3dsMax建模及轻量化在河钢唐钢三维工厂运维仿真的应用

李孟达，杜汉强，张丽丽

（1.唐钢国际工程技术有限公司，河北 唐山 063000；2.唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

0 引言

随着新一代智能工厂标准出台，要求钢铁行业向智能制造、绿色制造进一步完善，而建设数字化钢厂是实现钢铁企业智能制造的必经之路[1]。加快发展智能制造，对于推动我国制造业供给侧结构性改革，打造我国钢铁行业整体竞争优势，完成从钢铁大国向钢铁强国的转变具有重要战略意义。唐钢新区旨在打造基于unity引擎的数字化管理平台，以三维可视化模型为载体，实现整个生产工艺流程的数字化，而其中最关键的一步就是将BIM模型转换成.max格式，通过3dsMax进行大量的重新建模、点面优化处理，从而为实现唐钢新区智能化生产奠定基础。

1 项目概述

1.1 项目介绍

唐钢新区建设地点位于唐山市乐亭经济开发区，本项目的主体实施范围包括唐钢新区一期的主体工艺设施，包括料场、球团、烧结、炼铁、炼钢、冷轧等模型信息，堆取料机、球团带式焙烧机、烧结机、高炉、转炉等大型生产设备及主要公辅设施（煤气柜、水泵房、空压站等）。

1.2 项目的目标及意义

唐钢新区数字化工厂是指以数字化方式再现真实的实体或系统，其关键技术就是对物理对象的数字化处理，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程[2]。

数字化工厂也用来指代将一个工厂的厂房及产线进行数字化处理，在没有建造之前，就完成数字化模型，从而在虚拟的空间中对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设，从而在工厂生产线建成之后，实现对工厂的能源、设备、仪表、管线的动态管理和监控，将运维数据与三维模型融合，形成可视化的资产运维管理和数据互联平台，用户可以借助系统在日常的运维中进行信息交互，全线贯通前期的工程设计，施工建设和后期的运维管理[3]，协助工厂的运维管理人员全面了解产线的每一个细节。

1.3 三维建模技术分析

BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图等八大特点[4]。当前主要建模技术主要有以下几种。

1）Revit和bentely软件均基于BIM模型，目的是建筑信息管理，定位为完成整个建筑项目的设计，包括方案设计、成果输出等，由于其数据精准，导致其在平台加载中有卡顿现象，可视化只是其附带的作用。

2）MAYA被视为CG的行业标准，是世界上最强大的整合3D建模、动画、效果和渲染的解决方案。由于其模型过于精细细腻，多数都应用在角色绘制及动画、运动化模拟，虽然能实现需求，但性价比不高，操作难度较大。

3） 3dsMax工作方向主要面向建筑模型动画和室内设计，其定位是进行建筑可视化表现，易学易用，性价比高，与引擎软件结合是当前三维工厂平台的一种最常见的应用形式。

本文针对唐钢新区模型详细而复杂的现状，提出了一种基于3dsMax平台的模型轻量化与重构的方法，先将不同格式的BIM模型转成相同中间格式，再通过在3dsMax对于模型多余的点、线、面等元素进行修改和重置，从而达到模型轻量化处理的目的，实现数字化工厂平台上模型的流程便捷展示。

2 3dsMax建模

2.1 3dsMax介绍

3dsMax是由全球第五大PC软件公司研制开发的一款基于PC系统的3D动画渲染及制作软件，该软件的前身是3DStudio系列软件，目前的最新版本为3dsMax 2020，此款软件有以下三个特点：一是软件基于PC系统，对配置的要求相对较低；二是具有丰富的插件功能，能够提供3dsMax本身不具备的一些功能，如毛发功能，并且还能对原有的功能进行强化；三是软件具有可靠的动画制作能力[5]，能对建模步骤进行叠加，从而更便捷地制作各种模型。目前，3dsMax软件已被广泛应用于各个领域，如室内装修、影视制作、广告设计、建筑设计以及三维动画和多媒体制作等等，其之所以能在如此多的领域中被广泛应用，与其自身所具有的特点密不可分，这种优势体现在如下两个方面。

