淺析3D技術(shù)在工程中的應(yīng)用

王少波

(四川鹽源甲米河水電開發(fā)有限公司，四川鹽源，615700)

1 概述

3D技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)的硬件和軟件的發(fā)展已在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。如現(xiàn)在流行的3D打印技術(shù)、房地產(chǎn)開發(fā)和建筑設(shè)計(jì)中的3D模型和3D效果圖，還有一些工程已運(yùn)用3D動(dòng)畫效果來展示工程的全貌，全方位的展示工程效果;在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中PKPM軟件也運(yùn)用了3D建模技術(shù)等。由此可見，3D技術(shù)是從平面向空間的轉(zhuǎn)化，也是由圖紙模型向?qū)嶓w模型的轉(zhuǎn)化。

目前，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，工程的過程管理不再是模糊的、不再是各種管理簡(jiǎn)單的組合，而是有機(jī)的結(jié)合。工程的過程管理要想更科學(xué)、更直觀，就必須建立針對(duì)工程項(xiàng)目的三維模型，在這個(gè)模型平臺(tái)上進(jìn)行項(xiàng)目管理。在招投標(biāo)時(shí)的技術(shù)交流，可以通過三維動(dòng)畫來模擬;在工程施工階段，可以通過三維模擬來驗(yàn)證施工方案的可行性，利用三維模擬進(jìn)行技術(shù)交底、專業(yè)技術(shù)管理、進(jìn)度管理及現(xiàn)場(chǎng)平面管理等。

2 3D軟件和硬件選用

3D技術(shù)必須選擇合適的平臺(tái)軟件，在工程管理中一般常用的軟件有 AutoCAD和3Dmax，3DstudioVIZ。由于目前介紹AutoCAD和3Dmax應(yīng)用的書籍較多，而且3Dmax已升級(jí)到2013版，因此在實(shí)際操作中可將 AutoCAD和3Dmax、Sketchup作為實(shí)際操作平臺(tái)軟件。

在工程應(yīng)用中，AutoCAD作為常用一款工程繪圖軟件已深入廣大工程師心中，大多數(shù)工程師都能熟練運(yùn)用，這個(gè)軟件不僅用于繪圖，還用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如PKPM就是利用AutoCAD的軟件平臺(tái))，現(xiàn)在AutoCAD已發(fā)展到AutoCAD2013版。在Auto-CAD軟件平臺(tái)上，天正、中望等也都推出了相應(yīng)的專業(yè)軟件，如天正建筑、天正結(jié)構(gòu)、天正給排水等。天正系列的軟件也升級(jí)到了9.0版本。

3Dmax在去年推出2012版，在今年推出了2013版，3Dmax的中文版也隨之出現(xiàn)。3Dmax和Sketcthup軟件使用模式為:建?；蚰Ｐ驼{(diào)入→建立攝影機(jī)→布置燈光→貼圖→渲染→后期處理。但在工程應(yīng)用中，主要應(yīng)用為建?；蚰Ｐ驼{(diào)入和建立攝影機(jī)，如不是要出效果圖，則燈光、貼圖、渲染、后期處理就不需要。對(duì)于3Dmax和Sketcthup軟件，現(xiàn)在已出現(xiàn)大量的已建成的模型，如3D網(wǎng)站中提供了大量的模型，可以很方便的調(diào)用;另一方面，3Dmax和Sketcthup也提供了方便快捷的建模工具，如石墨建模工具，對(duì)于一般的建筑工程，可以結(jié)合CAD圖形成果很方便的建模。

對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，現(xiàn)在一般的計(jì)算機(jī)都能實(shí)現(xiàn)3D技術(shù)這一功能，但對(duì)于計(jì)算機(jī)的基本配置應(yīng)不低于CPU為i5，顯卡為獨(dú)立顯卡，內(nèi)存在2G以上，硬盤在200G以上，顯示器19寸左右，機(jī)器散熱系統(tǒng)良好。目前一般計(jì)算機(jī)都能順暢運(yùn)行3Dmax和AutoCAD，Sketcthup。

3 3D技術(shù)在工程中應(yīng)用

3.1 3D技術(shù)在投標(biāo)時(shí)應(yīng)用

目前在工程建設(shè)投標(biāo)時(shí)，標(biāo)書一般分為兩部分，一部分是商務(wù)標(biāo)，主要是企業(yè)資信和商務(wù)報(bào)價(jià)，另一部分是技術(shù)標(biāo)，主要是企業(yè)如何組織施工管理和具體的、有針對(duì)性的施工方案。對(duì)一些特殊技術(shù)要求的項(xiàng)目，要求在投標(biāo)前進(jìn)行技術(shù)交流(如大件吊裝)，而3D技術(shù)可以作技術(shù)交流和技術(shù)標(biāo)編制的重要助手。如:中石化寧波公司在進(jìn)行殼牌氣化項(xiàng)目吊裝時(shí)，采用了三維動(dòng)畫演示來模擬合成冷卻器的吊裝;中國(guó)化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司在沾化氣化項(xiàng)目技術(shù)交流時(shí)，也采用了AutoCAD的簡(jiǎn)化模擬技術(shù)和總承包商進(jìn)行了有效的技術(shù)交流，不僅展示了公司的實(shí)力，也和設(shè)計(jì)院一起優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。

