淺談三維建模技術(shù)在阿壩州中小河流水文站纜道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

伍雪豐

【摘要】水文纜道是指能將水文測(cè)驗(yàn)設(shè)備、儀器運(yùn)送到測(cè)驗(yàn)斷面內(nèi)任一指定起點(diǎn)距（水平位置）和垂線測(cè)點(diǎn)位置，進(jìn)行測(cè)驗(yàn)作業(yè)而架設(shè)的跨河的索道系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】纜道設(shè)計(jì)；三維建模；水文

最早的水文纜道是我國(guó)水文工作者在五十年代創(chuàng)建的，經(jīng)過(guò)六十多年的實(shí)踐、革新和發(fā)展，已由從前人工控制的手搖纜道發(fā)展到目前高新技術(shù)含量較高的全自動(dòng)水文纜道測(cè)流系統(tǒng)，而未來(lái)，水文纜道是朝著高新技術(shù)應(yīng)用的多元化、定位移動(dòng)監(jiān)測(cè)的一體化、無(wú)人值守的智能化方向發(fā)展。萬(wàn)丈高樓平地起，在關(guān)注測(cè)流高新技術(shù)的同時(shí)，也不能忽略纜道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)更新與發(fā)展。阿壩州地處山區(qū)，其2012～2013年中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目中涉及到水文站的纜道建設(shè)，本文就山區(qū)中小河流水文站建設(shè)的實(shí)際情況出發(fā)，淺談一下相關(guān)的三維建模技術(shù)在纜道設(shè)計(jì)的應(yīng)用思路。

1.三維建模技術(shù)在纜道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

三維模型是物體多邊形的表現(xiàn)形式，通常采用計(jì)算機(jī)或其它視頻設(shè)備進(jìn)行顯示，可真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)中存在的實(shí)體或虛構(gòu)的物體。目前，三維建模技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如：醫(yī)療行業(yè)制作器官模型，建筑行業(yè)用三維模型進(jìn)行建筑的真實(shí)展示，工業(yè)行業(yè)作為零部件模具加工等，其應(yīng)用效果也得到越來(lái)越多人的認(rèn)可。

應(yīng)用三維建模技術(shù)到水文纜道設(shè)計(jì)中，創(chuàng)造三維環(huán)境，建立相關(guān)三維纜道模型，將設(shè)計(jì)內(nèi)容與圖形可視化結(jié)合起來(lái)，將該技術(shù)應(yīng)用于纜道分析，使得纜道設(shè)計(jì)圖紙三維化，仿真化，以方便于檢查設(shè)計(jì)中的細(xì)微瑕疵和方案的推敲修改。

1.1隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的水文纜道設(shè)計(jì)制圖已告別了手工繪圖的束縛，CAD輔助制圖功能已成為設(shè)計(jì)人員不可缺少的工具，雖然CAD的二維制圖功能相當(dāng)強(qiáng)大，設(shè)計(jì)制圖快速方便，容易修改，尺寸把握精確，但對(duì)于纜道設(shè)計(jì)人員來(lái)講，受空間、結(jié)構(gòu)形式及纜道構(gòu)件尺寸的限制，各種工作索及附屬設(shè)備、預(yù)埋件的布置需花費(fèi)大量的時(shí)間核對(duì)尺寸信息和它們之間的空間關(guān)系。

利用三維建模的技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)水文纜道“360度無(wú)死角”可視化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)更直觀、清楚，容易避免纜道結(jié)構(gòu)性錯(cuò)誤的存在，降低了二維制圖對(duì)設(shè)計(jì)人員立體想象能力素質(zhì)的要求。通過(guò)三維建模方式進(jìn)行的纜道設(shè)計(jì)，視覺(jué)效果好，畫(huà)面立體，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠生成各種視圖，從本質(zhì)上減輕大量繁瑣簡(jiǎn)單的制圖工作，使得工作人員以更好精力投入到更富有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，極大提高了設(shè)計(jì)工作的效率。

