协同设计

介绍了输变电工程数字化设计的发展趋势、中国电力科学研究院有限公司架空输电线路三维设计协同设计包所包含的四个设计阶段六个设计专业设计功能。

数智自贸区的建设实施围绕着片区智慧化顶层规划设计进行，规划从宏观定位到微观场景，从底层架构到末端应用协同设计，明确指导思想、实施原则，为智慧建设提供方向、思路和方法，贯穿片区“规、建、管、运、用”全维度，打造智慧园区一体化服务能力。以场景需求为牵引，应用为导向，聚焦集约建设与开放共享，推进新型基础设施设计应用。围绕基础设施云资源池、园区网络架构、边缘计算物联网、环境感知、AI安防等主要方向，从数据标准，物联网设备、计算模块等方面统筹规划。以“产业经济、政务服务、精准治理”建设核心，在充分考虑政府各业务部门管理需要情况下，开展数字贸易、综合海事、经济运行、企业服务、一网通办、招引建设、安全防范、协同办公等专项领域需求调研，结合业内优秀产品及先进技术，构建专项应用系统建设规划。

本项目整体研究成果打通了三维数字化技术在工程建设全流程中的应用通道，使得三维技术不仅仅提高工程的设计质量和设计效率，更在设计阶段即建立起一套服务于工程建设全流程的数据信息库，数据信息贯穿设计、建设、运行、维护直到退役，整个过程的三维模型数据不断扩充，涵盖了各阶段各单位在工程建设过程中产生的各种资料和数据内容，所有的数据信息多阶段、多环节、多部门共同维护和使用，最终实现工程建设原始数据、过程数据、管理数据等的全属性、全寿命工程数据数字化移交。本项目针对项目各阶段的应用，实现三维技术的创新与实现，利用多项自主知识产权的软件工具，实现三维设计平台中的构架集成设计、三维电气布置设计、主接线设计、防雷接地设计、材料自动统计、短路电流计算；针对施工阶段的应用，在依托工程中实现设计施工一体化应用，并提出利用三维技术进行施工进度、质量、造价管理的应用方法；针对运维阶段的应用，开展三维实时在线监测技术创新与实现，研发三维实时在线监测系统展示平台，实现虚拟现实的环境中，集中展示变电站设备的各种静态数据信息和动态运行信息。 三维信息化技术可提高设计效率和质量，优化设计方案，减少土地占有率，减少施工工期及现场设计变更。经综合测算，可降低工程投资约1%。我院在引进软件公司的三维平台基础上，不断进行本地化全面研究和深度定制研发，形成多种实用有效的三维应用工具，已基本实现数字化三维360°全方位应用。

系统从2016年推广以来，已在我国五大区域设计院、14个省份的省级设计院、经研院、地市级设计单位完成工程应用。系统在潍坊-临沂-枣庄-菏泽-石家庄1000千伏特高压交流输变电工程等特高压直流工程及30余项110千伏-750千伏架空线路工程的三维设计工作中得到广泛应用。工程应用中基础数据费用节支、人工节支、工程优化设计节支总额6亿元。此外，在未来五年中的持续应用中，预计可产生销售收入1.5亿元，工程应用节支15亿元，经济和社会效益显著。 项目成果在保证设计质量的同时有效控制工程造价，为建设坚强智能电网提供技术保障，推动我国输电线路工程设计水平有效提升，为建设资源节约型、环境友好型社会做出了巨大贡献。同时，系统在应用中形成设计过程及成果的数字化三维设计资料，是泛在电力物联网建设的重要数据基础，为实现“三型两网、世界一流”的战略目标做出了重大贡献

本项目是基于二维设计数据库的缺乏而无法实现数字化移交的现状，在调查和分析国内三维设计管控相关信息资料和成果，并充分分析了制度和平台在三维管控中的力度，于2014年4月启动，经过短短两年时间实现了在公司内部全专业三维协同设计。该项目充分考虑了三维技术在EPC施工一体化中的优势，利用三维制度管理和平台管理两个手段，包括三维考核制度、设计深度制度及碰撞管理平台，确保三维设计成果符合设计施工一体化数据要求，实现了多专业的三维实体模型，通过对所构建的实体模型进行碰撞检查、优化设计，最终从模型中提取各种施工图及相应的材料报表实现了EPC0的一体化管控，精准掌控工程各项成本，形成企业的核心市场竞争力。

