三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
——評(píng)《軟土水利基坑工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》

趙善利

吳 睿等著中國(guó)水利水電出版社出版ISBN：9787508410838定價(jià)：￥193.00

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)得以在諸多行業(yè)、領(lǐng)域得到應(yīng)用，并被引入水利工程設(shè)計(jì)中。三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程三維模型的精確建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程形態(tài)的具體模擬，進(jìn)而全面呈現(xiàn)水利工程的建筑物形態(tài)、運(yùn)行及施工過(guò)程等。水利工程具有投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，涉及面廣，而通過(guò)在水利工程決策階段或建設(shè)前期引入三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程項(xiàng)目中存在的問(wèn)題進(jìn)行有效評(píng)估并提供解決方案。三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)憑借其諸多優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得以在水利工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)是一項(xiàng)呈現(xiàn)工程設(shè)計(jì)成果的多媒體表現(xiàn)方式，其同時(shí)還可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)及施工。依托對(duì)工程各個(gè)結(jié)構(gòu)、局部場(chǎng)景的精準(zhǔn)建模，從多個(gè)角度、層面進(jìn)行觀察分析，可找出工程設(shè)計(jì)中存在的不足之處，進(jìn)而及時(shí)解決工程設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。除此之外，在工程竣工后的運(yùn)行管理階段，依托三維動(dòng)畫(huà)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)設(shè)施運(yùn)行過(guò)程及運(yùn)行效果的直觀監(jiān)測(cè)?；诖?，結(jié)合《軟土水利基坑工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》一書(shū)，對(duì)三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開(kāi)研究探討。

由吳睿主編的《軟土水利基坑工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》一書(shū)，既可作為從事基坑工程施工、監(jiān)理、監(jiān)測(cè)等的技術(shù)人員和高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生學(xué)習(xí)使用，還可供從事基坑工程設(shè)計(jì)尤其是軟土水利基坑設(shè)計(jì)的技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。作者從軟土水利基坑工程特征出發(fā)，全面論述了軟土水利基坑工程的設(shè)計(jì)理論和方法，并從滿足設(shè)計(jì)人員知識(shí)結(jié)構(gòu)要求的角度，介紹了軟土水利基坑工程的施工及其質(zhì)量控制，施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)和環(huán)境保護(hù)等內(nèi)容，并引入了4個(gè)軟土水利基坑工程的實(shí)例?！盾浲了庸こ痰脑O(shè)計(jì)與應(yīng)用》一書(shū)共六章，第一章為概論部分，涉及軟土水利基坑工程的發(fā)展、軟土水利基坑工程的特殊性等內(nèi)容；第二章論述了軟土的工程性質(zhì)及土壓力計(jì)算，涉及工程勘察和測(cè)試、土壓力計(jì)算等內(nèi)容；第三章論述了軟土水利基坑工程的設(shè)計(jì)，涉及軟土水利基坑工程的基本形式與方案設(shè)計(jì)原則、基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算、重力式擋墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算等內(nèi)容；第四章論述了軟土水利基坑工程的施工和質(zhì)量檢測(cè)，涉及邊坡降水和開(kāi)挖、水泥土攪拌樁和SMW工法施工、鉆孔灌注樁的施工、板樁施工等內(nèi)容；第五章論述了監(jiān)測(cè)與環(huán)境保護(hù)，涉及基礎(chǔ)理論概述、監(jiān)測(cè)儀器和方法、監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)等內(nèi)容；第六章是工程實(shí)例部分，涉及木瀆港泵閘工程基坑工程、張家塘泵閘樞紐工程基坑圍護(hù)、上海化學(xué)工業(yè)區(qū)二級(jí)排水工程一期泵涵基坑圍護(hù)工程等內(nèi)容。該書(shū)針對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)中就施工質(zhì)量、施工監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)等諸多方面所提出的相關(guān)要求及建議都是十分有價(jià)值的。另外，該書(shū)做到了理論與實(shí)踐的有效結(jié)合，由此可促進(jìn)對(duì)相關(guān)工程實(shí)際問(wèn)題的有效解決。

