三維輔助設計在地道方案設計中的應用

孫 健

(中鐵城市規劃設計院有限公司，安徽蕪湖 241000)

隨著科學技術的不斷發展，三維輔助設計越來越多地應用到工程設計領域，它體現了新的工程設計理念和先進設計水平。在工程實踐中，三維手段顯示出優越性和高效性，成為工程設計的趨勢和方向。現階段地下結構設計以傳統設計手段為主。本人在從事地下結構設計過程中，嘗試著引入三維手段，實現了三維建模、施工模擬、立體漫游，取得了較好的效果。

1 三維設計的特點

1)三維設計使所想即所得，設計成果直觀清晰，并且立時可見。傳統設計手段因為紙張和畫筆的局限性，要將對象轉化成平面的表現形式，產生大量圖、表和說明;施工過程把這些紛繁復雜的圖表建造成實體。而三維設計是把對象直接構建成三維模型，它能完全反映建筑物的所有要素和建成的實際效果，在施工之前將工程狀貌直觀、清楚、準確的表達出來。2)三維手段具有強大的自動檢查、糾錯和修改功能。與形成那些無關聯性的設計文件相比，直接建立三維模型可以排除傳統設計過程中常有的錯誤、遺漏、差異的主要來源，節省時間，使得項目的傳遞過程更有效率。3)三維建模過程能進行大量結構計算。比如CATIA軟件，結構計算是其建模功能的一部分。4)三維手段利于實現參數化設計、協同設計。設置并通過改變參數，就可以建立同一類型的模型。不同專業的多人可以在一個模型文件上進行設計，實現各專業的協同配合。5)三維模型是集成化模型，除了模型本身的所有內容，還能包括與模型有關的整個項目信息，包括管理、造價、變更等信息。6)三維模型通用性、移植性好，可以導入很多應用軟件，用途廣泛。7)三維手段成果表現形式多樣，可以輸出立體模型，導出平面圖，生成圖表，做成多媒體文件。

2 三維手段在地道方案設計中的應用

2.1 概況

地道處于十字路口，平面呈平行四邊形布置。周圍環境要求地道施工不能影響周邊商業運行和交通通暢。主通道結構采用預制矩形鋼筋混凝土管節，非開挖頂管施工，頂管井及出入口采用明挖順筑法施工，開挖深度12.0 m，圍護結構為鉆孔灌注樁+內支撐結構體系。頂管工作井雙向頂進，頂管接收井雙向接收。頂管法施工就是在工作坑內借助于頂進設備產生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將機頭和管道頂入土中。一節管子完成頂入土層之后，再下第二節管子繼續頂進。機頭自工作坑內穿過土層一直推進到接收坑內吊起。采用的矩形頂管技術系在當地首次采用，工作原理和施工方法及對環境的影響和要求與一般頂管有很大不同。在方案設計階段，應用三維手段的目的是結合地道方案，建立地道三維模型，演示矩形頂管工作和方案施工過程及其對周圍環境的影響，將工程建設全過程像放電影一樣生動地展現出來，以闡明方案理念和頂管工作原理，展示建成效果，充分體現方案優勢。筆者選擇了達索系列軟件(包括 CATIA V5，3DVIA Composer，3DVIA Studio)，輔以其他軟件以提高設計效率，美化效果。應用思路是:用CATIA V5建模，用Google sketchup建立周圍環境模型，用3DVIA Composer進行施工模擬，用3DVIA Studio進行三維漫游，用“會聲會影”后期制作施工模擬和三維漫游展示視頻。

2.2 建立三維模型

根據地道建設方案特點，本工程的建模分為三部分:1)地道結構本身，包括通道、出入口和圍護結構;2)頂管機等施工機械和汽車模型;3)地道周邊環境，包括周圍商業建筑物、道路、樹木等。CATIAV5建立了一個針對產品整個開發過程的工作環境，對產品在概念設計、詳細設計、工程分析、成品定義和制造乃至成品的各個方面進行仿真及整個生命周期中的使用和維護。它已經被廣泛應用在航空航天、汽車工業、造船工業等領域。用CATIA V5建立精確的地道結構模型，建模過程如圖1所示。

