。

　　4.3.3機(jī)電專業(yè)參考建筑物定位

　　機(jī)電設(shè)備可以直接安放在建筑物平面上，并可以通過(guò)“Offset Plane”(偏移)功能，將水工建筑物實(shí)體平面作為參考平面，使用拖拽方式快速定位設(shè)備與管路。設(shè)計(jì)人員也可以使用“更改當(dāng)前坐標(biāo)”功能，將水工建筑各坐標(biāo)系設(shè)定為當(dāng)前坐標(biāo)，參考該坐標(biāo)系為設(shè)備與管路定位布置。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　基于VPM平臺(tái)，應(yīng)用CATIA軟件廠房機(jī)電三維協(xié)同設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)軟件比較具有很多優(yōu)勢(shì)，它使設(shè)計(jì)變得直觀，所見(jiàn)即所得的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使溝通變得容易和確定。它可以避免二維平面思維中出現(xiàn)的盲區(qū)，最大限度地減少疏漏。通過(guò)關(guān)聯(lián)，可以使得上游結(jié)構(gòu)的變更在第一時(shí)間與下游專業(yè)、下游產(chǎn)品同步，一致性自然保持，大大節(jié)省校核時(shí)間。三維模型使設(shè)計(jì)變更變得輕松，參數(shù)化的設(shè)計(jì)，使模型基本由參數(shù)控制，參數(shù)的修改即可導(dǎo)致模型的更新，提高設(shè)計(jì)工作效率。