基于3Dmax的頂管隧道施工動(dòng)畫的應(yīng)用研究

曹順，陳一飛，李芳，柳志丹，張志增

（1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪 653100）

0 前言

隨著我國城市地下空間工程的發(fā)展，非開挖技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，頂管法作為非開挖技術(shù)的一種，是進(jìn)行城市隧道管線開挖的一種重要方法。頂管隧道施工工藝復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的平面圖紙作為媒介很難對(duì)隧道的設(shè)計(jì)、施工進(jìn)行表達(dá)，施工動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展為這個(gè)問題提供一個(gè)良好的解決方案。運(yùn)用3Dmax[1]動(dòng)畫技術(shù)將頂管施工工藝展現(xiàn)出來，以可視化的形式呈現(xiàn)施工方案，不但可以對(duì)施工工法進(jìn)行普及，而且簡化了施工技術(shù)交底的難度，也提升了施工企業(yè)的形象。

1 施工動(dòng)畫制作前的準(zhǔn)備

1.1 相關(guān)軟件介紹

1.1.1 平面繪圖軟件AutoCAD

在施工動(dòng)畫的制作中，AutoCAD[2]主要用來處理平面施工圖紙，為三維制作提供底圖和參考。

1.1.2 平面圖像處理軟件Photoshop[3]

在施工動(dòng)畫中用來處理與工程相關(guān)的模型貼圖。

1.1.3 三維制作軟件3Dmax

用來完成施工動(dòng)畫建模、材質(zhì)、燈光、動(dòng)畫、渲染等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.1.4 影視特效軟件After Effects[4]

在施工動(dòng)畫的制作中主要被用來與3Dmax相銜接，進(jìn)行特效處理。

1.1.5 后期編輯軟件Vegas

Sony Vegas[5]是一款專業(yè)影像編輯軟件，主要用于對(duì)視頻文件和音頻文件的剪輯和整合。

1.2 硬件設(shè)施的配置

①操作系統(tǒng)可選用Windows7。

②主板使用S2466或者是TYAN的S2462。

③CPU使用AMD公司的Athlon系列CPU，也可以根據(jù)實(shí)際情況配置多個(gè)CPU以增加工作效率。

④顯卡建議采用3D Labs的wildcat系列，這款顯卡是專門針對(duì)三維軟件開發(fā)的。

⑤內(nèi)存前期制作至少選用2GB，后期制作最少選用4GB。

1.3 施工資料的分析

施工動(dòng)畫的目的就是為了對(duì)現(xiàn)實(shí)的施工工藝進(jìn)行仿真，所以其真實(shí)性和準(zhǔn)確性極為重要。為了達(dá)到仿真的目的，需要工作人員既要熟悉施工工藝流程又要掌握三維動(dòng)畫制作技術(shù)。

下面是做施工動(dòng)畫常用的重點(diǎn)施工資料：

①施工組織設(shè)計(jì)部分所涉及的工法工藝和施工流程，根據(jù)需要掌握相關(guān)報(bào)價(jià)、工期、工程概況；

②施工圖紙；

③現(xiàn)場圖片資料。

2 施工動(dòng)畫制作要領(lǐng)

2.1 建模

建模[6]是進(jìn)行三維動(dòng)畫的第一步，3Dmax提供了強(qiáng)大的建模工具例如標(biāo)準(zhǔn)基本體、擴(kuò)展基本體、復(fù)合對(duì)象、基本幾何圖形、可編輯樣條線、可編輯多邊形、面片建模、可編輯網(wǎng)格、NURBS建模以及基于多邊形的石墨建模工具和運(yùn)用動(dòng)力學(xué)的建模等，通過這些建模工具的綜合使用并配合3Dmax眾多的修改器就可以做出自然界中存在的大多數(shù)模型。

2.2 材質(zhì)貼圖

3Dmax提供了眾多的材質(zhì)類型，但是3Dmax的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)以其使用方便，占用內(nèi)存小，渲染速度快，并且能夠滿足使用要求等特點(diǎn)為廣大使用者所喜愛。標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)基本可以制作出自然界90%的材質(zhì)類型，只要抓住物體的物理屬性就可以制作出優(yōu)秀的材質(zhì)效果。

2.3 燈光

3Dmax中的燈光[7]包括標(biāo)準(zhǔn)燈光和光度學(xué)燈光，光度學(xué)燈光是真實(shí)的燈光，常用來表現(xiàn)室內(nèi)場景。一般來說施工動(dòng)畫屬于室外場景，所以常用標(biāo)準(zhǔn)燈光進(jìn)行表現(xiàn)，常用的標(biāo)準(zhǔn)燈光有泛光、目標(biāo)聚光、目標(biāo)平行光。對(duì)于燈光的布置可分為太陽光、天光和室內(nèi)光，太陽光常用一盞目標(biāo)平行光進(jìn)行表現(xiàn)，天光常用一組目標(biāo)聚光組成燈光陣列進(jìn)行表現(xiàn)，對(duì)于室外場景的室內(nèi)燈光通常用泛光燈進(jìn)行表現(xiàn)。

