三维技术在工程设计中的应用及发展前景

文｜李琳琪

三维动画是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的新兴技术，由于其精确性、真实性和无限的可操作性，被广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等诸多领域。利用三维软件各模块的运用，对水电站工程水工建筑物及施工区地形地貌建立可实时显示的仿真模型，使项目人员能直观清晰的从任意位置及多视角地查看工程概况，对水利工程的设计和施工起着十分重要的作用。

＞＞图1 益地水电站三维动画截频

＞＞图2 抽水蓄能典型设计三维动画截频

中国水电顾问集团中南勘测设计研究院(以下简称“中南院”）在水利水电工程建设中具有显著的成绩，在人才和技术方面一直处于行业领先地位，但在水利工程建设过程中，多以二维方式展示工程进度。在方案介绍及规划设计阶段汇报时，也多采用计算机加投影仪的汇报方式，工程内容以文字报告、表格、扫描图纸和效果图等二维展示形式为主，虽然应用了计算机技术，但是仍然缺乏直观性，尤其对于复杂的工程项目很难达到预期的效果。难以对建筑物及整体工程进行直观模拟，无法展示出技术成果的关键机理和工作流程，对日常汇报、成果推广工作形成阻碍，因此，亟需一种能够生动、形象展现各项工程、技术的方式。

三维动画是虚拟现实技术的重要手段之一，它可将物体的形体、质感、运动、变形表现出来。结合这一技术对水利工程项目进行计算机多媒体制作，能够在工程设计前期对工程的选择方案、重点施工对象、完建后的效果进行虚拟，也可以在工程竣工之后，把深入水下、山体内部等无法用肉眼观察的部分工程内容模拟出来。经过各个角度，不同层次的观测与分析，可找出设计中存在的不足和缺陷，及时纠正工程设计平面图纸和设计报告中存在的问题，为专家的正确决策提供依据。三维动画技术作为一种展现工程设计成果的多媒体表现方式，在指导工程设计和施工中发挥重要作用。

三维动画在水利工程设计中的作用

水利工程的建设过程是一项复杂的系统工程，设计周期长、投资大、主体结构复杂，具有标准化程度低、协同配合要求高等特点，并且专业涉及面广，包括测绘、地质、土木、建筑、机械、给排水等多个专业，各专业之间存在相互联系并相互制约的关系，且各专业的二维图纸表达抽象，其它专业参照非本专业图纸较难理解。因此，在水利工程展示中采用三维动画表达设计意图具有以下几点现实作用：

1）清晰展示工程建筑物主体结构。三维动画可从多视角将工程建筑的结构、材质、布置准确的表达出来，在模型基础上，能任意观察如坝工、厂房专业建筑结构。相较于用工程图纸加上说明的表达形式，更能直观地让人感受到工程建筑的形态，突破了二维的局限性（图1-2）。

＞＞图3 抽水蓄能典型设计地下厂房三维动画截频

2）明确展示各专业的设备布置。水利工程厂房专业中布置了如电气、暖通、水机等各专业设备，一般二维展示只能根据各个专业的相关图纸做基本位置的介绍，通过数字标高识别各设备布置的高程。通过三维动画展示，能清楚表达各个专业在真实场景中相互交错的关系（图3），一些本身具有运动工作性质的设备，还能模拟其工作过程，并真实表达出来。

3）直观展示水利枢纽的工作原理及施工过程。通常为了说明重要的技术点，用简单的示意性的平面图形来反映复杂的原理过程，不容易表达清楚三维空间上的真实内容，同时要求工作人员具备良好的抽象理解能力和很强的专业知识。用动画表现动态的水利枢纽、说明水利工程的工作原理、施工过程等技术要点是非常直观而清晰的，也是对重点工程项目的技术、工艺阐释的深化和重要延伸（图4-7）。

＞＞图4 桃源水电站砂混系统三维动画截频

＞＞图5 托巴水电站砂混系统三维动画截频

＞＞图6 抽水蓄能典型设计尾闸室三维动画截频

＞＞图7 抽水蓄能典型设计母线洞三维动画截频

三维动画制作流程

三维动画是借助计算机对所表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景，为模型赋予特定材质，设置模拟灯光，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，通过计算机的自动运算生成一组静态图片，将这些静态图像高速播放，从而对人眼来说产生动态效果，之后添加字幕、图像、音频等效果，最后得到工程演示动画，基本流程如图（图8）。实现三维动画流程的软件模块主要有 Architecture、Structural、GEOPAK 、MicroStaion的渲染模块以及后期处理软件After Effects等，可根据需要，结合各软件的优势，综合利用。

