Sketchup與Lumion在工程設計中的聯合運用
——以東臺子水庫為例

吳 旺

(遼寧省水利水電勘察設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

近年來，隨著科學技術的革新，三維設計和BIM(Building Information Modeling)逐漸運用在水利工程設計中，三維設計和BIM憑借著其可視化、協調性、模擬性、優化性等卓越性能，凌駕于傳統二維設計之上[1]。尤其是現今水利工程布置和結構愈發復雜，同時整個項目對設計工作的質量、精度和效率要求越來越高，三維設計和BIM已然成為現代水利工程設計的必然趨勢。據水利部水利水電規劃設計總院2017年調研顯示，BIM技術的應用已從概念普及過渡到項目試點階段[2]。

本次工程設計對象為東臺子水庫，其壩址位于內蒙古自治區赤峰市西拉木倫河，水庫任務以防洪、供水為主，兼顧灌溉和水力發電，為大(2)型水庫，主要由堆石壩段、混凝土壩段、魚道、電站、預處理廠、增殖放流站等組成，工程的三維可視化設計主要由Sketchup軟件聯合Lumion軟件完成。三維可視化設計為BIM技術中的重要組成部分，為工程結構優化調整、設計精細化、工程效果展示等打下了堅實基礎。

1 軟件簡介及特點

1.1 三維建模軟件Sketchup

Sketchup軟件是一款3D模型設計軟件，為BIM生態體系中的核心建模軟件之一，是一套直接面向設計方案創作過程的設計工具，可以極其快速和方便地對三維模型進行創建、觀察和修改[3]。Sketchup軟件界面簡潔、易于掌握、適用范圍廣，同時亦不乏強大的建模功能，軟件兼容性好，能同AutoCAD、Revit、3DMAX、Lumion等軟件結合使用。

1.2 三維表現軟件Lumion

Lumion軟件是近年來出現的新一代實時3D可視化工具，配合三維軟件創建的模型，成為當今建筑、景觀、規劃和設計行業的最佳動畫表現平臺。Lumion軟件采用GPU渲染技術，大大降低了CPU的占用率，能夠在短時間內創造驚人的建筑可視化效果[4]。相對于BIM其他三維渲染和漫游工具，Lumion軟件更具專業性、高效性和優異性，因此也常用于BIM成果的渲染和效果表現。

2 設計流程

本次東臺子水庫三維可視化設計流程如圖1所示。

圖1 東臺子水庫三維可視化設計流程

2.1 模型創建

模型創建和修改均由Sketchup軟件完成，主要包括前期準備、CAD圖紙導入、三維建模、地形創建、模型材質賦予等部分。

(1)前期準備。通過現場查勘，并借助無人機航飛拍攝，了解項目區地形地貌、植被、氣候等基本情況，結合Google earth對項目所在地理位置有一個全局的認識，為后期建模、地形創建及場景模擬提供參考依據。

(2)CAD圖紙整理及導入。整理CAD平面圖、斷面圖，清除多余線條和圖層，避免對后期建模造成干擾。之后將CAD文件導入Sketchup軟件，選擇單位為mm，模型實際比例為1∶1，保證了模型的真實準確[5]。

(3)三維建模。依據CAD平面圖、斷面圖等資料，選擇適當的建模方式，如塊體推拉、路徑放樣、布爾運算等[6]。Skechup軟件繪圖工具簡便快捷，極大地提高了三維建模效率。由于東臺子水庫建設規模龐大，包含多個壩段、魚道、電站、廠房等，模型結構復雜多樣，因此采取分步建模，并將獨立工程結構創建成組，方便模型的修改和使用。三維建模成果如圖2所示。

圖2 東臺子水庫三維建模

(4)地形創建。Sketchup軟件中的地形可根據等高線生成，也可以通過網格創建，結合東臺子水庫工程具體情況，本次地形創建采用兩種形式結合的方法，形成優勢互補。工程范圍附近地形采用實測等高線生成，工程范圍以外地形采用網格模擬。

(5)材質賦予。三維建模及地形創建完成后，對模型賦予材質，使模型更加真實，同時也方便下階段Lumion軟件進行材質區分。東臺子水庫工程模型材質主要包括混凝土、塊石護坡、水面、瀝青路面、金屬、玻璃、巖石、地面鋪磚、屋頂、地被層等。材質賦予完成后成果如圖3所示。