1.2在水文纜道轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)向滑輪作為水文纜道的重要構(gòu)成部件，其重要性也是顯而易見(jiàn)，滑輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是從減少纜道動(dòng)力消耗，延長(zhǎng)鋼索的使用壽命，減少自身磨損等方面考慮。一般情況下轉(zhuǎn)向滑輪與支柱之間的連接，多采用柔性材質(zhì)連接，可避免剛性連接帶來(lái)的因受力方向與工作索不一致而產(chǎn)生的鋼絲繩過(guò)度磨損滑輪的后果。

采用二維圖紙方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)向滑輪因柔性連接，其受力后的空間位置以及纜道系統(tǒng)工作索實(shí)際走向都存在太多不確定因素，這就對(duì)設(shè)計(jì)工作者對(duì)纜道預(yù)埋件合理位置的判斷以及纜道系統(tǒng)布設(shè)造成了一定困難。在以往的施工過(guò)程中，往往依靠水文工作者的經(jīng)驗(yàn)值控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)，但具有一定的局限性和不可逆性，無(wú)法在安裝調(diào)試過(guò)程中避免出現(xiàn)工作索交叉，滑輪未到預(yù)期位置，工作索與周邊建筑搽掛甚至出現(xiàn)無(wú)法進(jìn)行安裝的現(xiàn)象。

利用三維建模技術(shù)，創(chuàng)建具有多種感知的周邊虛擬環(huán)境和纜道模型，在三維空間內(nèi)進(jìn)行纜道系統(tǒng)施工前的模擬安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)，分析纜道構(gòu)件受力后的運(yùn)行軌跡、空間位置和受力狀況，對(duì)構(gòu)件位置、尺寸等參數(shù)展開(kāi)定量的分析工作，從而合理調(diào)整纜道系統(tǒng)的布設(shè)和構(gòu)件位置的確定，降低施工期間纜道系統(tǒng)安裝調(diào)試工作的難度。

1.3水文屬專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的行業(yè)，水文纜道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有其特有的個(gè)性特征，在施工中，承建方多為建筑行業(yè)隊(duì)伍，缺乏相關(guān)水文常識(shí)，某些專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的重點(diǎn)施工部位，憑借二維圖紙和文字難以與施工方進(jìn)行技術(shù)交流，致使施工方無(wú)法完全理解設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想和要求，不利于工程建設(shè)。

圖紙作為設(shè)計(jì)人員與他人交流的介質(zhì)，它承載了設(shè)計(jì)人員的所有語(yǔ)言和思路，采用三維建模技術(shù)，全方位展示水文纜道的施工細(xì)節(jié)和事項(xiàng)，直觀的進(jìn)行三維瀏覽并讀取相關(guān)信息，有助于幫助非本專(zhuān)業(yè)人員理解圖紙，在施工技術(shù)交底和施工過(guò)程中可發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2.建模方法

構(gòu)建三維模型的方法，大體上分三種，一般工程類(lèi)設(shè)計(jì)均采用三維軟件建模，方便快捷，可操作性強(qiáng)。市場(chǎng)上三維建模軟件較多，如3DMAX，SoftImage， Maya，UG以及AutoCAD等等。AutoCAD作為工程設(shè)計(jì)所熟悉的軟件，加之其具有強(qiáng)大的二維制圖功能，制圖快速方便，容易修改，尺寸把握精確，在此僅以AutoCAD軟件為例，簡(jiǎn)要介紹水文纜道建模方法。

2.1周邊虛擬環(huán)境建模

水文纜道設(shè)計(jì)的前期工作即為實(shí)地勘查工作，無(wú)地形圖資料的需進(jìn)行地形測(cè)量，地形圖上應(yīng)包含設(shè)置水文纜道附近的樹(shù)木，房屋，輸電線路，高大建筑物及其高度，街道、公路、橋梁等信息。設(shè)計(jì)中需要根據(jù)實(shí)際地形情況，確定其架設(shè)的高度，基礎(chǔ)的埋設(shè)深度等參數(shù)。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)和設(shè)備的更新，全野外數(shù)字化大比例尺地形圖測(cè)量已實(shí)現(xiàn)全面普及?，F(xiàn)行的測(cè)繪軟件成果圖多為平面圖形。已有的三角網(wǎng)模型缺乏直觀，難以與實(shí)地情況進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量數(shù)據(jù)以及三角網(wǎng)建立的合理性考證存在困難。

