三維動畫技術在水利工程設計中的應用
——評《軟土水利基坑工程的設計與應用》

趙善利

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

隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，三維動畫技術得以在諸多行業(yè)、領域得到應用，并被引入水利工程設計中。三維動畫技術在水利工程設計中的應用，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、建設周期長及結(jié)構復雜等特征，涉及面廣，而通過在水利工程決策階段或建設前期引入三維動畫技術，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。三維動畫技術憑借其諸多優(yōu)勢，近年來得以在水利工程設計中得到廣泛應用。三維動畫技術是一項呈現(xiàn)工程設計成果的多媒體表現(xiàn)方式，其同時還可用于指導工程設計及施工。依托對工程各個結(jié)構、局部場景的精準建模，從多個角度、層面進行觀察分析，可找出工程設計中存在的不足之處，進而及時解決工程設計中存在的問題。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計與應用》一書，對三維動畫技術在水利工程設計中的應用展開研究探討。

由吳睿主編的《軟土水利基坑工程的設計與應用》一書，既可作為從事基坑工程施工、監(jiān)理、監(jiān)測等的技術人員和高等院校相關專業(yè)師生學習使用，還可供從事基坑工程設計尤其是軟土水利基坑設計的技術人員學習參考。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計理論和方法，并從滿足設計人員知識結(jié)構要求的角度，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計與應用》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計，涉及軟土水利基坑工程的基本形式與方案設計原則、基坑穩(wěn)定性驗算、重力式擋墻圍護結(jié)構的設計、圍護結(jié)構內(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，涉及基礎理論概述、監(jiān)測儀器和方法、監(jiān)測方案設計等內(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)濟基礎設施的重要組成部分，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)二維設計軟件，三維動畫的優(yōu)點主要表現(xiàn)為：其一，設計成果直觀清晰，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系，進一步提高使用者的認知水平，為設計工作提供諸多便利。其二，參數(shù)化設計，可實現(xiàn)重復利用，便捷修改。參數(shù)化設計指的是將設計的各項要素轉(zhuǎn)化為某一函數(shù)的變量，依托轉(zhuǎn)變函數(shù)來獲取不同的設計方案。參數(shù)化設計使設計人員對設計內(nèi)容所做的任意改變均可自動在其對應的部分予以呈現(xiàn)。構件的刪除、移動以及尺寸的調(diào)節(jié)所造成的參數(shù)轉(zhuǎn)變，均使得對應構件的參數(shù)發(fā)生相關聯(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)同設計提供便利，提高工作效率。水利工程設計涉及多個專業(yè)，不同專業(yè)相互間的溝通配合至關重要。傳統(tǒng)二維設計環(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計失誤。在三維動畫技術支持下，不同專業(yè)的技術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。最為關鍵的是將不同專業(yè)的設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，在開展設計工作時，不同專業(yè)設計既可逐一開展，也可在相互間進行有效溝通后同步開展，提高了設計效率。綜上，三維動畫技術具備一系列傳統(tǒng)二維設計軟件無法比擬的優(yōu)點，表現(xiàn)出廣泛的應用前景，但因為三維動畫技術依舊處在發(fā)展階段，設計經(jīng)驗有待積累，標準欠缺，還需要進一步投入相應的人力物力進行推廣。

三維動畫技術作為虛擬現(xiàn)實技術的一項重要技術手段，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)。借助該項技術對水利工程項目開展計算機多媒體制作，可在工程設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，找出工程設計中存在的問題與不足，為設計提供有力依據(jù)。三維動畫技術作為一種呈現(xiàn)工程設計成果的多媒體表現(xiàn)方式，在水利工程設計中可發(fā)揮至關重要的作用，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、材質(zhì)等，在模型支撐下，可實現(xiàn)對廠房、壩體等建筑結(jié)構的便捷觀察。其二，實現(xiàn)對各專業(yè)設備布置的直觀呈現(xiàn)。通過三維動畫技術，可直觀呈現(xiàn)水利工程廠房中設置的各類專業(yè)設備，并明確不同專業(yè)設備在實際場景中所存在的相互關系，為工程設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，由此還可作為相關工程項目技術、工藝研究的有效延伸。

近年來，三維動畫技術在水利工程設計中得到了越來越廣泛的應用。水利工程設計三維動畫的制作，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包括細分建模技術、基礎投影建模技術等。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。對一個動畫場景開展燈光設置不單是為了展示場景細節(jié)，同時還應當注重營造出一定的藝術效果，比如合理的明暗對比，需要由燈光營造出相應的氛圍，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。這一技術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，主光源設置應當盡可能防止從物體正面進行照射，而應當從物體側(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)，在三維動畫技術中，表示關鍵狀態(tài)的幀稱作關鍵幀。在兩個關鍵幀之間，計算機自動完成過渡畫面的幀稱作過渡幀。關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，應用相關視頻編輯軟件，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，在水利工程設計中引入三維動畫技術，可為技術人員提供確切真實的三維視覺模型，在水利工程實際設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計方案開展直觀分析、評價，進一步檢測設計方法合理與否、樞紐設置合理與否等。三維動畫技術具有直觀、高效的特征，在水利工程設計中的應用可促進水利工程設計不斷向可視化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。《軟土水利基坑工程的設計與應用》一書為我們系統(tǒng)梳理了軟土水利基坑工程的設計與應用，為三維動畫技術在該領域的應用提供了技術支撐。