三维动画技术在水利工程设计中的应用

黄锌 彭嫣

《水利水电工程水力机械设计技术研究》一书针对水利水电工程中水力机械设计进行研究，论述了引水径流式水电站混流式机组、河床式水电站灯泡贯流机组、引水式电站冲击式机组水力机械主机选型和水力机械辅机系统设计;对中高扬程水泵站和低扬程水泵站主泵选型与辅机系统设计的经验及技术进行了研究;针对多泥沙水电站水力机械磨蚀情况，提出了抗磨蚀的解决办法及技术建议，还对水利工程设计中计算模型的建立与方法进行了研究。全书分为五个章节，分别为水电站主机选型及水力机械系统设计、水泵站主泵选型及水力机械系统设计、水电站水轮机抗磨蚀、水电站技术改造以及水电站、泵站过渡过程技术研究。《水利水电工程水力机械设计技术研究》一书提出，水利工程设计是一项极其复杂的工作，其中涉及海量数据信息，因此水利工程设计需要较高的规划设计水平和先进的技术手段。在水利工程设计中，单纯依靠人力对数据、信息进行测量、采集、计算，则必然无法在工期内完成。因此，基于提高水利工程设计所需数据信息的采集速度与质量，保证水利工程设计能够符合检验标准，在水利工程设计中运用计算机技术势在必行。为了获得更加可靠的数据，且利用数据分析得出更加准确的结果，可以运用三维动画技术来开展设计。三维动画技术在水利工程设计中的运用，不仅能够使得水利工程设计符合标准，还能够有效提升设计效率与质量。

《水利水电工程水力机械设计技术研究》一书提出，在工程建设行业中三维动画设计是其发展的必然趋势，只有直观生动的三维动画设计才能够让缺乏工程技术知识、不熟悉平面布置结构的人通过三维动画模型来交流设计理念，沟通设计思路，打造更理想的设计方案。基于三维动画设计的工程设计能准确表达工程设计人员的设计意图与目的，且符合人们的思维习惯，让设计人员可以全神贯注于设计本身，而不是二维图纸的绘制。三维动画技术能够生成用于开展有限元分析的数据，从而进行几何形状设计优化，进而实现CAD、CAE、CAM等软件的集合。三维动画设计可以利用设计成果的三维模型投影自动生成二维设计图，若对三维模型进行修改，则二维工程图可自动更新。且三维动画设计可以利用着色与渲染功能来获得水利工程的三维效果图，不需要额外制作模型就可以使人全面、准确地了解水利工程外观，有助于设计方案的调整与决策，从而加快水利工程设计审批速度，推动水利工程建设顺利开展。三维动画设计还能够根据设计需求快速得出水利工程的体积、质量、重心等参数，对水利工程成本进行预算，实现设计、预算一体化，全面推动水利工程设计改革。

三维动画之所以能够在建筑工程设计中普及应用，是因其拥有传统二维平面设计难以比拟的优越性。三维动画技术应用在水利工程设计中的主要价值在于能够充分参与到水利工程设计的各个环节中去，便于开展密切的沟通交流与协调，避免因展示不全面、沟通不畅而导致的设计问题，且能提高水利工程设计的质量与效率。传统二维设计形式在水利工程设计中无法实现CAD、CAE、CAM等软件一体化输出，无法保证设计周期，且在设计过程中难以进行全面彻底的检查，如需要变更设计，难度较大。基于二维设计下的水利工程设计流程是线性的，如其中任意部分改动都会导致其他部分的变动，因此只有等所有部门都完成设计改动后才能完成最后的设计工作。二维平面设计呈现出明显的平面性与间接性，主要是通过平面视图与投影等方式来展现水利工程的外形与内部建筑结构，无法得到水利工程的三维轴测图纸、开挖图纸等。而三维动画应用在水利工程设计中优势较为明显，主要表现在以下几个方面：一是三维动画设计在宏观上简化了水利工程设计与建设过程中的绘图与读图过程，能够有效节约生产成本，且能够实现CAD、CAE、CAM等软件的一体化输出。二是三维动画设计过程中能够在短时间内掌握设计意图，较为便捷，可以提高水利工程设计效率，且三维动画设计软件可以进行全面的检查，降低设计出错的概率。后期修改也较为便捷，能够有效提升设计质量。相比二维设计来说，三维动画设计流程为交互并行状态，如某部分出现改动，则最终设计成果会自动更改，且设计数据与成果均为多部门共享，能够有效提升三维设计效率。三是三维动画设计成果是立体的，人们可以通过三维动画立体造型来直观感受水利工程建筑的外观与内部结构，所见即所得。三维动画设计下的图纸可视性较强，可以直接通过三维模型获得二维图纸。整体来看，三维动画设计在水利工程设计中对结构与外观的描述更加真实准确，能够展现出强大的设计优势。三维动画设计能够实现可视化设计，可以显著减少设计校对时间与工作量。三维动画设计克服了二维平面设计中的各种缺陷，是计算机技术、互联网技术进步背景下水利工程设计的必然发展趋势。