1）性价比高。公司对软件的选择，除了性能要求之外，其次就是价格，3dsMax 具有着良好的性价比，不但能提供强大的功能，价格还比较低廉，大部分建模公司对于此款软件的价格基本都可以接受，因此进一步降低了产品的运作成本，同时，3dsMax对硬件系统的配置要求也相对较低[6]，因此不需要对硬件进行额外的升级，普通的配置即可满足需要。

2）使用便捷。软件的好坏更多依赖于使用者的评价，使用者最为关心的问题是软件的操作性能，如果很难操作，那么即使软件性价比再高，也很难得到使用者的认可[7]。而3dsMax 在使用流程中表现了较为简洁和高效，容易上手，后续的高级版本操作性体验更佳。

2.2 技术要求

为确保进入引擎的模型能流畅运行并与真实设备材质保持一致，需要在3dsMax中完成三维数字模型的编辑处理，完成带有材质纹理的三维数字模型，本项目对建模提出以下要求。

1）所有优化的三维数字模型为Editable Poly模式，模型单位设置为mm，不允许有破面、漏面和点线穿插。2）所有面的法线方向要朝向人能看到的方向。3）模型坐标如无特殊要求放在物体底部中心，具备交互动作的部件其坐标轴须调整在旋转轴上。4）模型材质和纹理要清晰符合设计要求，以实物真实纹理材质为制作依据，符合实际，尽量在小的贴图范围内表现更多细节。5）贴图文件格式必须为32位TGA无压缩文件，透明纹理必须带ALPHA通道。

3 模型轻量化

唐钢新区BIM模型涉及多家设计院及总包单位，其BIM模型往往侧重在大而全的重量级概念，即做一个一次性解决所有问题的大平台，最终往往效果适得其反[8]。本项目提出的“模型轻量化”，需要在保留关键数据的同时做到轻量化处理，将不同平台、不同设计院的BIM模型融合到统一的三维管理平台，在保证流畅度的同时，也大大减小了模型体量。本文通过唐钢新区一些细小的器件，阐述轻量化处理的几种常见手段。

1） 针对一些角钢、槽钢等钢结构，可通过新建几何体对象时，减少面的分段数、边数，达到减少物体的面数，如图1所示，在减少变数的同时尽量保证对象圆滑不失真[9]。

图1 槽钢模型轻量化处理效果对比

2） 针对规则的管道、楼梯台阶扶手等物体，可通过LOFT放样物体，通过调节图形和路径的步数值，可以达到减少物体的块面数，如图2所示。

图2 管道模型轻量化处理效果对比

3） 对于不规则的物体，可添加优化命令，调整阈值及偏移等数值，从而达到减少物体的块面[10]。

4 建模及优化成果展示

虽然建模及优化是一项繁琐且考验耐心的工作，但是能让模型看起来更简单，处理起来更高效，可能在平时的使用中一个小物体的优化不能起到立竿见影的效果，但是在钢铁工厂中，当把所有模型组合在一起，展示一个整体的三维工厂时，就能带来质的飞跃，无论是在后台运行上还是作为产品展示时，都能让电脑运行起来游刃有余，给使用方带来更好的体验，从而为整个生产环节全方位监控、保驾护航。以下为唐钢新区两个机械设备处理模型，图3为原煤仓堆取料机，面数减少了83%，图4为封闭料库刮板取料机，面数减少了92%。

图3 原煤仓堆取料机优化后效果图

图4 封闭料库取料机优化后效果图

5 结语

建设数字化工厂是钢铁行业未来发展方向。本文针对唐钢数字化工厂建设要求和应用情况，提出了一种基于3dsMax的BIM模型轻量化处理方法，该方法可同时满足不同BIM设计平台的文件格式要求，有效解决了BIM模型体量大、不同平台兼容性差等问题。将轻量出处理后的模型导入数字化工厂平台，可满足数据展示、线上培训、模拟检修、设备拆解等各种功能需求，从而为实现唐钢新区数字化工厂奠定了基础。