圖1 石化寧波公司殼牌氣化項(xiàng)目吊裝動(dòng)畫演示

圖2 沾化氣化項(xiàng)目設(shè)備吊裝CAD演示

中國(guó)化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司曾參加了喀麥隆和多哥兩個(gè)業(yè)主的招投標(biāo)，兩個(gè)標(biāo)都是EPC項(xiàng)目，由投標(biāo)單位提供設(shè)計(jì)方案，業(yè)主還要求投標(biāo)者給出3D圖紙。在項(xiàng)目建設(shè)過程中，總承包單位也相應(yīng)繪制了3D圖紙，不僅反映了業(yè)主的設(shè)計(jì)意圖，而且很直觀，便于業(yè)主了解項(xiàng)目建成的模樣。

圖3 多哥酒店CAD三維圖及3Dmax的效果圖

圖3為多哥項(xiàng)目的賓館設(shè)計(jì)，上圖為Auto-CAD所做的3D圖，可以看到，在AutoCAD繪制3D圖時(shí)線條較多，不易辯認(rèn);下圖為3Dmax做成的效果，則線條比較明晰。

3.2 3D技術(shù)在設(shè)計(jì)中應(yīng)用

3D技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要應(yīng)用特別表現(xiàn)在PKPM軟件上。事實(shí)上，PKPM軟件已成為一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，PKPM就是利用AutoCAD為軟件平臺(tái)，通過平面和空間的構(gòu)件布置和荷載布置，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一次性計(jì)算。

如圖4，第一圖為利用空間建模，第二圖和第三圖則利用空間模型檢查結(jié)構(gòu)柱布置是否合理。這些工作都可以通過3D技術(shù)很方便快捷的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在3D技術(shù)不僅在建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用，而且也在工業(yè)設(shè)計(jì)上有廣泛的應(yīng)用。如IntergraphSmartPlant3D三維工廠設(shè)計(jì)解決方案、PDSOFT管道預(yù)制設(shè)計(jì)系統(tǒng)等。

Sketchup軟件應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，可以利用平面圖和立面圖很方便地做出效果圖，從而可以全方位地反映建筑設(shè)計(jì)的外面效果和視覺效果。圖5為采用Sketchup軟件制作的別墅效果圖和景觀效果圖。

圖4 PKPM軟件建模示意

3.3 3D技術(shù)在工程施工過程中應(yīng)用

在工程施工中，可以使用3D技術(shù)所建立的模型進(jìn)行工程進(jìn)度管理;也可以利用3D模型結(jié)構(gòu)一些其他軟件進(jìn)行工料分析和成本控制;還可以通過3D技術(shù)模擬實(shí)際工況，優(yōu)化施工方案和設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行施工平面布置管理。

圖5 Sketchup繪制的三維模型及地形

在進(jìn)度管理時(shí)，可將各個(gè)作業(yè)時(shí)間內(nèi)需要完成的工作量在3D模型中用不同的顏色和標(biāo)識(shí)識(shí)別，再配上時(shí)間坐標(biāo)，可以很清楚地反映工作計(jì)劃和工作完成情況，還可以將不同工期安排的工作內(nèi)容在3D模型圖中表示出來。

在3D所建的模型中，如果是用AutoCAD或PKPM所建的模型，就可以通過圖形算量軟件或是PKPM自帶的功能進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，很容易地做出工料分析和進(jìn)行成本控制。

利用3D模型還可以進(jìn)行施工技術(shù)交底和評(píng)價(jià)施工方案。在一般的技術(shù)交底時(shí)，傳統(tǒng)做法是，由技術(shù)員根據(jù)施工內(nèi)容的難易程度和特點(diǎn)進(jìn)行口頭和文字交底，對(duì)工人來講比較抽象;如果在3D模型中進(jìn)行技術(shù)交底，讓工人能看到模擬的施工場(chǎng)景，把抽象的語(yǔ)言變成現(xiàn)實(shí)的圖片，一方面便于操作人員理解施工內(nèi)容，另一方面展現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的工作環(huán)境，使工人易于接受交底內(nèi)容。