水利工程设计在选择设计软件的过程中需要从自身实际需求入手，选择与自身实力相匹配，能够高质量、高效率完成设计的软件，主要需要考虑以下几个方面：一是水利工程的性质、规模;二是水利工程的系统性与集成性，要考虑水利工程数据库、数据结构特点等;三是工程化、实用化;四是开放性，用户操作界面友好，拥有齐全的外部接口并支持工业标准。对于大多数水利工程来说，所需的三维动画设计软件需要综合CAD、CAE、CAM为一体。在众多软件中，CATIA较为适用于水利工程设计，其具有良好的开放性与兼容性。

现以CATIA软件为例分析三维动画在水利工程设计中的运用。CATIA是法国达索公司设计产品，拥有先进的混合建模技术，其中所有模块都具有相关性，所营造的并行工程设计环节能够有效缩短设计周期，且能够覆盖水利工程设计的整个过程。第一，CATIA的主要模块。CATIA的应用功能十分强大，可以分为曲面设计、内部结构设计、施工工程与知识工程四大部分。一是曲面设计模块。曲面设计模块在水利工程设计中应用，主要可以实现以下几个功能：对水利工程设计中涉及的各类地形、地质问题进行合理解决或处理，如水利工程設计中较为复杂的曲面、曲面变形、逆向工程等处理;在应用过程中还可以对三维建模过程中的地质数据进行导入处理，以形成地质建模数据;利用水利工程地质建模的相关数据进行计算分析，以保证水利工程设计中地质、水工等方面信息数据得以平衡，具有较高的应用价值。二是内部结构设计模块。内部结构设计模块在水利工程设计中主要针对水利工程部件选择与运用的合理设计，可以实现难度较大的曲面设计工作。另外，还能够完成数据的模板化设计，为水利工程的建模打造直观形象的环节。对于水利工程设计的过程与方法能够进行捕捉与重建，从而提高水利工程设计效率与质量。三是施工工程模块。施工工程模块在水利工程设计中主要用于解决水利工程整体布置问题，可以完成曲面、地质设计等运算，能够对水利工程设计进行全面计划，并对各个结构之间的关系进行平衡。四是知识工程模块。知识工程模块在水利工程设计中主要用于对模板化的问题进行处理，在CATIA中加入设计规则，为后续水利工程设计奠定基础，使得水利工程设计更加科学合理。第二，CATIA在水利工程设计中的应用。一是零部件设计。水利工程的零部件设计就是对水利工程内部的各模块进行实体化的造型设计。首先，需要对水利工程中的模块进行初步绘制，即在掌握水利工程设计要求的基础上对内部各个模板进行二维图绘制;其次，运用CATIA中预设的零件设计模块来对模块进行造型设计，且根据零件外形之间存在的拓扑关系明确其相应特点，进行模型制作;最后，根据水利工程设计要求对模块的辅助特点进行加工处理，从而完成零部件的设计工作。二是装配设计。装配设计流程首先是利用CATIA中的对称工具来对零部件进行复制，以加快模型导入速度;其次，在明确各零部件装配关系的基础上对零部件进行细节处理，如对零部件的角度、间距等进行细节处理，这一过程需要对零部件的位置与细节进行细致的校对、检查，以保证零部件的适用性;最后，对零部件组装过程中存在的缺陷进行校验，保证零部件在装配过程中不会出现矛盾与冲突，如在校验过程中发现问题，则需要及时进行调整与处理。三是数据管理。CATIA中的VPM模块可以对水利工程设计中的相关数据进行管理，其主要作用在于将水利工程数据源存储至数据库与电子仓库的服务器中，并根据数据的属性、类别与命名进行统一归类管理，对水利工程设计的模型版本进行更新、规划等。VPM模块能够为不同用户设置访问权限与角色，针对不同数据设置相应的访问权限，以保护数据安全。整体来看，VPM模块犹如数据库，对水利工程设计中的数据进行管理。最初VPM是独立运行的，但伴随着CATIA的广泛应用，VPM模块便与CATIA相结合，一同开展水利工程设计。VPM模块可以快速查询CATIA中的各项数据，还能够对水利工程的结构与零部件设计进行分析。不论是结构简单亦或是复杂的数据项目，均可以运用VPM模块进行分析，掌握CATIA中存储的关于水利工程设计的数据联系。

综上所述，水利工程设计作为三维立体空间结构设计，虽然在初期设计中采用的是平面投影图、剖面图等工程图纸，但设计人员脑海中所构思的是三维结构。在水利工程设计中运用三维动画设计，直接生成三维结构模型，能够更加全面、直接地展现水利工程结构的空间状态，展示水利工程建筑结构中的空间关系，对水利工程施工量进行更加准确、更加全面的计算，且可以按照相应的规则来明确结构面的形状，减少不必要的参数录入，使得水利工程设计更加高效、更加便捷。

作者简介：黄锌（1985—），女，湖南长沙人，湖南大众传媒职业技术学院视觉艺术学院讲师，研究方向为影视动画

彭嫣（1987—），女，湖南益阳人，湖南大众传媒职业技术学院科研处政工师，研究方向为动漫设计