基于3Dmax的頂管隧道施工動畫的應用研究

曹順，陳一飛，李芳，柳志丹，張志增

（1.中原工學院建筑工程學院，河南 鄭州 450007；2.玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪 653100）

0 前言

隨著我國城市地下空間工程的發展，非開挖技術應用越來越廣泛，頂管法作為非開挖技術的一種，是進行城市隧道管線開挖的一種重要方法。頂管隧道施工工藝復雜，利用傳統的平面圖紙作為媒介很難對隧道的設計、施工進行表達，施工動畫技術的發展為這個問題提供一個良好的解決方案。運用3Dmax[1]動畫技術將頂管施工工藝展現出來，以可視化的形式呈現施工方案，不但可以對施工工法進行普及，而且簡化了施工技術交底的難度，也提升了施工企業的形象。

1 施工動畫制作前的準備

1.1 相關軟件介紹

1.1.1 平面繪圖軟件AutoCAD

在施工動畫的制作中，AutoCAD[2]主要用來處理平面施工圖紙，為三維制作提供底圖和參考。

1.1.2 平面圖像處理軟件Photoshop[3]

在施工動畫中用來處理與工程相關的模型貼圖。

1.1.3 三維制作軟件3Dmax

用來完成施工動畫建模、材質、燈光、動畫、渲染等關鍵環節。

1.1.4 影視特效軟件After Effects[4]

在施工動畫的制作中主要被用來與3Dmax相銜接，進行特效處理。

1.1.5 后期編輯軟件Vegas

Sony Vegas[5]是一款專業影像編輯軟件，主要用于對視頻文件和音頻文件的剪輯和整合。

1.2 硬件設施的配置

①操作系統可選用Windows7。

②主板使用S2466或者是TYAN的S2462。

③CPU使用AMD公司的Athlon系列CPU，也可以根據實際情況配置多個CPU以增加工作效率。

④顯卡建議采用3D Labs的wildcat系列，這款顯卡是專門針對三維軟件開發的。

⑤內存前期制作至少選用2GB，后期制作最少選用4GB。

1.3 施工資料的分析

施工動畫的目的就是為了對現實的施工工藝進行仿真，所以其真實性和準確性極為重要。為了達到仿真的目的，需要工作人員既要熟悉施工工藝流程又要掌握三維動畫制作技術。

下面是做施工動畫常用的重點施工資料：

①施工組織設計部分所涉及的工法工藝和施工流程，根據需要掌握相關報價、工期、工程概況；

②施工圖紙；

③現場圖片資料。

2 施工動畫制作要領

2.1 建模

建模[6]是進行三維動畫的第一步，3Dmax提供了強大的建模工具例如標準基本體、擴展基本體、復合對象、基本幾何圖形、可編輯樣條線、可編輯多邊形、面片建模、可編輯網格、NURBS建模以及基于多邊形的石墨建模工具和運用動力學的建模等，通過這些建模工具的綜合使用并配合3Dmax眾多的修改器就可以做出自然界中存在的大多數模型。

2.2 材質貼圖

3Dmax提供了眾多的材質類型，但是3Dmax的標準材質以其使用方便，占用內存小，渲染速度快，并且能夠滿足使用要求等特點為廣大使用者所喜愛。標準材質基本可以制作出自然界90%的材質類型，只要抓住物體的物理屬性就可以制作出優秀的材質效果。

2.3 燈光

3Dmax中的燈光[7]包括標準燈光和光度學燈光，光度學燈光是真實的燈光，常用來表現室內場景。一般來說施工動畫屬于室外場景，所以常用標準燈光進行表現，常用的標準燈光有泛光、目標聚光、目標平行光。對于燈光的布置可分為太陽光、天光和室內光，太陽光常用一盞目標平行光進行表現，天光常用一組目標聚光組成燈光陣列進行表現，對于室外場景的室內燈光通常用泛光燈進行表現。

2.4 動畫

3Dmax有一個龐大的動畫系統[8]，功能也相當的豐富，在施工動畫的制作中常用的有以下幾種。

2.4.1 運動學和Biped、CAT動畫

運動學分為正向運動學和反向運動學，這類動畫在施工動畫中較為常見，主要用來制作機械動畫如挖掘機、推土機、吊車的動畫等。

Biped骨骼動畫配合蒙皮修改器主要用來制作人物動畫，在施工動畫中較為常見的有施工現場施工員的動畫和周圍人群的動畫。CAT動畫主要用來制作多足動物動畫，比如說貓、狗等的動畫。

2.4.2 動力學動畫

動力學基于真實的物理引擎對現實世界的物理行為進行準確的描述，動力學在施工動畫中主要用來構建物體的真實物理屬性和物理環境來對工程事故進行描述，比如塌方、滑坡、隧道的巖爆等。