在施工方案和施工平面布置時(shí)，也可以利用3D模型模擬真實(shí)的施工環(huán)境，如大型機(jī)具的進(jìn)出場(chǎng)路線、現(xiàn)場(chǎng)材料的存放及如何減少二次搬運(yùn)等。圖6是三維空間里的平面布置圖，通過三維圖分析，不僅表明了現(xiàn)場(chǎng)建筑物之間的平面位置，還明確表明了空間關(guān)系。如果在繪圖過程中嚴(yán)格遵照設(shè)施的實(shí)際尺寸和比例，利用查詢功能就可以方便地得到每個(gè)點(diǎn)、每個(gè)面的坐標(biāo)、高程，很方便地計(jì)算出臨時(shí)設(shè)施所用材料數(shù)量。

圖6 施工平面三維布置圖

3.4 3D技術(shù)在竣工階段的應(yīng)用

在竣工階段，可以利用在施工階段所留存的影像資料和3D模型，重新對(duì)施工過程進(jìn)行模擬?？梢栽?D技術(shù)支持下，進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目“重復(fù)性”建設(shè)，進(jìn)而重現(xiàn)施工過程，對(duì)項(xiàng)目施工進(jìn)行后評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)項(xiàng)目施工的優(yōu)劣。

4 3D技術(shù)的應(yīng)用方法

一般說來，3D技術(shù)應(yīng)用分為兩部分，第一部分是3D建模，這一環(huán)節(jié)尤為重要，在建模時(shí)，必須選擇合適的軟件平臺(tái)，軟件平臺(tái)要有開放性和兼容性，而且也能從網(wǎng)站上快捷地下載到各種模型;第二部分，根據(jù)所建的模型進(jìn)行工作，如模擬施工、技術(shù)交流等。從上述分析中可以看出，3D模型的建模過程是3D技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，在目前的軟件中，3Dmax應(yīng)用較多，而且也可以在相關(guān)網(wǎng)站上下載到一些建筑模型、施工機(jī)具模型，這些模型可以很方便地調(diào)用及互換。

對(duì)于設(shè)計(jì)過程而言，一般設(shè)計(jì)者都會(huì)采用3D技術(shù)建模，如PKPM軟件的建模功能。

3Dmax軟件建?？梢院虯utoCAD配合使用，可以將AutoCAD圖形導(dǎo)入3Dmax中，然后利用3Dmax里的建模工具進(jìn)行建模。

建模時(shí)，必須首先分析平面圖紙和所建模型的特點(diǎn)，哪些是整體模型，哪些是需獨(dú)立建模、哪些是組合件，必須對(duì)模型加以分析，才能建立適合于工程的模型。如果整體模型太復(fù)雜，則需要對(duì)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)單獨(dú)建模，但是單獨(dú)建模的數(shù)量太多，則模型將來所需資源多，對(duì)電腦的要求也將提高。建模時(shí)，最好能使用成熟的模型(如施工機(jī)械可以調(diào)用已有模型)，這樣可以提高建模速。圖7為用3Dmax建模而成的某項(xiàng)目基礎(chǔ)施工時(shí)的3D模型。

圖7 神華煤制油項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)3D模擬施工

從圖7中可以清楚地看到基礎(chǔ)施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)情況的計(jì)算機(jī)模擬，通過模擬可方便地指導(dǎo)施工。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，3D技術(shù)在工程中具有很廣闊的應(yīng)用前景，我們?cè)诠ぷ髦袘?yīng)結(jié)合自身的工作特點(diǎn)選擇合適的軟件，把平面的、視覺效果差的2維圖形向3維空間轉(zhuǎn)化，使工程管理更加直觀、高效。

盡管3D技術(shù)可以很方便地模擬工程環(huán)境，但是3D建模需要專業(yè)知識(shí)，而且3D軟件的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存也需要更大的空間，這些在一定的程度上也限制了3D技術(shù)的使用。

目前在建筑裝修和效果制作方面，3D建模技術(shù)非常成熟，對(duì)于整個(gè)工程而言，除了BIM技術(shù)，3D技術(shù)可以由企業(yè)自己開發(fā)研究，具有非常重要現(xiàn)實(shí)意義。

總體說來，隨著計(jì)算機(jī)的普及和技術(shù)人員專業(yè)水平的提高，3D技術(shù)更能真實(shí)地模擬工程全過程，不僅在設(shè)計(jì)方案定選階段，而且在施工階段甚至在竣工后評(píng)價(jià)階段，都有非常重要的意義。因此3D技術(shù)的應(yīng)用和推廣有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

〔1〕賈 娣，劉 濤．AutoCAD2002中文版建筑設(shè)計(jì)．

〔2〕翟志強(qiáng)，孔祥豐．中文AutoCAD2004三維圖形設(shè)計(jì)．

〔3〕孫玉雙．淺談AutoCAD3D技術(shù)在施工中應(yīng)用．水電施工技術(shù)，2011，(1)．