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基于3DE平台抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计研究

2024-09-12 24 上传者：管理员

摘要：目前抽水蓄能电站正值井喷式增长与快速推进阶段，地下厂房作为抽水蓄能电站的重要组成部分，设计过程涉及规划、地质、机电等多专业协同配合，设计方案多、周期短、任务重，亟需一套高效率地下厂房设计体系。基于3DE数字化平台，严格遵循地下厂房正向设计思路开展抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计研究，通过将上下游专业提资、方案设计和工程量统计流程参数化，简化专业间配合内容、提高设计效率、确保设计质量。以某抽水蓄能电站为例，运用该体系进行地下厂房设计，参数驱动模型自动生成并以表格形式输出工程量。研究结果表明：该体系能够大幅提升设计效率，设计精度满足预可、可研阶段要求。

关键词：
3DE平台
参数化设计
可再生能源
地下厂房
抽水蓄能电站
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为应对全球气候变化和能源转型，大力发展可再生能源已经成为当前能源建设领域的重大战略方向和必然趋势。在此形势下，中国明确提出“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”目标，因此，加快建设新型电力系统、构建现代能源体系刻不容缓。抽水蓄能是目前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的绿色低碳清洁能源，加快发展抽水蓄能，是构建新型电力系统的迫切要求，是保障电力系统安全稳定运行的重要支撑，是大规模发展可再生能源的重要保障[1]。这意味着抽水蓄能即将开启飞速发展的新阶段，与此同时，抽水蓄能电站设计工作也将面临前所未有的关注和压力。推动设计流程标准化，促进设计过程参数化，实现设计经验信息化，成为当前抽水蓄能电站设计工作中重点应当研究与实现的目标。

地下厂房作为抽水蓄能电站厂房最常采用的型式，在预可研、可研阶段需完成枢纽布置设计、主要建筑物结构尺寸确定以及工程量计算等多项任务，存在设计任务重、设计方法多、专业交叉多、设计流程不规范、设计过程中数据量巨大、参数关系繁杂、设计人员主观性强、设计经验信息化程度低、错误率和返工率高等问题，给设计人员造成较大的困扰。因此，在设计过程中应规范抽水蓄能电站地下厂房设计流程，简化土建与规划、地质、机电[2]等上游专业协同环节；研究参数驱动设计过程，实现地下厂房正向参数化设计体系，快速计算并提取各建筑物工程量给造价、施工等下游专业；学习并总结规范和工程经验，指导抽水蓄能电站地下厂房智能化设计，对提高地下厂房设计效率、规范地下厂房设计流程至关重要。结合当前政策形势和市场需求，基于3DE平台开展抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计研究。

1、抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计体系建立

1.1 地下厂房设计思路

预可研、可研阶段地下厂房设计目标主要为明确厂区枢纽建筑物布置、确定主要建筑物结构尺寸，并计算工程量。从地下洞室群结构组成来看，抽水蓄能电站与常规电站基本相同，主要分为主副厂房、主变室、尾闸室等主洞室及母线洞、尾水支洞、排水廊道及进厂交通洞、进(排)风洞、出线洞等附属洞室。地下厂房设计首先应明确主体洞室平面位置，并遵循“由宏观到具体、由简单到复杂、由框架到细部”的原则，分为平面设计和立面设计两部分。其中，平面设计主要确定各洞室平面尺寸、洞室间距及附属洞室出口；立面设计主要确定洞室各层结构高程，如安装高程、发电机层、电气夹层等。抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计体系建立基于上述设计思路与目标开展研究。

1.2 参数化设计体系基本框架

地下厂房设计是一个多专业间信息流转、协同配合的过程，设计过程中涉及专业较多，上至规划、地质、机电、水道等专业，下达施工、造价等专业。各专业间信息、数据量庞大且关联性强，关系错综复杂。设计过程中需对信息及数据进行系统的归纳与梳理，否则大量的信息与数据间无法形成一定的关系网，导致设计效率低、易出错、易漏项等问题。

基于3DE平台的抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计体系，旨在利用参数化手段快速、高效完成预可研、可研阶段的抽水蓄能电站地下厂房设计。将数据信息参数化处理，梳理查找参数间的函数关系，并整理成公式集成到3DE中，尽可能减少设计参数输入量，将复杂的参数关系交由后台自动运行处理。具体实现步骤为：对专业间信息参数进行规范化和标准化；通过编写公式自动求解建筑物结构尺寸；建立3DE参数关联模型，集成参数与公式，确保模型随参数自动驱动更新；利用结果模型自动提取并输出工程量，其基本框架如图1所示。

图1 3DE平台抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计体系基本框架

1.3 关键技术

1.3.1 设计参数公式化

如前文所述，地下洞室群建筑物组成众多，相应地设计参数信息量巨大，参数关系复杂。构建地下厂房快速参数化设计体系，首先应对设计参数进行梳理和明确，理清参数之间的关系，确保参数信息全面、简洁、有效，满足预可研、可研阶段设计精度。为此，基于已有抽水蓄能电资料及相关工程经验，结合地下洞室群建筑物组成，列举出各建筑物设计所需参数清单(见图2);寻找各设计参数与外部需求参数、内部控制参数的关系，并编写公式(见图3);对参数进行归纳整合，筛除重复参数，保证参数唯一性。