圖3 東臺子水庫Sketchup模型成果

2.2 模型渲染及表現

模型渲染及表現均由Lumion軟件完成，主要包括對Sketchup模型的處理、地形優化、模型相關場景布置等部分。

(1)模型導入及轉換。Sketchup模型建立完成后以*.skp文件格式保存，并導入Lumion軟件中進行參數調整和材質置換。Lumion軟件除了擁有出色的材質庫，還能夠對材質的RGB值、光澤度、反色率、凹凸度等進行實時編輯，模型材質所見即所得[7]。若遇到Sketchup模型后期修改，在Lumion軟件里更新加載即可與修改后的模型重新匹配，且在Lumion軟件中已經完成的場景、效果、動畫均不變，避免了重復工作，相比其他可視化軟件更加便捷高效。

(2)地形處理。Lumion軟件真實地形一般是通過導入灰度圖進行模擬和生成，本次東臺子水庫工程在三維建模階段已經創建地形，因此在Lumion軟件中只用地形推拉工具對模型地形的細節進行修補和完善，提升地形表層紋理的層次感。

(3)場景布置。Lumion軟件自帶豐富的3D素材庫，包括人物、車輛、動植物、水體、基礎設施等，素材仿真度高，動態效果甚至達到影視級別[8]。同時，Lumion軟件還能將光線、陰影、云彩、風向、風速等場景參數化。在東臺子水庫項目中，水庫泄洪的動態水流、庫區內的波光粼粼、魚道內的穿梭游戈等均能得到很好的展示。Lumion軟件中水流的動態效果逼真，這也是選擇將Lumion軟件運用于水利工程的重要原因之一。模型場景完成后成果如圖4—5所示。

圖4 東臺子水庫Lumion泄洪場景展示

圖5 東臺子水庫Lumion全場景展示

2.3 動畫制作與輸出

動畫制作與輸出均由Lumion軟件完成，主要包括對攝像機的設置、關鍵幀捕捉、鏡頭特效設置、成果輸出等部分。

(1)攝像機設置。進入視頻模式后，根據畫面角度以及目標的表現訴求，如水庫全景鳥瞰、大壩泄洪俯視、魚道人視、道路漫游等形式，不同場景合理設置鏡頭焦距，并利用鼠標方向及移動鍵控制攝像機角度和高度。Lumion軟件中視角移動和轉換與第一人稱3D游戲類似，操作簡便，兼具體驗樂趣。

(2)關鍵幀。相比其他繁雜的三維視頻編輯軟件，Lumion軟件動態視頻生成采取“傻瓜式”一鍵操作，只需控制攝像機角度和高度，捕捉關鍵幀，即可依靠關鍵幀之間的轉場實現自動連接，從而達到動畫效果。同時，可通過設置拍攝參數調節單次鏡頭的動畫時長。

(3)鏡頭特效。為突出表現東臺子水庫可視化成果，加大模型及場景的表現力，增強畫面的感染力，通過Lumion軟件鏡頭特效具體表現了遠景虛化、云彩浮動、日照變化、氣候變化、季節交替、鏡頭切換等[9]。Lumion軟件鏡頭特效設計在模型的基礎上進行，與三維模型形成獨立的操作空間，同時又相互關聯，保障了三維可視化設計工作的協同性。

(4)成果輸出。在完成對模型的場景布置和動畫制作后，即可將成果導出，Lumion軟件輸出類型包括視頻短片和靜幀圖片。Lumion軟件渲染輸出速度驚人，輸出成果品質高，基本無需后期修飾，極大提升了三維可視化設計效率。視頻輸出界面和效果如圖6所示。

圖6 東臺子水庫Lumion動畫制作與輸出

3 結語

Sketchup軟件和Lumion軟件的共同點表現為簡單、快捷、高效，2款軟件的聯合運用極大降低了項目投入的時間成本和勞動成本。這2款軟件在建筑及景觀設計領域運用相對較多，憑借著其優越的綜合性能得到了眾多設計單位和個人的認可。相對而言，水利傳統行業的三維可視化設計起步較晚，近年來隨著BIM水利專業平臺的搭建，才漸漸有了一些實質性的投入產出。

筆者接觸過其他三維及可視化設計軟件如3ds Max、Maya、Rhino、VRay、Quest3D等，在通過對比運用后，總結出一套Sketchup軟件和Lumion軟件聯合運用的三維可視化設計路線，極大地縮短了設計周期。就本次東臺子水庫三維可視化設計而言，Sketchup軟件和Lumion軟件聯合運用的生產效率至少是其他三維可視化設計軟件的數倍。單純從客觀的計算機物理工作時間來看，Lumion軟件渲染成果輸出只需幾分鐘，相比之下，其他普通三維視頻渲染軟件則需要十數小時以上，效率已然得到了質的提升。