圖1 CATIA V5建模示意圖

圖2 梯道模型

首先，打開CATIA程序界面，進入零件設計模塊，從此處進入草圖設計模塊，繪制地道構件的輪廓線，完成后點擊圖標回到零件模塊，拉伸、旋轉輪廓曲線等命令形成構件模型。如在構件上進行開槽、分割、開洞，可選中欲操作的平面，回到草圖模塊繪制切割輪廓，然后再進入零件設計模塊，選擇輪廓在模型上執行切割命令。可以在零件模塊中修改模型參數，或者進入草圖模塊修改草圖參數，模型會自動相應更新。零件設計是一個循環的過程，直到模型符合設計要求。零件設計模塊的建模成果是part文件。打開零件組裝模塊。導入各構件模型的part文件，按照構件之間的相互約束關系，比如接觸、對齊、平行等將構件安裝在一起，建立完整的構筑物模型。在組裝過程中如果發現構件模型錯誤或者設計更改，可以在相應的part文件里修改并保存，然后再回到組裝模塊，執行更新命令。組裝模塊的成果是product文件。建立的三維模型如圖2～圖8所示。獲得施工機械(如頂管機、千斤頂、吊車、貨車)和汽車模型有兩條途徑:1)在達索官網上查找，那里有大量的三維模型資源，合適的模型直接拿來用，比如載重汽車、推土機等;2)在網絡上找不到合適的模型的，如頂管機模型，可根據相關資料，用CATIA V5軟件建立模型，如圖9所示。這樣做既滿足了需要，又提高了效率。用Google sketchup建立輔助構筑物和周圍環境模型。主要考慮以下三點:1)Google sketchup里有豐富的環境模型，它建立的環境模型美觀、逼真;2)環境建模不需要精確的尺寸和嚴格的約束關系，用Google sketchup建模效率高、速度快，節省了不少時間。3)Google sketchup和CATIA V5建立的模型可以互通互用。周圍環境如圖10所示。經過上述工作，就建立了完整的地道三維模型。

圖3 電梯模型

圖4 頂管管節模型

圖5 通道模型

圖6 出入口模型

圖7 地道結構模型

圖8 地道整體模型

圖9 頂管機模型

圖10 地道和周邊環境模型

2.3 施工模擬

3DVIA Composer使用CATIA V5建立的模型信息，通過3D動畫和創建交互產品文檔更好地傳達產品信息，功能豐富，靈活多樣。

將建立的地道三維模型導入3DVIA Composer，根據方案中的施工方法、流程與進度安排，將施工到不同階段時的模型狀態安排在時間軸上，形成3DVIA Composer程序中特有的關鍵幀。關鍵幀包括整個模型的所有元素，可以設定隱藏/顯示功能安排各元素出現的先后順序，設定不同位置模擬元素的移動和動作，設定模型屬性模擬狀態的漸變、突變。點擊播放后，3DVIA Composer就可以按照時間軸上關鍵幀的順序連續的放映，和放映電影的原理一樣。比如矩形頂管機，在關鍵幀中安排它從隱藏狀態轉為顯示，位置處在坑邊、坑底，鉆頭在特定時間的狀態，放映時動畫中就表現出頂管機出現、從坑邊向坑底移動、鉆頭旋轉挖土的連續動作。地道處于熱鬧繁華的商業中心地帶，施工臨時設施的布設和交通組織對周圍的商業活動影響很大。方案設計對此提出了解決辦法，用3DVIA Composer模擬了施工期間臨時設施布設對周圍建(構)筑物及商業的影響及對十字路口人流、車流的組織、分流等。

2.4 三維漫游

3DVIA Studio以完全的可視化模式，實現虛擬環境仿真到3D互動操作，制作流程全面、靈活，渲染能力出色，使人身臨其境。

將三維模型導入3DVIA Studio，利用libraries菜單中預設的天空、燈光、貼圖等渲染地道周圍的自然環境。對地道內部進行修飾，把出入口蓋板設置成透明玻璃效果。用貼圖功能給通道地面賦予材質，給側墻增加粉刷效果，導入壁畫裝飾通道，對頂板增加天花板圖案和光源。

從達索官網上下載人物模型和控制人物動作的behaviors塊導入模型，設置控制人物漫游路線的curves，實現從用鍵盤控制人物或者設置自動行走模式漫游，可以在地道外大街上散步，漫游整個地道周圍環境。從地道出入口進入通道，在地道漫游，從通道穿越道路，走到另一個出口，演示地道建成運行情況。在3DVIA Studio中的漫游是地道建成后的切身體驗。

3 效果

通過展示三維模型，直觀的表現形式，使不懂工程也不懂設計圖紙的人，也能從三維成果中體會和理解設計意圖，提出各領域自己的意見。播放模擬動畫演示頂管施工過程，及施工期間臨時設施布設及對十字路口人流、車流的組織疏導，使在該地首次運用的矩形頂管工法得到當地業主認可。虛擬場景的漫游，形象逼真地展現了地道建成后的運行效果。三維設計手段的應用顯示出新的工程設計理念、先進設計水平和表現效果上的巨大優勢。

4 結語

將三維手段應用于地下結構設計還處于探索階段。采用達索系列軟件CATIA V5對地道精確建模，成果直觀，立時可見;設計差錯少，效率高;能進行結構計算;模型通用性強;能夠實現參數化、集成化設計，協同設計;采用3DVIA Composer模擬地道施工及對周圍環境的影響，采用3DVIA Studio進行三維漫游，使三維成果表現形式多樣，使地道的方案設計獲得了良好評價。

［1］董甲甲，楊 磊，杜燕林，等.基于CATIA的重力壩可視化設計［J］.水利水電科技進展，2010，30(5)：57-60.

［2］張 麗，郭 菲，董 甲，等.基于 CATIA的三維配筋技術研究［J］.人民黃河，2013，35(3)：82-83.