水利水電行業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)中三維可視化的應(yīng)用與研究

宋明佳

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院 上海 200434)

1 引言

隨著工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大、工程技術(shù)含量和國際化程度的逐步提高，以及由于日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)所帶來的對(duì)于造價(jià)、工期、質(zhì)量的要求不斷提高。水利水電行業(yè)的設(shè)計(jì)單位正努力尋求突破來迎接這些挑戰(zhàn)。

但是，以二維為基礎(chǔ)的 CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))技術(shù)，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，潛力已經(jīng)被充分挖掘。由于二維 CAD設(shè)計(jì)的自身局限性，使得它只能主要作為生成設(shè)計(jì)圖紙的手段，不能在工程的全生命周期發(fā)揮更多作用。相比之下，三維協(xié)同設(shè)計(jì)不僅可以提升設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高設(shè)計(jì)效率，還可以在設(shè)計(jì)過程中將整個(gè)工程的各種信息整合在一起，使得后續(xù)的施工以及運(yùn)營過程中可以利用這些信息，從而提高設(shè)計(jì)成果的附加值，為設(shè)計(jì)領(lǐng)域打開了更廣闊的發(fā)展空間。

水利水電工程中的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等各個(gè)領(lǐng)域正悄然發(fā)生一場(chǎng)數(shù)字化的變革。在這場(chǎng)變革過程中，設(shè)計(jì)單位作為整個(gè)工程數(shù)字信息的源頭，并且在技術(shù)上具備一定的優(yōu)勢(shì)，因此理所當(dāng)然的沖在了最前沿。行業(yè)內(nèi)的幾家技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的設(shè)計(jì)院經(jīng)過多年的探索和實(shí)踐，已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了顯著的成績(jī)，這也使得其它設(shè)計(jì)單位看到了工程數(shù)字化的可行性和發(fā)展前景。

2 三維可視化介紹

采用三維協(xié)同設(shè)計(jì)手段所帶來的好處有很多，例如，三維可視化使得溝通更為高效；各專業(yè)協(xié)同工作可以保證設(shè)計(jì)成果的及時(shí)更新；利用碰撞檢測(cè)能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤；利用模型庫從而實(shí)現(xiàn)快速布置等等。本文主要針對(duì)三維可視化這一特點(diǎn)進(jìn)行展開，探討一下三維可視化在工程設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，以及三維可視化所帶來的意義。

在以往我們所熟悉的二維設(shè)計(jì)中，表達(dá)工程構(gòu)造的形態(tài)只有通過二維圖紙，并且每張二維圖紙中所包含的幾何信息是不完整的，需要通過多張圖紙加上工程師大腦的理解，才能描述工程構(gòu)造的形態(tài)。相比之下，在三維設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)過程就好象我們?cè)谟?jì)算機(jī)創(chuàng)造出的三維空間中虛擬的把工程建造出來一樣，這個(gè)過程中我們?cè)O(shè)計(jì)的每個(gè)構(gòu)造都是直觀的、可視的。這種可視化融入在三維設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，看似自然而然，但是如果正確加以利用，將為工程設(shè)計(jì)帶來很多益處。

3 三維可視化的應(yīng)用和意義

從二維到三維的轉(zhuǎn)變，不僅僅是設(shè)計(jì)工具的轉(zhuǎn)變，更重要的是設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變。如果過分的依賴以往在二維設(shè)計(jì)中的工作流程和工作習(xí)慣，將很難發(fā)揮三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，三維設(shè)計(jì)軟件將只能淪為切出二維圖紙的工具。所以，首先要轉(zhuǎn)變思想，發(fā)現(xiàn)和利用三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，探索出更適合三維設(shè)計(jì)的、更好的工作方式。

三維可視化帶來的好處主要包括，三維模型直觀形象、利于專業(yè)溝通、利于技術(shù)交底、利于成果展示等等。以下將對(duì)工程設(shè)計(jì)過程中的溝通、設(shè)計(jì)、出圖、展示這四個(gè)環(huán)節(jié)所帶來新的工作方式一一進(jìn)行闡述。

