三維技術在工程設計中的應用及發展前景

文｜李琳琪

三維動畫是近年來隨著計算機軟硬件技術的發展而產生的新興技術，由于其精確性、真實性和無限的可操作性，被廣泛應用于醫學、教育、軍事、娛樂等諸多領域。利用三維軟件各模塊的運用，對水電站工程水工建筑物及施工區地形地貌建立可實時顯示的仿真模型，使項目人員能直觀清晰的從任意位置及多視角地查看工程概況，對水利工程的設計和施工起著十分重要的作用。

＞＞圖1 益地水電站三維動畫截頻

＞＞圖2 抽水蓄能典型設計三維動畫截頻

中國水電顧問集團中南勘測設計研究院(以下簡稱“中南院”）在水利水電工程建設中具有顯著的成績，在人才和技術方面一直處于行業領先地位，但在水利工程建設過程中，多以二維方式展示工程進度。在方案介紹及規劃設計階段匯報時，也多采用計算機加投影儀的匯報方式，工程內容以文字報告、表格、掃描圖紙和效果圖等二維展示形式為主，雖然應用了計算機技術，但是仍然缺乏直觀性，尤其對于復雜的工程項目很難達到預期的效果。難以對建筑物及整體工程進行直觀模擬，無法展示出技術成果的關鍵機理和工作流程，對日常匯報、成果推廣工作形成阻礙，因此，亟需一種能夠生動、形象展現各項工程、技術的方式。

三維動畫是虛擬現實技術的重要手段之一，它可將物體的形體、質感、運動、變形表現出來。結合這一技術對水利工程項目進行計算機多媒體制作，能夠在工程設計前期對工程的選擇方案、重點施工對象、完建后的效果進行虛擬，也可以在工程竣工之后，把深入水下、山體內部等無法用肉眼觀察的部分工程內容模擬出來。經過各個角度，不同層次的觀測與分析，可找出設計中存在的不足和缺陷，及時糾正工程設計平面圖紙和設計報告中存在的問題，為專家的正確決策提供依據。三維動畫技術作為一種展現工程設計成果的多媒體表現方式，在指導工程設計和施工中發揮重要作用。

三維動畫在水利工程設計中的作用

水利工程的建設過程是一項復雜的系統工程，設計周期長、投資大、主體結構復雜，具有標準化程度低、協同配合要求高等特點，并且專業涉及面廣，包括測繪、地質、土木、建筑、機械、給排水等多個專業，各專業之間存在相互聯系并相互制約的關系，且各專業的二維圖紙表達抽象，其它專業參照非本專業圖紙較難理解。因此，在水利工程展示中采用三維動畫表達設計意圖具有以下幾點現實作用：

1）清晰展示工程建筑物主體結構。三維動畫可從多視角將工程建筑的結構、材質、布置準確的表達出來，在模型基礎上，能任意觀察如壩工、廠房專業建筑結構。相較于用工程圖紙加上說明的表達形式，更能直觀地讓人感受到工程建筑的形態，突破了二維的局限性（圖1-2）。

＞＞圖3 抽水蓄能典型設計地下廠房三維動畫截頻

2）明確展示各專業的設備布置。水利工程廠房專業中布置了如電氣、暖通、水機等各專業設備，一般二維展示只能根據各個專業的相關圖紙做基本位置的介紹，通過數字標高識別各設備布置的高程。通過三維動畫展示，能清楚表達各個專業在真實場景中相互交錯的關系（圖3），一些本身具有運動工作性質的設備，還能模擬其工作過程，并真實表達出來。

3）直觀展示水利樞紐的工作原理及施工過程。通常為了說明重要的技術點，用簡單的示意性的平面圖形來反映復雜的原理過程，不容易表達清楚三維空間上的真實內容，同時要求工作人員具備良好的抽象理解能力和很強的專業知識。用動畫表現動態的水利樞紐、說明水利工程的工作原理、施工過程等技術要點是非常直觀而清晰的，也是對重點工程項目的技術、工藝闡釋的深化和重要延伸（圖4-7）。

＞＞圖4 桃源水電站砂混系統三維動畫截頻

＞＞圖5 托巴水電站砂混系統三維動畫截頻

＞＞圖6 抽水蓄能典型設計尾閘室三維動畫截頻

＞＞圖7 抽水蓄能典型設計母線洞三維動畫截頻

三維動畫制作流程

三維動畫是借助計算機對所表現的對象的形狀尺寸建立模型以及場景，為模型賦予特定材質，設置模擬燈光，再根據要求設定模型的運動軌跡、虛擬攝影機的運動和其它動畫參數，通過計算機的自動運算生成一組靜態圖片，將這些靜態圖像高速播放，從而對人眼來說產生動態效果，之后添加字幕、圖像、音頻等效果，最后得到工程演示動畫，基本流程如圖（圖8）。實現三維動畫流程的軟件模塊主要有 Architecture、Structural、GEOPAK 、MicroStaion的渲染模塊以及后期處理軟件After Effects等，可根據需要，結合各軟件的優勢，綜合利用。

