三維動畫技術(shù)在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用
——評《軟土水利基坑工程的設(shè)計與應(yīng)用》

趙善利

吳 睿等著中國水利水電出版社出版ISBN：9787508410838定價：￥193.00

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維動畫技術(shù)得以在諸多行業(yè)、領(lǐng)域得到應(yīng)用，并被引入水利工程設(shè)計中。三維動畫技術(shù)在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用，可實現(xiàn)對水利工程三維模型的精確建立，實現(xiàn)對水利工程形態(tài)的具體模擬，進而全面呈現(xiàn)水利工程的建筑物形態(tài)、運行及施工過程等。水利工程具有投資大、建設(shè)周期長及結(jié)構(gòu)復雜等特征，涉及面廣，而通過在水利工程決策階段或建設(shè)前期引入三維動畫技術(shù)，便可實現(xiàn)對水利工程項目中存在的問題進行有效評估并提供解決方案。三維動畫技術(shù)憑借其諸多優(yōu)勢，近年來得以在水利工程設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。三維動畫技術(shù)是一項呈現(xiàn)工程設(shè)計成果的多媒體表現(xiàn)方式，其同時還可用于指導工程設(shè)計及施工。依托對工程各個結(jié)構(gòu)、局部場景的精準建模，從多個角度、層面進行觀察分析，可找出工程設(shè)計中存在的不足之處，進而及時解決工程設(shè)計中存在的問題。除此之外，在工程竣工后的運行管理階段，依托三維動畫還可實現(xiàn)對各項設(shè)施運行過程及運行效果的直觀監(jiān)測。基于此，結(jié)合《軟土水利基坑工程的設(shè)計與應(yīng)用》一書，對三維動畫技術(shù)在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用展開研究探討。

由吳睿主編的《軟土水利基坑工程的設(shè)計與應(yīng)用》一書，既可作為從事基坑工程施工、監(jiān)理、監(jiān)測等的技術(shù)人員和高等院校相關(guān)專業(yè)師生學習使用，還可供從事基坑工程設(shè)計尤其是軟土水利基坑設(shè)計的技術(shù)人員學習參考。作者從軟土水利基坑工程特征出發(fā)，全面論述了軟土水利基坑工程的設(shè)計理論和方法，并從滿足設(shè)計人員知識結(jié)構(gòu)要求的角度，介紹了軟土水利基坑工程的施工及其質(zhì)量控制，施工過程中的監(jiān)測和環(huán)境保護等內(nèi)容，并引入了4個軟土水利基坑工程的實例。《軟土水利基坑工程的設(shè)計與應(yīng)用》一書共六章，第一章為概論部分，涉及軟土水利基坑工程的發(fā)展、軟土水利基坑工程的特殊性等內(nèi)容；第二章論述了軟土的工程性質(zhì)及土壓力計算，涉及工程勘察和測試、土壓力計算等內(nèi)容；第三章論述了軟土水利基坑工程的設(shè)計，涉及軟土水利基坑工程的基本形式與方案設(shè)計原則、基坑穩(wěn)定性驗算、重力式擋墻圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計、圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算等內(nèi)容；第四章論述了軟土水利基坑工程的施工和質(zhì)量檢測，涉及邊坡降水和開挖、水泥土攪拌樁和SMW工法施工、鉆孔灌注樁的施工、板樁施工等內(nèi)容；第五章論述了監(jiān)測與環(huán)境保護，涉及基礎(chǔ)理論概述、監(jiān)測儀器和方法、監(jiān)測方案設(shè)計等內(nèi)容；第六章是工程實例部分，涉及木瀆港泵閘工程基坑工程、張家塘泵閘樞紐工程基坑圍護、上海化學工業(yè)區(qū)二級排水工程一期泵涵基坑圍護工程等內(nèi)容。該書針對實際工程設(shè)計中就施工質(zhì)量、施工監(jiān)測、環(huán)境保護等諸多方面所提出的相關(guān)要求及建議都是十分有價值的。另外，該書做到了理論與實踐的有效結(jié)合，由此可促進對相關(guān)工程實際問題的有效解決。