3.1 溝通過程中的三維可視化

3.1.1 設(shè)計(jì)、業(yè)主、施工三方的溝通

整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的溝通是非常重要的，溝通一般可以分為外部溝通和內(nèi)部溝通。外部溝通就是指設(shè)計(jì)、業(yè)主和施工三方間的溝通。與業(yè)主的溝通往往是最受重視的，因?yàn)闃I(yè)主的意見直接會(huì)影響設(shè)計(jì)的更改，所以在以往的二維設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)單位也會(huì)積極的與業(yè)主溝通。首先，由于二維設(shè)計(jì)圖紙的半成品幾乎無法理解，只有等全部圖紙完成之后才能完整的呈現(xiàn)設(shè)計(jì)成果。另外，由于二維圖紙不夠形象直觀，設(shè)計(jì)單位往往需要借助效果圖、三維動(dòng)畫這些有限的可視化手段才能把工程形象的展示給業(yè)主，僅靠這些手段只能展現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中非常有限的內(nèi)容，因此，往往會(huì)造成由于溝通不及時(shí)或者溝通不全面而產(chǎn)生的分歧，從而導(dǎo)致一些不必要的修改或矛盾。

在三維協(xié)同設(shè)計(jì)中大大改善了這些問題。三維模型相比二維圖紙理解起來容易的多，從而降低了業(yè)主看圖紙的難度。并且三維設(shè)計(jì)的中間成果也是直觀可見的，所以隨時(shí)都可以審查設(shè)計(jì)的進(jìn)度和成果。在設(shè)計(jì)過程中和業(yè)主之間盡可能多的視覺直觀溝通，對(duì)于設(shè)計(jì)的修改減少和意見分歧的減少都非常有益處。而且業(yè)主對(duì)于這種流暢的溝通所帶來的對(duì)設(shè)計(jì)過程的可控感，也會(huì)增加對(duì)設(shè)計(jì)單位技術(shù)水平的認(rèn)可。

三維模型數(shù)據(jù)除了用在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位和業(yè)主進(jìn)行有效溝通外，也可以用在施工階段，作為業(yè)主、施工和設(shè)計(jì)三方互相之間有效溝通的手段。

例如，可以利用軟件的功能來模擬工程中各組成部分的施工順序，以可視化的形式模擬出任意時(shí)間點(diǎn)工程的進(jìn)度狀態(tài)，比以往施工進(jìn)度表的形式更加直觀，便于設(shè)計(jì)、施工、業(yè)主之間的充分協(xié)調(diào)，更加合理的優(yōu)化施工方案。在3D模型的基礎(chǔ)上加入了時(shí)間這個(gè)維度，因此稱為4D。

一些復(fù)雜的施工工藝，以往都是用報(bào)告的形式以文字描述，但是這個(gè)過程中難免用文字會(huì)產(chǎn)生理解上的偏差。如果直接在三維模型中制作簡(jiǎn)單的可視化動(dòng)畫，來預(yù)先推演復(fù)雜施工工藝的流程，就可以一目了然，甚至還可以提前發(fā)現(xiàn)一些可能發(fā)生的問題。

3.1.2 設(shè)計(jì)人員與校審人員間的溝通

設(shè)計(jì)院的內(nèi)部溝通主要是設(shè)計(jì)人員和校審人員間的溝通，由于三維設(shè)計(jì)中可視化所帶來的直觀與高效，應(yīng)該讓設(shè)計(jì)人員和校審人員之間也盡可能多的視覺直觀溝通，同樣會(huì)對(duì)減少設(shè)計(jì)修改并提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中問題。

三維協(xié)同設(shè)計(jì)軟件中的三維可視化可以通過很多種方式實(shí)現(xiàn)，如何在匯報(bào)過程中在最短的時(shí)間內(nèi)定位到想要看的內(nèi)容，減少一些不必要的多于操作，是設(shè)計(jì)人員需要掌握的技巧。

（1)利用Microstation軟件中SavedView功能，預(yù)先存儲(chǔ)好想要展示的視角，這樣就避免了很多在三維模型中移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放視角的鼠標(biāo)操作，節(jié)省匯報(bào)時(shí)間。并且將這些不同的視角以一定的規(guī)律命名，存儲(chǔ)下來，當(dāng)校審人員打開這個(gè)文件時(shí)可以按照這些有規(guī)律的命名，來快速看到他想要看的位置。