大型水电工程 EPC 项目具有技术难度大、牵涉面广、不确定风险因素多等特点，因此，需要一种创新性的、基于多要素、全信息的快速智慧决策系统，真正实现 EPC 项目管理信息系统“从无到有、从有到强、从强到智”。项目组依托杨房沟水电站工程，针对 EPC 模式下大型水电项目的管理特点，将传统的水电项目建设管理模式进行了创新，采用先进的 BIM、大数据、移动端、物联网等技术，借助数字化手段将工程建设精细化，管理深入至“单元工程级”，涵盖了工程设计、质量、进度、投资、安全等各个模块，实现了杨房沟水电工程设计施工的全过程数字化管理与智慧化管控。 本项目成果属于工程管理领域，主要管理创新成果包括：①首次系统地创建了一套基于 BIM的大型水电工程 EPC 项目的智慧管理体系，通过三维正向设计、智能建造、数字化移交等先进的技术手段实现了以设计施工一体化为核心的大型水电工程 EPC 项目全过程数字化建设管理创新，具有良好的应用前景和推广价值。②基于三维协同设计平台实现了水电工程全专业三维正向设计，并且实现了 BIM 模型的精细化、属性化和轻量化以及基于 BIM 模型的工程建设管理。③研发了可模块化配置的设计施工 BIM 管理系统，实现了大型水电工程 EPC 项目的设计施工一体化管控。④首次提出了有效解决大型水电工程 EPC 项目从“物理实体电厂”到“数字孪生电厂”的数据信息损失问题的整体移交方案，打通了工程全生命周期管理的“最后一公里”。 项目成果成功应用于杨房沟水电站工程，经济和社会效益显著，已有中国电力建设企业协会、水电建设监理协会、水力发电工程学会、水电水利规划设计总院、国电、国网新源等 30 多家单位到杨房沟水电站开展调研学习，各单位及专家一致认为本成果已达到国内外水电项目建设管理一流水平，具有很强的可操作性和推广价值。本项目的相关技术在两河口水电站、大古水电站、杭州地铁、雄安新区等项目中得到了应用，后续将在雅砻江流域卡拉、孟底沟等水电站中推广应用。项目组共计获得软件著作权 9 项，论文 8 篇，“工程三维数字化设计与施工管理一体化”成果被鉴定为“国际领先水平”。本项目对传统水电工程的建设管理进行了创新，真正实现了大型水电工程 EPC 项目基于移动设备的人机交互管理、扁平化管理、数据感知和共享管理，为大型水电工程 EPC 项目管理升级、优化生产组织提供了新思路、新方法，具有广阔的市场前景和巨大的应用价值，为国内同类工程建设创新管理思路提供了良好的借鉴。

日本福岛核电事故发生后，三代核电技术因安全等级更高，得到了加速发展，成为了新建核电站的主流堆型。为发展中国核电行业，提升中国核电的竞争力，国家组织研发了华龙一号堆型，并开始了华龙一号的首堆设计和建造。在首堆设计过程中，各种信息化的工具和手段的应用极大的提升了工作效率和设计质量，缩短了设计工期，保障了首堆安全性。华龙一号三维协同设计与管理平台是信息化平台的重要组成部分，其研发和投用解决了长期困扰核电项目的异地协同设计和设计管理的两大难题，是华龙一号首堆建设中非常重要的工具软件。 平台在建设过程中攻克了三维布置设计、自动出图和在线校审签字的技术难题，实现了核岛土建、设备、管道、通风、托盘、仪控和各专业支吊架等的三维布置协同设计和设计策划、设计输入、设计输出、设计审查、设计评审、设计验证、设计变更等全专业全过程的设计业务信息化。充分利用“互联网+”技术，建成了国内最大的三维异地协同设计平台，并利用虚拟和分布式部署技术，显著提升了超大项目、多用户并发应用模式下的响应效率。首次利用大数据手段实现了对三维模型批量化、自动化的质量检查，革新了工程设计的质量检查手段，显著提升了设计质量。首次在核电设计领域实现了基于数据和模型的在线提资、技术状态管理、可视化电缆敷设，并攻克了多项基于模型的抽图关键技术，抽图自动化率达到90%以上，大幅提高了出图效率。华龙一号三维协同设计与管理平台的投用，解决了核电设计信息化的核心难题，为公司创造了巨大的经济效益，被国资委认定为央企信息化应用的典型案例，并向行业内外进行推介，促进了整个行业的信息化水平的提升。

输电线路三维正向设计，综合利用了航测影像、激光点云、倾斜摄影等地理信息数据，构建了高精度的三维场景，借助三维正向设计，可优化方案、减少设计隐患；通过勘测、电气、结构的全专业的协同设计，可提高输电工程的设计质量和效率；通过工程案例，介绍输电线路三维正向设计在规划、勘测、设计、施工、移交、运维各阶段的应用优势。