水利工程作為我國國民經(jīng)濟基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，長期以來是我國重點發(fā)展的方向。水利工程不論是其建筑結(jié)構(gòu)還是所處地形均存在一定的特殊復雜性，二維圖紙可傳遞的信息量十分有限，不僅對施工技術(shù)人員空間想象能力提出了較高的要求，而且會造成較大的人力物力浪費。相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計軟件，三維動畫的優(yōu)點主要表現(xiàn)為：其一，設(shè)計成果直觀清晰，便于使用者理解運用。三維動畫不僅可提供傳統(tǒng)的平面圖紙，還可呈現(xiàn)三維模型，可從不同方位、層次呈現(xiàn)工程的整體面貌或者局部特征，描述建筑物與周邊環(huán)境、其他建筑物相互間的空間邏輯關(guān)系，進一步提高使用者的認知水平，為設(shè)計工作提供諸多便利。其二，參數(shù)化設(shè)計，可實現(xiàn)重復利用，便捷修改。參數(shù)化設(shè)計指的是將設(shè)計的各項要素轉(zhuǎn)化為某一函數(shù)的變量，依托轉(zhuǎn)變函數(shù)來獲取不同的設(shè)計方案。參數(shù)化設(shè)計使設(shè)計人員對設(shè)計內(nèi)容所做的任意改變均可自動在其對應(yīng)的部分予以呈現(xiàn)。構(gòu)件的刪除、移動以及尺寸的調(diào)節(jié)所造成的參數(shù)轉(zhuǎn)變，均使得對應(yīng)構(gòu)件的參數(shù)發(fā)生相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)變，所有視圖下所發(fā)生的變化均可參數(shù)化、雙向傳播至各個視圖，從而確保所有視圖的統(tǒng)一性，而無須分別對各個視圖進行修改調(diào)整。其三，為各專業(yè)協(xié)同設(shè)計提供便利，提高工作效率。水利工程設(shè)計涉及多個專業(yè)，不同專業(yè)相互間的溝通配合至關(guān)重要。傳統(tǒng)二維設(shè)計環(huán)境下，不同專業(yè)相互間的交流通常要反復開展，甚至在工程實施過程中會出現(xiàn)因為溝通不到位而造成設(shè)計失誤。在三維動畫技術(shù)支持下，不同專業(yè)的技術(shù)人員均可對工程有直觀的了解，由此為相互間的溝通帶來極大的便利。最為關(guān)鍵的是將不同專業(yè)的設(shè)計成果集中于同一三維動畫中，進而可消除一系列諸如高程、尺寸等不相符的問題。此外，在開展設(shè)計工作時，不同專業(yè)設(shè)計既可逐一開展，也可在相互間進行有效溝通后同步開展，提高了設(shè)計效率。綜上，三維動畫技術(shù)具備一系列傳統(tǒng)二維設(shè)計軟件無法比擬的優(yōu)點，表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，但因為三維動畫技術(shù)依舊處在發(fā)展階段，設(shè)計經(jīng)驗有待積累，標準欠缺，還需要進一步投入相應(yīng)的人力物力進行推廣。

三維動畫技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一項重要技術(shù)手段，其可實現(xiàn)對物體的形體、運動、質(zhì)感等方面的有效呈現(xiàn)。借助該項技術(shù)對水利工程項目開展計算機多媒體制作，可在工程設(shè)計前期對工程的方案選擇、重點施工對象等予以虛擬處理，還可在工程竣工后，對深水中、山體內(nèi)等難以直觀呈現(xiàn)的相關(guān)工程內(nèi)容進行模擬，依托不同角度、不同層次的觀測分析，找出工程設(shè)計中存在的問題與不足，為設(shè)計提供有力依據(jù)。三維動畫技術(shù)作為一種呈現(xiàn)工程設(shè)計成果的多媒體表現(xiàn)方式，在水利工程設(shè)計中可發(fā)揮至關(guān)重要的作用，具體而言：其一，實現(xiàn)對工程建筑物主體結(jié)構(gòu)的明確呈現(xiàn)。三維動畫可從不同角度呈現(xiàn)工程建筑的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等，在模型支撐下，可實現(xiàn)對廠房、壩體等建筑結(jié)構(gòu)的便捷觀察。其二，實現(xiàn)對各專業(yè)設(shè)備布置的直觀呈現(xiàn)。通過三維動畫技術(shù)，可直觀呈現(xiàn)水利工程廠房中設(shè)置的各類專業(yè)設(shè)備，并明確不同專業(yè)設(shè)備在實際場景中所存在的相互關(guān)系，為工程設(shè)計工作提供可靠依據(jù)。其三，實現(xiàn)對工程運行原理及施工過程的動態(tài)呈現(xiàn)。通過三維動畫，可動態(tài)呈現(xiàn)水利工程的運行及施工過程，由此還可作為相關(guān)工程項目技術(shù)、工藝研究的有效延伸。