如何利用現(xiàn)有測(cè)量數(shù)據(jù)建立三維模型，且方法簡(jiǎn)單實(shí)用呢。AutoCAD軟件提供了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的方法：南方CASS軟件作為普及繪圖制作軟件，自身提供了三角網(wǎng)數(shù)據(jù)的輸出接口，打開(kāi)AutoCAD軟件，運(yùn)行“Menload”命令，加載菜單文件后選擇南方軟件輸出的三角網(wǎng)數(shù)據(jù)文件，即可得到地形的三維模型雛形。由于該三維模型完全依賴于三角網(wǎng)數(shù)據(jù)繪制而成，其軟件自動(dòng)構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，會(huì)忽略對(duì)實(shí)際地形陡坎和特殊地貌的考慮，造成三維模型的局部失真；加之野外采集數(shù)據(jù)的不完整性和密度不夠也會(huì)導(dǎo)致三維模型的效果，這就需要人工通過(guò)第三方數(shù)據(jù)信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行干預(yù)和校正，通過(guò)實(shí)踐證明，其三維模型成果可作為纜道設(shè)計(jì)使用，三維模型較好的反應(yīng)了纜道位置周邊的地形、地貌及構(gòu)筑物的情況，對(duì)設(shè)計(jì)工作提供很大幫助。

2.2纜道建模

水文纜道的主要結(jié)構(gòu)形式分為懸索式纜道、吊箱式纜道、吊船式纜道和多夸式纜道。在設(shè)計(jì)中要了解纜道斷面的基本情況，如測(cè)流河段主流位置、流向與斷面垂直、測(cè)流河段的順直長(zhǎng)度，河道寬度等資料。還要對(duì)測(cè)量河段的歷史最高水位和歷史最低水位以及歷史最大流速、最大含沙量和實(shí)測(cè)最深水位等。根據(jù)纜道斷面基本情況及資料、相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求選擇合適的水文纜道結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。

在纜道建模時(shí)首先要對(duì)模式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，把模型復(fù)雜結(jié)構(gòu)分成若干簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)在建模過(guò)程中進(jìn)行組合。把二維圖或基本體拉伸或旋轉(zhuǎn)等方法形成簡(jiǎn)單實(shí)體，在通過(guò)計(jì)算和編輯獲得三維模型。另外在建模技巧中，靈活建立坐標(biāo)系和坐標(biāo)系管理，在三維模型建立過(guò)程中，除了世界坐標(biāo)系外，還要根據(jù)自己的需要繪制用能和x、y、z軸方向旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的用戶坐標(biāo)系，用戶坐標(biāo)系的建立是三維建模的關(guān)鍵步驟。在復(fù)雜模型建立過(guò)程中，用戶坐標(biāo)系數(shù)目比較多，為了更方便的進(jìn)行坐標(biāo)系的變換，可以把不同方向用戶坐標(biāo)系進(jìn)行預(yù)先定義和保存在用戶坐標(biāo)系管理中，使用時(shí)直接調(diào)用。

3.總結(jié)和展望

三維建模技術(shù)在隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展和促進(jìn)下，得到了快速的發(fā)展，三維建模技術(shù)的精度更高，真實(shí)感更強(qiáng)，使用技術(shù)和裝備更簡(jiǎn)單，能夠滿足水文纜道建設(shè)中各個(gè)層次需求，更加直觀的解決水文纜道建設(shè)施工中二維圖像不好表達(dá)的問(wèn)題。三維建模在以后的水文纜道設(shè)計(jì)中必然成為重要的工具，需要我們水文纜道設(shè)計(jì)建模人員的努力之外，還需要借鑒其他行業(yè)三維建模發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和成果，在以后水文纜道設(shè)計(jì)建模中如何結(jié)合實(shí)際需要建立具有指導(dǎo)行水文纜道設(shè)計(jì)建模的方法、原則和標(biāo)準(zhǔn)是未來(lái)水文纜道設(shè)計(jì)建模工作組研究的重要問(wèn)題。

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