2.4.3 粒子動畫

3Dmax提供了龐大的粒子系統，配合力和導向板的使用可以產生各種復雜的效果，在施工動畫中主要用來描述水的流動、混凝土的澆筑、焊接產生的火星、燃燒、雨雪天氣等。

2.4.4 參數動畫

在3Dmax中任何一種參數變化都可以被記錄成動畫，并且可以通過曲線編輯器進行詳細的調整，在施工動畫中占有重要的位置。比如通過材質參數的調整可以記錄物體的明暗變化，通過切片修改器參數的調整可以生成建筑的生長動畫，通過擠出修改器參數的調整可以生成混凝土澆筑動畫等。

2.4.5 約束動畫

約束動畫屬于控制器動畫的一類，包括位置約束、鏈接約束、注視約束、方向約束、路徑約束等，在施工動畫中常用的約束動畫是路徑約束、鏈接約束，經常被用來制作汽車、飛鳥、游魚的運動動畫。

2.4.6 關聯參數

關聯參數將物體自身的屬性與其它物體的屬性相關聯，從而達到控制與制約的目的。在施工動畫中常用的是變換參數的互相關聯，比如說閘門的開關動畫。

2.4.7 其它動畫

在施工動畫中常用的動畫還有燈光動畫、材質動畫等一些其它類型的動畫。

2.5 渲染

常用的渲染器[9]有3Dmax自帶的線性掃描渲染器和Vray渲染器，Vray渲染器以其簡單易用和渲染質量高為廣大制作者所青睞，但是其對電腦的配置要求相對較高，渲染用時相對較長。線性掃描渲染器雖然有其自身的局限性但是其渲染速度一直以來為廣大用戶所稱贊，對電腦的配置要求也相對較低。針對施工動畫這種重在表現施工流程的項目來說，在基本渲染質量能夠保證的前提下線性掃描渲染器不失為一種不錯的選擇。

3 施工動畫的制作流程

以“鄭州市軌道交通四號線貨站街站管線遷建工程”為依托全面展示施工動畫的制作流程。

3.1 項目分析

接到一個項目后首先要進行的是資料收集，而后進行項目分析。通過與施工技術人員的交流和圖紙圖片資料的收集大致可以確定以下幾個方面的信息。

3.1.1 工程概況

擬建的“鄭州市軌道交通四號線貨站街站”位于鄭州市青年路和隴海快速通道之間，中州大道西側。擬建地鐵站位置有市政污水管線通過，為不影響地鐵車站的施工決定對原污水管線進行遷建。管線遷建布置如圖1所示。

3.1.2 施工方案

圖1 工程概況圖

分鏡表

通過查閱資料了解到施工方決定采用頂管法進行遷建工程的施工，工程量涉及到三個工作井施工、三個接收井施工、五段管段頂進施工和原管道封堵施工。其中施工井決定采用沉井和懸掛式豎井兩種施工方法進行施工，管段頂進決定采用土壓平衡頂管機施工。

該工程屬于地下暗挖工程，施工難度大，施工過程復雜，需要進行表現的細節多。通過對項目的分析決定按照施工的關鍵節點進行施工動畫的分鏡制作，根據對關鍵施工方法的確定制作了如下鏡頭分鏡表：

3.2 文件管理

施工動畫制作過程中所生成的各類文件眾多，如果不能有一個良好的文件管理辦法就會導致制作過程的混亂，也不利于后期的修改。在制作前需要對不同的文件進行統一的分類管理對號入座。

就施工動畫的制作而言一般會產生的文件有3Dmax源文件、maps文件、3Dmax序列幀文件、AE源文件、AE序列幀文件、Vegas源文件、合成輸出文件、音樂文件等，在制作前可以對這些文件進行統一的分類。文件分類如圖2所示。

圖2 文件管理圖

在進行文件管理的同時也要對文件的單位、尺寸、坐標進行規定，比如說本項目的3Dmax文件單位統一使用“米”，坐標采用世界坐標統一歸零，幀率采用25幀/s、圖像格式統一采用png、圖像尺寸統一采用720像素×400像素。

這種文件管理方式通過幾次使用均取得了不錯的效果，一個良好的文件管理方法將使制作過程變得簡潔、流暢、高效，起到事半功倍的效果。

3.3 分鏡制作

3.3.1 片頭

片頭奠定了整個工程動畫的基調，一個好的片頭能夠給觀看者帶來強大的視覺沖擊和強烈的心靈震撼。一般來說作為工程動畫的片頭應力求沉穩大氣，與工程形象相吻合。本片片頭采用3Dmax結合AE進行制作，如圖3所示以衛星環繞地球引出本片題目進入主題的闡述，簡潔干練符合本工程的工程形象。