＞＞圖8 三維動畫制作流程

＞＞圖9 各專業模型建造

模型的建造。基于中南院三維可視化協同設計平臺，利用MicroStaion基礎軟件和包括測繪、地質、建筑、結構、管路、電氣、暖通、給排水、校審和全生命周期數據管理等涵蓋水電設計所有專業的專業模塊的強大功能，各個專業能同時進行模型建造，并實時協同。相較于傳統建模軟件如Sketchup、3DMAX等更能精準、快速地完成模型建造。利用MicroStaion軟件的優勢，最終能得到尺寸精確、細致、仿真度極高的如壩區地形、擋水建筑物、通航建筑物、地下廠房模型、施工場地、公路等工程模型（圖9）。

材質及燈光的選擇。材質的處理，可在MicroStaion中的渲染模塊用軟件自帶的材質，也可根據需求，替換任意其他材質，其操作簡單便捷。

＞＞圖10 紋理不同的混泥土材質

＞＞圖11 紋理不同的地面石材

三維動畫與水利工程建筑物相關的材質種類不多，主要有混凝土、鋼筋、石頭等材質。由于水工建筑物的結構較為復雜，但真實場景中材質的同一種色調在三維展示中運用略顯單調，并且難以清晰的表現建筑物各部分的銜接情況。為此，對同一種材質也需收集多種顏色或紋理不同的樣本（圖10-11）。

燈光方面可利用MicroStaion中的渲染模塊功能模擬室內、室外多種光源，表達形式也多樣化，如點光源、線光源、片面光源、太陽光源等。各專業結構及布置情況展示的三維動畫對燈光的要求并不高，只需確保所展示建筑物清晰可見，具有少量陰影即可。外部場景則需要對燈光的色彩、強度、衰減、陰影等方面進行詳細考慮，以達到仿真效果。

路徑的編輯及動畫設置。三維動畫的最大優點，就是能多角度查看工程場景，在現實中無法拍攝的角度，在三維動畫中能輕松展現，只需在場景中設置好行進路徑，并設置相機位置及目標點位置。在水利工程建筑中，室內展示受到建筑布局及結構的影響，可能出現視角被遮蓋，行進過程中遇到專業設備阻攔，或者是俗稱“撞墻”等情況，為了能使建筑及專業設備能更好的被觀看，有時會根據場景需要，對建筑物進行剖切、隱藏墻體或半透明化處理以達到最佳的展示效果（圖12-14）。

渲染輸出及后期合成。渲染輸出時根據三維動畫場景的時間長短，單張圖片為一幀，以每秒25幀形成動態效果。MicroStaion能進行渲染輸出連續的靜態圖片，渲染則全由計算機自動操作。后期合成是將渲染輸出的圖片素材進行加工處理，添加文字、標注、顏色顯示框甚至聲音效果等，之后合成AVI、MOV等視頻格式的動畫，這一步驟主要在After Effects后期處理軟件及Adobe Premiere視頻編輯軟件中完成。后期合成是水利工程三維動畫制作較為重要的一部分，能在三維動態展示的基礎上，添加更為清楚的解說及標識。

＞＞圖12 三維動畫中隱藏墻體效果

＞＞圖13 三維動畫中剖切效果

＞＞圖14 三維動畫中半透明化效果

三維動畫在水利工程中的實際應用

中南院根據勘測設計技術市場及業主的需求，2010年底成立了數字工程中心，其中三維室主要推廣三維可視化協同設計，以各水利工程項目如托巴水電站、蟠龍抽水蓄能電站、溧陽抽水蓄能電站、桃源水電站、抽水蓄能典型設計等為依托（圖15-18），在協同平臺上利用三維建模，成功地將工程項目從二維轉化為三維，模擬出真實、精確的現實工程。在此基礎上，將模型以三維動畫的形式展示出來，更直觀闡述工程技術原理，促進科研開發與成果推廣工作進一步提升。

＞＞圖15 桃源水電站主廠房三維動畫截頻

＞＞圖16 抽水蓄能典型設計主廠房三維動畫截頻

＞＞圖17 托巴水電站三維動畫截頻

＞＞圖18 蟠龍抽水蓄能三維動畫截頻

在水利工程的設計過程中使用三維動畫技術，為設計者提供具有真實感的三維視覺模型，以便在工程設計階段即可在計算機上看到工程的未來景象，階段性成果匯報中也有展示性強的匯報素材。借助計算機三維模型可以對設計方案進行可視化分析和評價，從而檢驗設計方案是否得當，樞紐布置是否合理等。三維可視化，具有高效、直觀的特點，在水利水電工程中應用可視化仿真技術，將有助于推動水利水電工程向數字化、可視化和智能化方向發展。