水利工程作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，長(zhǎng)期以來(lái)是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的方向。水利工程不論是其建筑結(jié)構(gòu)還是所處地形均存在一定的特殊復(fù)雜性，二維圖紙可傳遞的信息量十分有限，不僅對(duì)施工技術(shù)人員空間想象能力提出了較高的要求，而且會(huì)造成較大的人力物力浪費(fèi)。相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)軟件，三維動(dòng)畫(huà)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：其一，設(shè)計(jì)成果直觀清晰，便于使用者理解運(yùn)用。三維動(dòng)畫(huà)不僅可提供傳統(tǒng)的平面圖紙，還可呈現(xiàn)三維模型，可從不同方位、層次呈現(xiàn)工程的整體面貌或者局部特征，描述建筑物與周邊環(huán)境、其他建筑物相互間的空間邏輯關(guān)系，進(jìn)一步提高使用者的認(rèn)知水平，為設(shè)計(jì)工作提供諸多便利。其二，參數(shù)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，便捷修改。參數(shù)化設(shè)計(jì)指的是將設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要素轉(zhuǎn)化為某一函數(shù)的變量，依托轉(zhuǎn)變函數(shù)來(lái)獲取不同的設(shè)計(jì)方案。參數(shù)化設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容所做的任意改變均可自動(dòng)在其對(duì)應(yīng)的部分予以呈現(xiàn)。構(gòu)件的刪除、移動(dòng)以及尺寸的調(diào)節(jié)所造成的參數(shù)轉(zhuǎn)變，均使得對(duì)應(yīng)構(gòu)件的參數(shù)發(fā)生相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)變，所有視圖下所發(fā)生的變化均可參數(shù)化、雙向傳播至各個(gè)視圖，從而確保所有視圖的統(tǒng)一性，而無(wú)須分別對(duì)各個(gè)視圖進(jìn)行修改調(diào)整。其三，為各專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)提供便利，提高工作效率。水利工程設(shè)計(jì)涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)，不同專(zhuān)業(yè)相互間的溝通配合至關(guān)重要。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)環(huán)境下，不同專(zhuān)業(yè)相互間的交流通常要反復(fù)開(kāi)展，甚至在工程實(shí)施過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)因?yàn)闇贤ú坏轿欢斐稍O(shè)計(jì)失誤。在三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)支持下，不同專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員均可對(duì)工程有直觀的了解，由此為相互間的溝通帶來(lái)極大的便利。最為關(guān)鍵的是將不同專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)成果集中于同一三維動(dòng)畫(huà)中，進(jìn)而可消除一系列諸如高程、尺寸等不相符的問(wèn)題。此外，在開(kāi)展設(shè)計(jì)工作時(shí)，不同專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)既可逐一開(kāi)展，也可在相互間進(jìn)行有效溝通后同步開(kāi)展，提高了設(shè)計(jì)效率。綜上，三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)具備一系列傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)軟件無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，但因?yàn)槿S動(dòng)畫(huà)技術(shù)依舊處在發(fā)展階段，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有待積累，標(biāo)準(zhǔn)欠缺，還需要進(jìn)一步投入相應(yīng)的人力物力進(jìn)行推廣。

三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的形體、運(yùn)動(dòng)、質(zhì)感等方面的有效呈現(xiàn)。借助該項(xiàng)技術(shù)對(duì)水利工程項(xiàng)目開(kāi)展計(jì)算機(jī)多媒體制作，可在工程設(shè)計(jì)前期對(duì)工程的方案選擇、重點(diǎn)施工對(duì)象等予以虛擬處理，還可在工程竣工后，對(duì)深水中、山體內(nèi)等難以直觀呈現(xiàn)的相關(guān)工程內(nèi)容進(jìn)行模擬，依托不同角度、不同層次的觀測(cè)分析，找出工程設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題與不足，為設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)作為一種呈現(xiàn)工程設(shè)計(jì)成果的多媒體表現(xiàn)方式，在水利工程設(shè)計(jì)中可發(fā)揮至關(guān)重要的作用，具體而言：其一，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程建筑物主體結(jié)構(gòu)的明確呈現(xiàn)。三維動(dòng)畫(huà)可從不同角度呈現(xiàn)工程建筑的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等，在模型支撐下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)廠房、壩體等建筑結(jié)構(gòu)的便捷觀察。其二，實(shí)現(xiàn)對(duì)各專(zhuān)業(yè)設(shè)備布置的直觀呈現(xiàn)。通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)，可直觀呈現(xiàn)水利工程廠房中設(shè)置的各類(lèi)專(zhuān)業(yè)設(shè)備，并明確不同專(zhuān)業(yè)設(shè)備在實(shí)際場(chǎng)景中所存在的相互關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)工作提供可靠依據(jù)。其三，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程運(yùn)行原理及施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)，可動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)水利工程的運(yùn)行及施工過(guò)程，由此還可作為相關(guān)工程項(xiàng)目技術(shù)、工藝研究的有效延伸。

