淺談三維數(shù)字化技術(shù)在水電設(shè)計(jì)企業(yè)中的應(yīng)用

張 燕，鐘 聲，邵敬東

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

中國(guó)電建集團(tuán)成都院于2004年左右開(kāi)始探索研究三維數(shù)字化設(shè)計(jì)及工程全生命周期管理技術(shù)，并于2008年開(kāi)始應(yīng)用于錦屏一級(jí)、大崗山、溪洛渡拱壩設(shè)計(jì)，利用三維數(shù)字化技術(shù)，輔助解決了拱壩壩肩穩(wěn)定分析、高拱壩復(fù)雜地基基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)、壩身復(fù)雜孔口群設(shè)計(jì)、地下洞室塊體穩(wěn)定性分析等一系列重大技術(shù)難題。但是此后，數(shù)字化設(shè)計(jì)在水電方面的系統(tǒng)應(yīng)用成果較少，究其原因可能是多方面的，但其根本原因是沒(méi)有清晰地從設(shè)計(jì)的角度找到三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的價(jià)值，從而缺乏發(fā)展動(dòng)力。本文從三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)勘測(cè)設(shè)計(jì)的價(jià)值出發(fā)，探尋三維數(shù)字化設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。

1 建筑行業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design）技術(shù)誕生于1946年的麻省理工學(xué)院，初期僅應(yīng)用于航天、自動(dòng)化、生物等高科技領(lǐng)域，上世紀(jì)80年代以后CAD開(kāi)始在機(jī)械、建筑等應(yīng)用領(lǐng)域普及。由于CAD技術(shù)的引入，設(shè)計(jì)人員從此扔掉了圖板，擺脫了描圖，整個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量得到了飛躍發(fā)展。但是，這些CAD應(yīng)用基本都是二維的，對(duì)設(shè)計(jì)企業(yè)和設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)由圖板到二維CAD的轉(zhuǎn)變僅僅是切換了畫(huà)板而已，設(shè)計(jì)工作量、工作流程以及企業(yè)管理并沒(méi)有太多改變，二維CAD更多地是發(fā)揮了計(jì)算機(jī)輔助繪圖的作用。因此，二維CAD的推廣非常順利。

計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)“三維CAD”）最早能夠追溯到1962年馬塞諸塞州科技學(xué)院的“基本圖”，其原理是利用光筆交互地處理、顯示二維和三維線(xiàn)框物體。三維技術(shù)誕生后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)僅被應(yīng)用于航天領(lǐng)域，后來(lái)在機(jī)械設(shè)計(jì)和影視行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。建筑行業(yè)于上世紀(jì)90年代左右引入三維CAD設(shè)計(jì)理念，但由于三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)理念、工作流程、生產(chǎn)管理方式上都與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)有著很大的不同，導(dǎo)致三維CAD輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展相比二維CAD輔助設(shè)計(jì)慢很多。

作為傳統(tǒng)行業(yè)的建筑業(yè)，目前的數(shù)字化、信息化水平仍相對(duì)不高，從2019年中國(guó)施工企業(yè)管理協(xié)會(huì)第五屆工程建設(shè)行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)公布的信息來(lái)看（如圖1所示），建筑業(yè)的數(shù)字化、信息化目前還處于起步期。

圖1 建筑行業(yè)信息化發(fā)展水平

2 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)困境及發(fā)展方向

2.1 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)困境

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)雖然具有直觀(guān)可視，能提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高某些標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率的優(yōu)勢(shì)，但是由于受制于其對(duì)設(shè)計(jì)流程、管理制度的沖擊，以及其所需資源投入大的影響，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在公司推廣尤為艱難。

一方面，設(shè)計(jì)企業(yè)過(guò)多地注重三維數(shù)字化的工具屬性，忽略了設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新、管理變革和對(duì)內(nèi)部?jī)r(jià)值的挖掘，從而導(dǎo)致三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的內(nèi)生動(dòng)力不足。在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)推進(jìn)的過(guò)程中，我們關(guān)注的重心始終停留在如何利用三維數(shù)字化技術(shù)解決出圖、算工程量、渲染等問(wèn)題，對(duì)三維技術(shù)的應(yīng)用僅停留在設(shè)計(jì)工具的層面，只能算是“三維繪圖”，與真正的“三維設(shè)計(jì)”和“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”尚存在差距。若把三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)僅作為工具，對(duì)企業(yè)而言，時(shí)間、人力和資金的大幅投入，得到的卻只是和傳統(tǒng)二維CAD相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品，產(chǎn)品精度和質(zhì)量的提高遠(yuǎn)不能為三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的發(fā)展提供足夠的動(dòng)力。