2.4 動(dòng)畫

3Dmax有一個(gè)龐大的動(dòng)畫系統(tǒng)[8]，功能也相當(dāng)?shù)呢S富，在施工動(dòng)畫的制作中常用的有以下幾種。

2.4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)和Biped、CAT動(dòng)畫

運(yùn)動(dòng)學(xué)分為正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)，這類動(dòng)畫在施工動(dòng)畫中較為常見，主要用來制作機(jī)械動(dòng)畫如挖掘機(jī)、推土機(jī)、吊車的動(dòng)畫等。

Biped骨骼動(dòng)畫配合蒙皮修改器主要用來制作人物動(dòng)畫，在施工動(dòng)畫中較為常見的有施工現(xiàn)場施工員的動(dòng)畫和周圍人群的動(dòng)畫。CAT動(dòng)畫主要用來制作多足動(dòng)物動(dòng)畫，比如說貓、狗等的動(dòng)畫。

2.4.2 動(dòng)力學(xué)動(dòng)畫

動(dòng)力學(xué)基于真實(shí)的物理引擎對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的物理行為進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，動(dòng)力學(xué)在施工動(dòng)畫中主要用來構(gòu)建物體的真實(shí)物理屬性和物理環(huán)境來對(duì)工程事故進(jìn)行描述，比如塌方、滑坡、隧道的巖爆等。

2.4.3 粒子動(dòng)畫

3Dmax提供了龐大的粒子系統(tǒng)，配合力和導(dǎo)向板的使用可以產(chǎn)生各種復(fù)雜的效果，在施工動(dòng)畫中主要用來描述水的流動(dòng)、混凝土的澆筑、焊接產(chǎn)生的火星、燃燒、雨雪天氣等。

2.4.4 參數(shù)動(dòng)畫

在3Dmax中任何一種參數(shù)變化都可以被記錄成動(dòng)畫，并且可以通過曲線編輯器進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)整，在施工動(dòng)畫中占有重要的位置。比如通過材質(zhì)參數(shù)的調(diào)整可以記錄物體的明暗變化，通過切片修改器參數(shù)的調(diào)整可以生成建筑的生長動(dòng)畫，通過擠出修改器參數(shù)的調(diào)整可以生成混凝土澆筑動(dòng)畫等。

2.4.5 約束動(dòng)畫

約束動(dòng)畫屬于控制器動(dòng)畫的一類，包括位置約束、鏈接約束、注視約束、方向約束、路徑約束等，在施工動(dòng)畫中常用的約束動(dòng)畫是路徑約束、鏈接約束，經(jīng)常被用來制作汽車、飛鳥、游魚的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。

2.4.6 關(guān)聯(lián)參數(shù)

關(guān)聯(lián)參數(shù)將物體自身的屬性與其它物體的屬性相關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到控制與制約的目的。在施工動(dòng)畫中常用的是變換參數(shù)的互相關(guān)聯(lián)，比如說閘門的開關(guān)動(dòng)畫。

2.4.7 其它動(dòng)畫

在施工動(dòng)畫中常用的動(dòng)畫還有燈光動(dòng)畫、材質(zhì)動(dòng)畫等一些其它類型的動(dòng)畫。

2.5 渲染

常用的渲染器[9]有3Dmax自帶的線性掃描渲染器和Vray渲染器，Vray渲染器以其簡單易用和渲染質(zhì)量高為廣大制作者所青睞，但是其對(duì)電腦的配置要求相對(duì)較高，渲染用時(shí)相對(duì)較長。線性掃描渲染器雖然有其自身的局限性但是其渲染速度一直以來為廣大用戶所稱贊，對(duì)電腦的配置要求也相對(duì)較低。針對(duì)施工動(dòng)畫這種重在表現(xiàn)施工流程的項(xiàng)目來說，在基本渲染質(zhì)量能夠保證的前提下線性掃描渲染器不失為一種不錯(cuò)的選擇。

3 施工動(dòng)畫的制作流程

以“鄭州市軌道交通四號(hào)線貨站街站管線遷建工程”為依托全面展示施工動(dòng)畫的制作流程。

3.1 項(xiàng)目分析

接到一個(gè)項(xiàng)目后首先要進(jìn)行的是資料收集，而后進(jìn)行項(xiàng)目分析。通過與施工技術(shù)人員的交流和圖紙圖片資料的收集大致可以確定以下幾個(gè)方面的信息。