（2)可以在模型中布置好一些攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡線，存儲(chǔ)下來，方便所有打開這個(gè)文件的人調(diào)用，這樣就可以快速的讓視角沿著預(yù)先設(shè)定好的路徑行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)快速的在工程模型中漫游。這種實(shí)時(shí)漫游的模式可能會(huì)因?yàn)槟Ｐ臀募珡?fù)雜而顯得不流暢，通常情況下還需要將這些漫游的過程渲染成動(dòng)畫或者全景圖，方便流暢的觀看。

（3)在三維協(xié)同設(shè)計(jì)工作方式下，可以考慮將所有這些視角、攝像機(jī)路徑、渲染動(dòng)畫、全景圖等，作為設(shè)計(jì)成果被存儲(chǔ)下來，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則來調(diào)用。

3.2 設(shè)計(jì)過程中的三維可視化

以往的二維設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的表達(dá)方式主要是二維圖紙，真正的空間形態(tài)需要在工程師頭腦中才能形成。這樣就導(dǎo)致我們的設(shè)計(jì)除了滿足工程最核心的功能外，其他的一些性能上的分析和設(shè)計(jì)不夠深入。采用三維協(xié)同設(shè)計(jì)后，由于其可視化這一特點(diǎn)，工程師可以很直觀的發(fā)現(xiàn)工程中一些不合理的地方或者存在的隱患，使得設(shè)計(jì)更加深入和細(xì)致。

并且，設(shè)計(jì)單位可以利用三維可視化的展示方式，把這些設(shè)計(jì)上的考量直觀的展示給業(yè)主，讓業(yè)主體會(huì)到我們?cè)谠O(shè)計(jì)上的用心和專業(yè)。

（1)例如，大型設(shè)備的運(yùn)輸與吊裝，通過在三維模型中采用動(dòng)態(tài)的碰撞檢測(cè)，可以優(yōu)化設(shè)備安裝方案；

（2)利用虛擬的人在模型中行走發(fā)現(xiàn)設(shè)備布置的一些不合理的地方；

（3)通過讓運(yùn)營管理單位對(duì)三維模型進(jìn)行審查，提早的發(fā)現(xiàn)一些使用上不合理的布置；

（4)建筑性能方面的分析，如消防安全、視線管理、熱能分布、照明分析等，在三維空間中進(jìn)行設(shè)計(jì)和表達(dá)要方便的多。

這些新的設(shè)計(jì)因素的引入，也對(duì)工程師提出了新的要求。在推廣三維協(xié)同設(shè)計(jì)的初期，工程師由于以前多年形成的工作方式，更習(xí)慣于看二維圖紙。他們更關(guān)心的是如何在三維模型上切出想要的圖紙，審查校核仍然在二維圖紙上進(jìn)行。這種轉(zhuǎn)變的確需要一個(gè)過程，但要盡快的通過一些制度上的措施，促使工程師完成這一轉(zhuǎn)變，才能發(fā)揮出三維協(xié)同設(shè)計(jì)更大的作用。

3.3 出圖過程中的三維可視化

目前，三維協(xié)同設(shè)計(jì)的最終成果仍以二維圖紙為主。從設(shè)計(jì)好的三維模型中切出平面、立面、剖面圖等，在組圖的過程中，可以利用三維設(shè)計(jì)可視化這一優(yōu)勢(shì)，多采用新的二維表達(dá)方式，來豐富圖面的內(nèi)涵。

（1)多采用軸側(cè)圖等立體圖形式，使得工程構(gòu)造更加容易理解。

（2)充分利用軟件中顯示樣式的自定義功能，生成帶有體著色、陰影、特殊線型、材質(zhì)等的二維圖，讓圖面效果更豐富；

（3)建筑的外立面可以采用渲染圖表達(dá)；

（4)以不同顏色來區(qū)分模型中各部分的施工先后順序。

采用上述這些超越常規(guī)二維圖紙的表現(xiàn)形式，不僅使得圖面更生動(dòng)、豐富和直觀，并且令由三維設(shè)計(jì)切出的圖紙更具鮮明的特征。

目前階段，雖然設(shè)計(jì)成果的移交還是以二維圖紙的方式，但是相信在不遠(yuǎn)的將來，越來越多的施工單位和業(yè)主單位將認(rèn)可三維模型文件。之所以目前仍離不開二維圖紙的原因主要是因?yàn)樵谑┕がF(xiàn)場(chǎng)看電子版圖紙，尤其是看三維模型文件不方便，但是很多國外的工程承包商已經(jīng)意識(shí)到三維模型給他們帶來的好處，在施工現(xiàn)場(chǎng)有各種計(jì)算機(jī)設(shè)備來瀏覽三維模型，甚至是直接修改模型文件。