3.3.2 項目介紹

圖3 片頭

項目介紹力求簡潔明了，本片采用AE對項目的地理位置、基本施工流程在平面地圖上進行了展示，讓觀看者對整個項目的輪廓有了清晰的認識，為下節具體工藝流程的展開奠定了基礎，最終的效果如圖4所示。

圖4 項目介紹

3.3.3 沉井施工

首先對沉井的施工工藝[10]進行分解，沉井的施工工藝流程如圖5所示。

圖5 沉井施工工藝流程圖

沉井施工所用到的模型主要為鋼筋網、墊木、混凝土井壁、挖掘機、推土機、塔吊、混凝土車等。其中鋼筋網、墊木、混凝土井壁通過多邊形建模技術進行構建并為其賦予標準材質，挖掘機、推土機、塔吊、混凝土車可以從相關網站下載或者自己構建簡模，一般來說常用的機械模型可以事先構建模型庫以備需要隨時調用。沉井的施工過程所涉及到的動畫知識相對較為簡單，混凝土的澆筑可以通過3Dmax粒子系統實現，井壁的下沉和接高可以通過位移動畫和切片修改器實現，最終效果如圖6所示。

3.3.4 懸掛豎井施工

懸掛豎井施工[11]所用施工機具模型與沉井施工所用施工機具模型有眾多雷同，動畫種類與沉井施工也差不多，只需注意按施工流程制作即可，懸掛豎井的施工流程如圖7所示。

最終效果如圖8所示。

圖6 沉井施工

圖7 懸掛豎井施工工藝流程圖

3.3.5 頂管施工

頂管施工[12]是比較重要的一個環節，需要進行著力表現。頂管施工的工藝流程如圖9所示。

圖9 頂管施工工藝流程圖

在制作時大部分場景可利用沉井施工的場景，不需要重新進行構建，而只需要構建頂管機械設備即可。頂管機械設備在進行模型構建時可采用標準基本體加多邊形建模的綜合建模技術進行建模并為其賦予標準材質和相關貼圖。其涉及到的動畫部分主要是管節吊裝、管節頂進、刀盤切土。管節吊裝中吊車梁的移動可采用位移動畫，管節吊運可采用鏈接約束，管節頂進可采用運動學動畫和位移動畫，刀盤切土可采用旋轉動畫和粒子系統進行制作。

最終效果如圖10所示。

3.3.6 截污封堵

在新舊管道的連接需要進行截污封堵施工，先將新舊管道打通，然后關閉舊管道閘門，使舊管道的水不再流經廢棄管道，最后在廢棄管道兩段進行封堵以完成施工。

圖10 頂管施工

圖11 截污

截污封堵細節豐富，僅通過三維不利于表現，故采用二維加三維的方式進行處理。如圖11所示先在AE中用平面圖的形式對工程截污的總體流程進行描述，再采用三維對封堵的細節進行表達，如圖12所示。采用三維對封堵的細節進行表達時通過放樣技術構建管道、水體，所用到的動畫主要為材質動畫、Bpied骨骼動畫、切片動畫，其中材質動畫用于描述水體的流動、Bpied骨骼動畫用于描述潛水員的運動、切片動畫用于描述墻體的砌筑過程。

圖12 封堵

3.3.7 項目完工

項目完工時再次總攬全局，展示項目完工時的工程情形。與項目介紹階段的工程概況形成對比，展現出工程施工的最終成果。該部分的制作用AE以平面圖的形式開展，如圖13所示。

3.4 后期特效處理

一部優秀的施工動畫離不開后期處理，在此階段將前面產生的各3Dmax序列幀文件逐一導入到AE中進行后期校色并添加相應的特效，后期處理工作完成后輸出AE序列幀到AE序列幀文件夾中并以其工序名稱命名，同時保存相應的AE源文件到AE文件夾中并以其工序名稱命名。

3.5 剪輯輸出

圖13 項目完工

剪輯輸出是施工動畫制作的最后一個環節，需要在Vegas軟件中進行。制作時將AE序列幀文件夾中的各序列幀文件統一導入到Vegas中進行排序剪輯并為其添加轉場配制字幕和解說詞，其中解說詞的錄制速度控制在3字/s[13]。最后渲染出最終成品，輸出格式可以選擇通用的MP4、MPEG等常用格式，尺寸可根據需要選用720像素×400像素、1024像素×576像素、1280像素×720像素等。

4 結語

利用施工動畫技術研發了頂管法施工全過程的仿真模擬，展現了該工法的重點和難點。并結合研發過程探討了施工動畫的制作流程和技術要領。

相信隨著計算機技術的發展，施工動畫技術不僅會在大項目中普遍應用，在中小型項目中也會推廣開來，為推動土木工程領域的信息化發展注入新的活力，成功的為建設項目增值服務。