＞＞图8 三维动画制作流程

＞＞图9 各专业模型建造

模型的建造。基于中南院三维可视化协同设计平台，利用MicroStaion基础软件和包括测绘、地质、建筑、结构、管路、电气、暖通、给排水、校审和全生命周期数据管理等涵盖水电设计所有专业的专业模块的强大功能，各个专业能同时进行模型建造，并实时协同。相较于传统建模软件如Sketchup、3DMAX等更能精准、快速地完成模型建造。利用MicroStaion软件的优势，最终能得到尺寸精确、细致、仿真度极高的如坝区地形、挡水建筑物、通航建筑物、地下厂房模型、施工场地、公路等工程模型（图9）。

材质及灯光的选择。材质的处理，可在MicroStaion中的渲染模块用软件自带的材质，也可根据需求，替换任意其他材质，其操作简单便捷。

＞＞图10 纹理不同的混泥土材质

＞＞图11 纹理不同的地面石材

三维动画与水利工程建筑物相关的材质种类不多，主要有混凝土、钢筋、石头等材质。由于水工建筑物的结构较为复杂，但真实场景中材质的同一种色调在三维展示中运用略显单调，并且难以清晰的表现建筑物各部分的衔接情况。为此，对同一种材质也需收集多种颜色或纹理不同的样本（图10-11）。

灯光方面可利用MicroStaion中的渲染模块功能模拟室内、室外多种光源，表达形式也多样化，如点光源、线光源、片面光源、太阳光源等。各专业结构及布置情况展示的三维动画对灯光的要求并不高，只需确保所展示建筑物清晰可见，具有少量阴影即可。外部场景则需要对灯光的色彩、强度、衰减、阴影等方面进行详细考虑，以达到仿真效果。

路径的编辑及动画设置。三维动画的最大优点，就是能多角度查看工程场景，在现实中无法拍摄的角度，在三维动画中能轻松展现，只需在场景中设置好行进路径，并设置相机位置及目标点位置。在水利工程建筑中，室内展示受到建筑布局及结构的影响，可能出现视角被遮盖，行进过程中遇到专业设备阻拦，或者是俗称“撞墙”等情况，为了能使建筑及专业设备能更好的被观看，有时会根据场景需要，对建筑物进行剖切、隐藏墙体或半透明化处理以达到最佳的展示效果（图12-14）。

渲染输出及后期合成。渲染输出时根据三维动画场景的时间长短，单张图片为一帧，以每秒25帧形成动态效果。MicroStaion能进行渲染输出连续的静态图片，渲染则全由计算机自动操作。后期合成是将渲染输出的图片素材进行加工处理，添加文字、标注、颜色显示框甚至声音效果等，之后合成AVI、MOV等视频格式的动画，这一步骤主要在After Effects后期处理软件及Adobe Premiere视频编辑软件中完成。后期合成是水利工程三维动画制作较为重要的一部分，能在三维动态展示的基础上，添加更为清楚的解说及标识。

＞＞图12 三维动画中隐藏墙体效果

＞＞图13 三维动画中剖切效果

＞＞图14 三维动画中半透明化效果

三维动画在水利工程中的实际应用

中南院根据勘测设计技术市场及业主的需求，2010年底成立了数字工程中心，其中三维室主要推广三维可视化协同设计，以各水利工程项目如托巴水电站、蟠龙抽水蓄能电站、溧阳抽水蓄能电站、桃源水电站、抽水蓄能典型设计等为依托（图15-18），在协同平台上利用三维建模，成功地将工程项目从二维转化为三维，模拟出真实、精确的现实工程。在此基础上，将模型以三维动画的形式展示出来，更直观阐述工程技术原理，促进科研开发与成果推广工作进一步提升。

＞＞图15 桃源水电站主厂房三维动画截频

＞＞图16 抽水蓄能典型设计主厂房三维动画截频

＞＞图17 托巴水电站三维动画截频

＞＞图18 蟠龙抽水蓄能三维动画截频

在水利工程的设计过程中使用三维动画技术，为设计者提供具有真实感的三维视觉模型，以便在工程设计阶段即可在计算机上看到工程的未来景象，阶段性成果汇报中也有展示性强的汇报素材。借助计算机三维模型可以对设计方案进行可视化分析和评价，从而检验设计方案是否得当，枢纽布置是否合理等。三维可视化，具有高效、直观的特点，在水利水电工程中应用可视化仿真技术，将有助于推动水利水电工程向数字化、可视化和智能化方向发展。