3.4 展示過程中的三維可視化

效果圖和三維動(dòng)畫這兩種三維可視化方式，在以往的二維設(shè)計(jì)中很常見。在三維設(shè)計(jì)中，細(xì)節(jié)完善和高精度的工程模型是設(shè)計(jì)的核心產(chǎn)物，直接從這些三維模型就可以生成效果圖和動(dòng)畫，作為設(shè)計(jì)的副產(chǎn)品，這兩種可視化展示方式將有更廣的應(yīng)用空間。

除了以前在二維設(shè)計(jì)中常見的用三維渲染來表現(xiàn)工程的建筑設(shè)計(jì)方案外，在更加精細(xì)的工程三維模型基礎(chǔ)上，可以展現(xiàn)出任何想要表現(xiàn)的視角、剖面、施工順序、運(yùn)行原理等，使得三維動(dòng)畫表現(xiàn)的內(nèi)容更加豐富和全面。

三維渲染的畫面質(zhì)量與很多因素有關(guān)，全局光、陰影、抗鋸齒、材質(zhì)、反射、折射等等。要得到更好的畫面質(zhì)量就需要更長(zhǎng)的渲染時(shí)間。多數(shù)情況下工程師只需要采用一般的渲染精度就可以滿足要求了。在投標(biāo)方案展示、工程典禮、重要會(huì)議、市場(chǎng)宣傳等重要場(chǎng)合，需要采用更高質(zhì)量的渲染。

Microstation軟件除了三維設(shè)計(jì)的功能外，也具備一定的三維渲染的功能，可以直接將設(shè)計(jì)好的模型進(jìn)行渲染。而且Microstation可以和第三方的渲染器Maxwell結(jié)合，提升渲染品質(zhì)。今后一定會(huì)有業(yè)內(nèi)更好的渲染器登陸 Microstation平臺(tái)，進(jìn)一步提升渲染品質(zhì)。

除了直接在Microstation中渲染外，還可以將三維模型導(dǎo)出到 3dsmax中進(jìn)行三維動(dòng)畫和效果圖的制作，發(fā)揮不同軟件各自的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)更豐富的渲染和動(dòng)畫效果。

4 三維可視化新技術(shù)的展望

三維協(xié)同設(shè)計(jì)的新技術(shù)層出不窮，利用三維可視化這一優(yōu)勢(shì)，使得設(shè)計(jì)正朝著直覺化的方向發(fā)展。有了這些技術(shù)，工程設(shè)計(jì)以及模型的進(jìn)一步利用變得更加簡(jiǎn)單、自然和直觀。

（1)點(diǎn)云技術(shù)。利用激光掃描設(shè)備，將工程現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)掃描成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入到軟件中。這樣就可以將三維設(shè)計(jì)模型和已有現(xiàn)場(chǎng)物體之間進(jìn)行精確的比對(duì)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

（2)Hypermodeling技術(shù)。將二維剖面圖和三維模型在剖切位置疊加，同時(shí)將一些外部的文檔等文件鏈接進(jìn)來。使得二維圖紙與三維模型和各種外部文檔直接有效的鏈接成一個(gè)整體。

（3)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。將工程實(shí)景的影像與該工程的三維信息模型疊加，在例如消防、維修設(shè)備等場(chǎng)合更快速高效的利用工程三維模型和信息。

5 結(jié)語

三維協(xié)同設(shè)計(jì)打破了二維設(shè)計(jì)在空間上的局限，使得工程師能夠在三維空間中自由的創(chuàng)造和工作，同時(shí)為設(shè)計(jì)、業(yè)主、施工提供了更好的溝通平臺(tái)，為工程的數(shù)字化發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

水利水電設(shè)計(jì)行業(yè)正經(jīng)歷這樣一場(chǎng)從二維到三維的設(shè)計(jì)技術(shù)變革。這個(gè)過程中伴隨著設(shè)計(jì)習(xí)慣、理念以及工作模式的改變，這些是每個(gè)單位和部門都要面對(duì)的挑戰(zhàn)。率先適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變一定會(huì)為我們企業(yè)的發(fā)展和行業(yè)的進(jìn)步打開更廣闊的空間。