近年來，三維動畫技術(shù)在水利工程設(shè)計中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。水利工程設(shè)計三維動畫的制作，通常要經(jīng)過以下過程：其一，建立模型。即從一個基本結(jié)合物著手，引入各式各樣的建模命令、方法以建立起最終模型的過程。現(xiàn)階段，結(jié)合水利工程建筑物模型特征，較為常用的建模技術(shù)包括細分建模技術(shù)、基礎(chǔ)投影建模技術(shù)等。其二，材質(zhì)賦予。建模完成后，渲染獲取的畫面與實際物體還存在一定差異，這是因為尚未為模型賦予真實的材質(zhì)、紋理。材質(zhì)、紋理作為三維動畫制作的關(guān)鍵要素，可結(jié)合實際需求，為該階段的模型賦予材質(zhì)，進一步增強模型的真實感。其三，燈光布設(shè)。對一個動畫場景開展燈光設(shè)置不單是為了展示場景細節(jié)，同時還應(yīng)當注重營造出一定的藝術(shù)效果，比如合理的明暗對比，需要由燈光營造出相應(yīng)的氛圍，由此要求對燈光強度、光源所處部位等進行合理調(diào)節(jié)。對于三維動畫制作而言，可采用一種快速高效的布光方法，也就是兩點布光技術(shù)。這一技術(shù)使用多種不同場景的燈光照明，諸如水工建筑物、科研示范工程等。兩點布光法主要包括主光源、輔助光源。其中，主光源可發(fā)揮照亮場景的作用，同時可為物體投射陰影，倘若需要對太陽光進行模擬，則需要運用無線平行光，主光源設(shè)置應(yīng)當盡可能防止從物體正面進行照射，而應(yīng)當從物體側(cè)面開展布光；輔助光源主要是對表面沒有被主光源照射到的陰暗部位予以補光，防止暗部細節(jié)的缺損。通常情況下，輔助光源亮度設(shè)置要顯著低于主光源，并且不投射陰影，通常在與主光源對稱位置開展布光。其四，關(guān)鍵幀動畫。幀，即影像動畫中單幅影像畫面。影片是由若干連續(xù)的圖片組成的，每張圖片即為一幀，連續(xù)的幀即可形成動畫。幀數(shù)為在1秒時間中對應(yīng)傳輸?shù)膱D片幀數(shù)，可用fps表示。人眼視覺暫留時間為1/24秒，只要不超過這個時間，人眼所看到的便是連續(xù)畫面。我國現(xiàn)階段采用的是帕爾制制式標準，即每秒25幀。在三維動畫制作中，運用的是25幀/秒。不管是哪一種動畫，要想表現(xiàn)運動或者變化，前后最少要提供兩個不一樣的關(guān)鍵狀態(tài)，而中間狀態(tài)的轉(zhuǎn)變及銜接，可由計算機自動實現(xiàn)，在三維動畫技術(shù)中，表示關(guān)鍵狀態(tài)的幀稱作關(guān)鍵幀。在兩個關(guān)鍵幀之間，計算機自動完成過渡畫面的幀稱作過渡幀。關(guān)鍵幀動畫是三維動畫制作中較為常用的一種方法，其實際上為展現(xiàn)隨時間而轉(zhuǎn)變的動畫數(shù)值的過程。而三維動畫制作中關(guān)鍵幀動畫即動畫過程的兩端，中間幀的動作是通過計算機實現(xiàn)的。其五，渲染輸出。在三維動畫制作中，渲染輸出指對三維動畫場景自動輸出圖片的過程。模型、材質(zhì)、燈光等設(shè)置完畢，便要開展渲染輸出工作。渲染輸出主要憑借計算機自主運算進行，渲染以幀為單位，每渲染一幀需要用時2分鐘，渲染出一秒的三維動畫便需要50分鐘。其六，動畫合成。渲染輸出完畢，目標文件夾中均為圖片文件，一幀對應(yīng)一張圖片，還沒有生成視頻文件。在此期間，要求將所有圖片傳輸至視頻編輯合成軟件，應(yīng)用相關(guān)視頻編輯軟件，對動畫開展處理、合成，便可獲取最終的視頻格式動畫。

總而言之，在水利工程設(shè)計中引入三維動畫技術(shù)，可為技術(shù)人員提供確切真實的三維視覺模型，在水利工程實際設(shè)計過程中不僅可通過計算機了解到工程的未來景象，階段性成果匯報中也可呈現(xiàn)具有良好應(yīng)用價值的匯報信息。另外，依托計算機三維模型可對水利工程設(shè)計方案開展直觀分析、評價，進一步檢測設(shè)計方法合理與否、樞紐設(shè)置合理與否等。三維動畫技術(shù)具有直觀、高效的特征，在水利工程設(shè)計中的應(yīng)用可促進水利工程設(shè)計不斷向可視化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。《軟土水利基坑工程的設(shè)計與應(yīng)用》一書為我們系統(tǒng)梳理了軟土水利基坑工程的設(shè)計與應(yīng)用，為三維動畫技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。