3.1.1 工程概況

擬建的“鄭州市軌道交通四號(hào)線貨站街站”位于鄭州市青年路和隴?？焖偻ǖ乐g，中州大道西側(cè)。擬建地鐵站位置有市政污水管線通過，為不影響地鐵車站的施工決定對(duì)原污水管線進(jìn)行遷建。管線遷建布置如圖1所示。

3.1.2 施工方案

圖1 工程概況圖

分鏡表

通過查閱資料了解到施工方?jīng)Q定采用頂管法進(jìn)行遷建工程的施工，工程量涉及到三個(gè)工作井施工、三個(gè)接收井施工、五段管段頂進(jìn)施工和原管道封堵施工。其中施工井決定采用沉井和懸掛式豎井兩種施工方法進(jìn)行施工，管段頂進(jìn)決定采用土壓平衡頂管機(jī)施工。

該工程屬于地下暗挖工程，施工難度大，施工過程復(fù)雜，需要進(jìn)行表現(xiàn)的細(xì)節(jié)多。通過對(duì)項(xiàng)目的分析決定按照施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工動(dòng)畫的分鏡制作，根據(jù)對(duì)關(guān)鍵施工方法的確定制作了如下鏡頭分鏡表：

3.2 文件管理

施工動(dòng)畫制作過程中所生成的各類文件眾多，如果不能有一個(gè)良好的文件管理辦法就會(huì)導(dǎo)致制作過程的混亂，也不利于后期的修改。在制作前需要對(duì)不同的文件進(jìn)行統(tǒng)一的分類管理對(duì)號(hào)入座。

就施工動(dòng)畫的制作而言一般會(huì)產(chǎn)生的文件有3Dmax源文件、maps文件、3Dmax序列幀文件、AE源文件、AE序列幀文件、Vegas源文件、合成輸出文件、音樂文件等，在制作前可以對(duì)這些文件進(jìn)行統(tǒng)一的分類。文件分類如圖2所示。

圖2 文件管理圖

在進(jìn)行文件管理的同時(shí)也要對(duì)文件的單位、尺寸、坐標(biāo)進(jìn)行規(guī)定，比如說本項(xiàng)目的3Dmax文件單位統(tǒng)一使用“米”，坐標(biāo)采用世界坐標(biāo)統(tǒng)一歸零，幀率采用25幀/s、圖像格式統(tǒng)一采用png、圖像尺寸統(tǒng)一采用720像素×400像素。

這種文件管理方式通過幾次使用均取得了不錯(cuò)的效果，一個(gè)良好的文件管理方法將使制作過程變得簡潔、流暢、高效，起到事半功倍的效果。

3.3 分鏡制作

3.3.1 片頭

片頭奠定了整個(gè)工程動(dòng)畫的基調(diào)，一個(gè)好的片頭能夠給觀看者帶來強(qiáng)大的視覺沖擊和強(qiáng)烈的心靈震撼。一般來說作為工程動(dòng)畫的片頭應(yīng)力求沉穩(wěn)大氣，與工程形象相吻合。本片片頭采用3Dmax結(jié)合AE進(jìn)行制作，如圖3所示以衛(wèi)星環(huán)繞地球引出本片題目進(jìn)入主題的闡述，簡潔干練符合本工程的工程形象。

3.3.2 項(xiàng)目介紹

圖3 片頭

項(xiàng)目介紹力求簡潔明了，本片采用AE對(duì)項(xiàng)目的地理位置、基本施工流程在平面地圖上進(jìn)行了展示，讓觀看者對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的輪廓有了清晰的認(rèn)識(shí)，為下節(jié)具體工藝流程的展開奠定了基礎(chǔ)，最終的效果如圖4所示。

圖4 項(xiàng)目介紹

3.3.3 沉井施工

首先對(duì)沉井的施工工藝[10]進(jìn)行分解，沉井的施工工藝流程如圖5所示。

圖5 沉井施工工藝流程圖

沉井施工所用到的模型主要為鋼筋網(wǎng)、墊木、混凝土井壁、挖掘機(jī)、推土機(jī)、塔吊、混凝土車等。其中鋼筋網(wǎng)、墊木、混凝土井壁通過多邊形建模技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建并為其賦予標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，挖掘機(jī)、推土機(jī)、塔吊、混凝土車可以從相關(guān)網(wǎng)站下載或者自己構(gòu)建簡模，一般來說常用的機(jī)械模型可以事先構(gòu)建模型庫以備需要隨時(shí)調(diào)用。沉井的施工過程所涉及到的動(dòng)畫知識(shí)相對(duì)較為簡單，混凝土的澆筑可以通過3Dmax粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，井壁的下沉和接高可以通過位移動(dòng)畫和切片修改器實(shí)現(xiàn)，最終效果如圖6所示。