经过多年的发展，总体所已经积累了丰富的设计经验，设计方法和设计理论已经非常成熟，并通过科研以及采购等完善了专用的设计工具。同时，设计院其他专业也建立了部分专业设计平台，其中往往存在部分总体所各专业所需要的设计数据。但各平台及工具之间相对独立，并未形成有效的信息传递，以火灾分析为例，常常需要各专业在设计工具中导出数据后以提资的形式提供给总体所进行进一步的设计。现阶段总体所各项设计业务的设计输入主要通过设计生产管理系统的提资系统和统稿流程完成，然后经过各项业务工作的智力分析（如各类报告编写）或专业工具的应用后（如工程量计算、灾害分析），形成以报告和清单为主的设计输出。现有设计方式虽然满足了大部分的设计业务需求，但是现阶段信息系统的应用只是解决了从纸质办公向电子办公的电子化转变，正处于电子化向信息化过渡的阶段，而并未完全实现信息化协同设计，存在着以下问题：设计输入以文档提资为主，未充分利用现有平台进行数据交换。各专业计算分析软件基本齐全，但无统一协同设计平台。设计成果没有实现结构化数据管控。缺乏智能协同手段、过程人工控制、数据共享性低、线下工作量大。针对以上存在的问题，总体设计平台建设的核心是加强工作流程、质量的自动化控制，并集成应用各种计算分析工具、通过智能化平台提高工作效率。

福清核电项目位于福清市三山镇前薛村岐尾山前沿，项目规划建设 6 台百万千瓦级压水堆核电机组，采用核电工程总承包模式，一次规划、分期连续建设，1-4 号机组采用二代改进型成熟技术，5-6 号机组采用达到自主三代核电技术“华龙一号”堆型。2015 年 5 月 7 日，我国自主三代核电“华龙一号”首台示范工程福清核电 5 号机组正式开工，将为海西经济发展注入新的活力，标志着中国三代核电技术将从海上丝绸之路起点的福建，扬帆远航，全方位参与国际竞争，这是贯彻落实中央“一带一路”战略的重大举措和有力实践。项目业主中国核电福建福清核电有限公司成立于 2006 年 5 月 16 日，全面负责福清核电站的开发、建造、调试和运营，全面履行核安全责任。作为项目业主，福建福清核电有限公司将承担更重要的工作任务，需要通过不断的管理创新，以提升核电管理的科学化水平。“华龙一号”集合了我国 30 余年核电科研、设计、制造、建设和运行经验，充分借鉴吸收国外三代核电技术的先进设计理念，采用 177 堆芯、能动非能动相结合等多项重要技术方案，研发出来的百万千瓦级压水堆核电技术；凝聚了中国核电建设者的智慧和心血，承载着中国核电人建设自主知识产权三代核电的梦想，是中国核电走出去的主打品牌。按期建设完成首堆“华龙一号，也是“国之重器”实现“走出去”的必由之路。福建福清核电厂 5、6 号机组作为“华龙一号”技术方案的示范工程，从开工之初，即面临着首堆工程特有的工期紧任务重，工程设计过程中边科研边设计，没有可参考的成熟设计方案；系统力学计算反复进行，系统设计调整变化多；设备设计滞后影响设备资料按期提交，设计固化困难；施工进度压力大等的难题。为解决上述问题，福清业主联合总包单位、设计分包院、建安施工单位，进一步完善创新了设计管理体系。在原有福清 1-4 号机组管理流程和渠道的基础上，识别影响首堆工程设计的关键路径及新特点，通过策划并实施互联网与设计过程和设计管理过程相结合，新开发了设计与采购接口管理流程、施工图纸开口项管理流程等多项管理流程，建立了共享的信息化管理平台，形成一套覆盖设计计划管理、设计输入、设计接口、设计验证、设计文件出版、设计变更处理等设计全过程的“互联网+”应用体系，让互联网与工程设计进行深度融合。新应用充分发挥互联网在设计及管理资源配置中的优化和集成作用，利用互联网、云计算、大数据把孤岛式的设计单位及施工创新链接起来，远程直接进行有关操作和维护，实现项目参与各方进行协同设计，同步监督管控，信息交流快捷高效，大大简化了协调过程，又大幅提高设计和设计管理效率。加快了问题的协调和处理过程，尤其对于设计技术风险管控现场重点技术问题的高效决策，提供了很好的渠道。 本基于互联网的核电厂设计管理应用体系在福清华龙一号示范工程中应用效果显著，创造新的工程设计及管理生态，既有效的提高设计生产效率和工作质量，有效助推设计管理高效管控，“华龙一号”示范工程的建设，为后续机组特别是首堆建设提供了良好借鉴，具有很高的借鉴和推广价值。