1.3.2 输入/输出参数规范化

地下厂房洞室群体型复杂，结构设计输入、输出参数数量大且面向专业种类多，仅主机间开挖结构设计就需外部需求参数和内部控制参数共约90个。面对海量的待处理数据，如何将这些参数与3DE模型关联起来，并保证参数修改后快速调用，是地下厂房快速参数化设计体系应当解决的首要问题。

3DE平台中“设计表”工具，具有关联Excel表与3DE模型参数集的功能，同时，能够识别出两者名称相同的参数，并将前者中的相应参数值赋值给3DE模型参数集，进一步驱动模型更新。因此，基于3DE平台的抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计体系，以Excel表为媒介，进行外部需求参数/内部控制参数输入和工程量输出。经相关专业多次讨论确认，对Excel表中参数项数、参数名称进行规范和统一，形成各专业标准化输入/输出参数表单(见图4～5),大大提高协同效率。

图2主要建筑物设计清单

图3地下厂房主机间主要参数公式

图4地下厂房主机间外部需求参数标准化输入表单

图5地下厂房标准化输出参数表单

1.3.3 结构模板标准化

标准化是水利水电工程协同设计的前提和基础，同时也是专业内外部数据转换和利用的必要条件[3]。为便于模板与参数的统一管理，基于3DE平台的各地下厂房洞室群结构模板均采用1号机组中心点和机组纵轴线作为定位元素。考虑到降低模板制作难度，尽量避免同一模板参数元素过多，导致模板更新缓慢、易报错等问题，对结构进行合理拆分，如主厂房结构可拆分成安装间段、主机间段和副厂房段。在3DE中，根据规范化的输入参数表单和结构设计参数创建参数集合；参照参数关系，编写公式、规则，实现参数自动计算；绘制结构轮廓与参数关联，形成参数驱动模型；最后导出结构工程量表单。

2、应用实例

结合工程实例，验证基于3DE平台的抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计体系的可行性与合理性。如图6～7所示，经快速参数化设计体系，能够在较短时间内完成地下厂房设计，获取各建筑物部位工程量，并一键驱动生成三维模型。在此基础上，可基于该成果开展项目效果展示、制作宣传效果图、三维图册等工作，实现设计效率高、设计成果丰富的目的。

图6某抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计模型

图7某抽水蓄能电站地下厂房工程量输出表单

3、结束语

本文提出的基于3DE平台的抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计体系，严格遵循地下厂房正向设计思路，结合工程实例与设计经验，对设计过程中厂房专业内部及上下游协同专业的参数信息、参数关系进行梳理、整合和提炼，将地下厂房设计简化为参数输入、输出的过程。应用实例后发现，在上游专业提资齐全的前提下，按照常规设计方式完成抽水蓄能电站地下厂房推荐方案设计(含枢纽布置、建筑物结构尺寸计算、工程量计算及三维模型建立)需要4～5 d, 而采用本文提出的地下厂房快速参数化设计体系，可将设计时间缩短至0.5～1 d, 在比选方案较多的情况下，快速参数化设计体系的效率优势更加明显；若边界条件或上游专业提资发生变化，常规设计方式至少需要0.5～1 d时间完成修改，而参数化设计体系仅需一键导入外部需求参数即可完成修改。这足以证明该体系能够有效解决协同专业间反复修改提资造成返工工作量大、修改遗漏、修改错误等问题，显著提高地下厂房设计效率，较好适应预可研、可研阶段抽蓄项目设计周期短、比选方案多、设计任务重等特点，对新手友好。进一步地，该体系可推广应用至常规水电地下厂房设计中，形成更加完善、系统、成熟的地下厂房快速参数化设计体系。

集成化、智能化、可视化、网络化、并行化是三维设计的发展方向[4]。目前，快速参数化设计体系的输入、输出参数采用表格提资形式，需要人工导入、导出，为了进一步提高设计效率，后期将研究多专业直接基于体系平台进行一键资料传输功能。同时，考虑引入知识工程[5],将设计规范、工程经验写入体系，对设计参数进行智能判断[6]和取值，实现智能化设计，以便设计体系更好地适用于招标、技施设计阶段精细化设计。

参考文献:

[1]韩冬,赵增海,严秉忠,等.2021年中国抽水蓄能发展现状与展望[J].水力发电,2022,48(5):1-4,104.

[2]解凌飞,李德.基于BIM技术的水利水电工程三维协同设计[J].中国农村水利水电,2020(3):105-111.

[3]汪小军.水利水电工程三维数字化设计平台建设及实践分析[J].中国水运(下半月),2016,16(12):230-231.

[4]张社荣,顾岩,张宗亮.水利水电行业中应用三维设计的探讨[J].水力发电学报,2008,27(3):65-69,53.

[5]黄艳芳,吕昌伙,张玲丽.大中型水电站地下厂房三维参数化设计技术应用[J].人民长江,2015(1):46-49.

[6]刘超,祝靖,陈伟.基于3DE平台的抽蓄电站预可研阶段引水系统三维设计模板研究[J].四川水力发电,2023,42(增1):29-35.

文章来源:邵文捷,刘晓勇.基于3DE平台抽水蓄能电站地下厂房快速参数化设计研究[J].水电站设计,2024,40(03):89-92+98.