3.3.4 懸掛豎井施工

懸掛豎井施工[11]所用施工機(jī)具模型與沉井施工所用施工機(jī)具模型有眾多雷同，動(dòng)畫種類與沉井施工也差不多，只需注意按施工流程制作即可，懸掛豎井的施工流程如圖7所示。

最終效果如圖8所示。

圖6 沉井施工

圖7 懸掛豎井施工工藝流程圖

3.3.5 頂管施工

頂管施工[12]是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行著力表現(xiàn)。頂管施工的工藝流程如圖9所示。

圖9 頂管施工工藝流程圖

在制作時(shí)大部分場景可利用沉井施工的場景，不需要重新進(jìn)行構(gòu)建，而只需要構(gòu)建頂管機(jī)械設(shè)備即可。頂管機(jī)械設(shè)備在進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)可采用標(biāo)準(zhǔn)基本體加多邊形建模的綜合建模技術(shù)進(jìn)行建模并為其賦予標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)和相關(guān)貼圖。其涉及到的動(dòng)畫部分主要是管節(jié)吊裝、管節(jié)頂進(jìn)、刀盤切土。管節(jié)吊裝中吊車梁的移動(dòng)可采用位移動(dòng)畫，管節(jié)吊運(yùn)可采用鏈接約束，管節(jié)頂進(jìn)可采用運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)畫和位移動(dòng)畫，刀盤切土可采用旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫和粒子系統(tǒng)進(jìn)行制作。

最終效果如圖10所示。

3.3.6 截污封堵

在新舊管道的連接需要進(jìn)行截污封堵施工，先將新舊管道打通，然后關(guān)閉舊管道閘門，使舊管道的水不再流經(jīng)廢棄管道，最后在廢棄管道兩段進(jìn)行封堵以完成施工。

圖10 頂管施工

圖11 截污

截污封堵細(xì)節(jié)豐富，僅通過三維不利于表現(xiàn)，故采用二維加三維的方式進(jìn)行處理。如圖11所示先在AE中用平面圖的形式對(duì)工程截污的總體流程進(jìn)行描述，再采用三維對(duì)封堵的細(xì)節(jié)進(jìn)行表達(dá)，如圖12所示。采用三維對(duì)封堵的細(xì)節(jié)進(jìn)行表達(dá)時(shí)通過放樣技術(shù)構(gòu)建管道、水體，所用到的動(dòng)畫主要為材質(zhì)動(dòng)畫、Bpied骨骼動(dòng)畫、切片動(dòng)畫，其中材質(zhì)動(dòng)畫用于描述水體的流動(dòng)、Bpied骨骼動(dòng)畫用于描述潛水員的運(yùn)動(dòng)、切片動(dòng)畫用于描述墻體的砌筑過程。

圖12 封堵

3.3.7 項(xiàng)目完工

項(xiàng)目完工時(shí)再次總攬全局，展示項(xiàng)目完工時(shí)的工程情形。與項(xiàng)目介紹階段的工程概況形成對(duì)比，展現(xiàn)出工程施工的最終成果。該部分的制作用AE以平面圖的形式開展，如圖13所示。

3.4 后期特效處理

一部優(yōu)秀的施工動(dòng)畫離不開后期處理，在此階段將前面產(chǎn)生的各3Dmax序列幀文件逐一導(dǎo)入到AE中進(jìn)行后期校色并添加相應(yīng)的特效，后期處理工作完成后輸出AE序列幀到AE序列幀文件夾中并以其工序名稱命名，同時(shí)保存相應(yīng)的AE源文件到AE文件夾中并以其工序名稱命名。

3.5 剪輯輸出

圖13 項(xiàng)目完工

剪輯輸出是施工動(dòng)畫制作的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，需要在Vegas軟件中進(jìn)行。制作時(shí)將AE序列幀文件夾中的各序列幀文件統(tǒng)一導(dǎo)入到Vegas中進(jìn)行排序剪輯并為其添加轉(zhuǎn)場配制字幕和解說詞，其中解說詞的錄制速度控制在3字/s[13]。最后渲染出最終成品，輸出格式可以選擇通用的MP4、MPEG等常用格式，尺寸可根據(jù)需要選用720像素×400像素、1024像素×576像素、1280像素×720像素等。

4 結(jié)語

利用施工動(dòng)畫技術(shù)研發(fā)了頂管法施工全過程的仿真模擬，展現(xiàn)了該工法的重點(diǎn)和難點(diǎn)。并結(jié)合研發(fā)過程探討了施工動(dòng)畫的制作流程和技術(shù)要領(lǐng)。

相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，施工動(dòng)畫技術(shù)不僅會(huì)在大項(xiàng)目中普遍應(yīng)用，在中小型項(xiàng)目中也會(huì)推廣開來，為推動(dòng)土木工程領(lǐng)域的信息化發(fā)展注入新的活力，成功的為建設(shè)項(xiàng)目增值服務(wù)。