另一方面，近年來(lái)，盡管三維數(shù)字化與BIM的碰撞開(kāi)啟了整個(gè)水電行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化、信息化發(fā)展的新篇章，使得三維數(shù)字化設(shè)計(jì)再次受到人們的關(guān)注，但三維數(shù)字化設(shè)計(jì)主要作用是為BIM提供的模型載體，因此，其發(fā)展取決于行業(yè)BIM應(yīng)用發(fā)展水平。對(duì)整個(gè)行業(yè)而言，BIM的價(jià)值更多地發(fā)揮在建設(shè)期和運(yùn)維期，目前仍缺乏有效的信息手段去打通設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維三個(gè)階段的信息孤島，進(jìn)而將有效信息縱向、橫向連接起來(lái)開(kāi)展智慧應(yīng)用。因此，水電行業(yè)的BIM應(yīng)用主要還是集中在各自獨(dú)立的領(lǐng)域，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)僅發(fā)揮了協(xié)同設(shè)計(jì)的作用，并沒(méi)有延伸到施工和建設(shè)管理領(lǐng)域；建設(shè)階段的數(shù)據(jù)也未能形成有效信息向運(yùn)維階段傳遞，為后期系統(tǒng)、設(shè)備良好運(yùn)行奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。三維數(shù)字化與BIM之間的“最后一公里”仍未打通，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)發(fā)展的外部驅(qū)動(dòng)力略顯不足。

2.2 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)未來(lái)發(fā)展

2.2.1 與設(shè)計(jì)理論融合，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)度

設(shè)計(jì)企業(yè)的優(yōu)勢(shì)是掌握設(shè)計(jì)技術(shù)，將三維數(shù)字化技術(shù)與工程設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新升級(jí)融合，從設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新的角度來(lái)重新審視三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的價(jià)值，走數(shù)字化設(shè)計(jì)向智能設(shè)計(jì)發(fā)展之路，提升企業(yè)技術(shù)實(shí)力。

以公司研發(fā)的岔管一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)為例，它將公司在岔管設(shè)計(jì)領(lǐng)域積累的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、方法、流程與三維數(shù)字化技術(shù)相融合（如圖2所示），研究形成了一套鋼岔管參數(shù)化智能控制設(shè)計(jì)方法，使公司鋼岔管設(shè)計(jì)技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖2 設(shè)計(jì)、分析、制圖、成果整理集成解決方案

2.2.2 積累企業(yè)知識(shí)，構(gòu)建數(shù)據(jù)資產(chǎn)

幾十年來(lái)，公司在大渡河流域、雅礱江流域、金沙江流域和雅魯藏布江流域開(kāi)展了大量的地質(zhì)勘探工作，獲得了許多寶貴的一手資料。另外，公司在承擔(dān)的二灘、沙牌、溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山、瀑布溝、長(zhǎng)河壩、藏木等一系列工程設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中積累了大量的工程數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是公司的隱形財(cái)富，我們可以利用三維數(shù)字化技術(shù)將這些地勘記錄、鉆孔資料、工程圖紙、報(bào)告等轉(zhuǎn)化為數(shù)字資產(chǎn)，讓其成為公司永久的財(cái)富。

2.2.3 服務(wù)于總承包，助力公司轉(zhuǎn)型

隨著公司深化改革，國(guó)內(nèi)外工程總承包業(yè)務(wù)已成為公司重要的業(yè)務(wù)板塊。EPC項(xiàng)目在企業(yè)組織內(nèi)部可以形成設(shè)計(jì)、施工集成的環(huán)境，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)可以此為契機(jī)，通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)將問(wèn)題前置，避免工程返工；通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省項(xiàng)目投資；通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)與工程管理的深度融合實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工的良性循環(huán)，縮短建設(shè)周期，切實(shí)為公司創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.4 與BIM融合，建設(shè)工程智慧服務(wù)能力

隨著國(guó)家大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略等實(shí)施，建筑行業(yè)數(shù)字化、信息化必將迎來(lái)高速發(fā)展，建筑技術(shù)與“兩化”的融合將會(huì)成為行業(yè)發(fā)展的新常態(tài)。公司可以利用三維數(shù)字化技術(shù)與BIM相融合等契機(jī)，打造以設(shè)計(jì)技術(shù)、工程數(shù)據(jù)、知識(shí)資源為基礎(chǔ)，以專(zhuān)家分析系統(tǒng)為核心的工程智慧服務(wù)能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

技術(shù)革新是建筑行業(yè)企業(yè)發(fā)展的最主要驅(qū)動(dòng)因素，作為設(shè)計(jì)企業(yè)，我們需要多角度利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值，將技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力、轉(zhuǎn)化為資產(chǎn)，轉(zhuǎn)化為企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展突破口，并從中尋找三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的發(fā)展的動(dòng)力。