近年來(lái)，三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。水利工程設(shè)計(jì)三維動(dòng)畫(huà)的制作，通常要經(jīng)過(guò)以下過(guò)程：其一，建立模型。即從一個(gè)基本結(jié)合物著手，引入各式各樣的建模命令、方法以建立起最終模型的過(guò)程?，F(xiàn)階段，結(jié)合水利工程建筑物模型特征，較為常用的建模技術(shù)包括細(xì)分建模技術(shù)、基礎(chǔ)投影建模技術(shù)等。其二，材質(zhì)賦予。建模完成后，渲染獲取的畫(huà)面與實(shí)際物體還存在一定差異，這是因?yàn)樯形礊槟Ｐ唾x予真實(shí)的材質(zhì)、紋理。材質(zhì)、紋理作為三維動(dòng)畫(huà)制作的關(guān)鍵要素，可結(jié)合實(shí)際需求，為該階段的模型賦予材質(zhì)，進(jìn)一步增強(qiáng)模型的真實(shí)感。其三，燈光布設(shè)。對(duì)一個(gè)動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景開(kāi)展燈光設(shè)置不單是為了展示場(chǎng)景細(xì)節(jié)，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)注重營(yíng)造出一定的藝術(shù)效果，比如合理的明暗對(duì)比，需要由燈光營(yíng)造出相應(yīng)的氛圍，由此要求對(duì)燈光強(qiáng)度、光源所處部位等進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。對(duì)于三維動(dòng)畫(huà)制作而言，可采用一種快速高效的布光方法，也就是兩點(diǎn)布光技術(shù)。這一技術(shù)使用多種不同場(chǎng)景的燈光照明，諸如水工建筑物、科研示范工程等。兩點(diǎn)布光法主要包括主光源、輔助光源。其中，主光源可發(fā)揮照亮場(chǎng)景的作用，同時(shí)可為物體投射陰影，倘若需要對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行模擬，則需要運(yùn)用無(wú)線平行光，主光源設(shè)置應(yīng)當(dāng)盡可能防止從物體正面進(jìn)行照射，而應(yīng)當(dāng)從物體側(cè)面開(kāi)展布光；輔助光源主要是對(duì)表面沒(méi)有被主光源照射到的陰暗部位予以補(bǔ)光，防止暗部細(xì)節(jié)的缺損。通常情況下，輔助光源亮度設(shè)置要顯著低于主光源，并且不投射陰影，通常在與主光源對(duì)稱位置開(kāi)展布光。其四，關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)。幀，即影像動(dòng)畫(huà)中單幅影像畫(huà)面。影片是由若干連續(xù)的圖片組成的，每張圖片即為一幀，連續(xù)的幀即可形成動(dòng)畫(huà)。幀數(shù)為在1秒時(shí)間中對(duì)應(yīng)傳輸?shù)膱D片幀數(shù)，可用fps表示。人眼視覺(jué)暫留時(shí)間為1/24秒，只要不超過(guò)這個(gè)時(shí)間，人眼所看到的便是連續(xù)畫(huà)面。我國(guó)現(xiàn)階段采用的是帕爾制制式標(biāo)準(zhǔn)，即每秒25幀。在三維動(dòng)畫(huà)制作中，運(yùn)用的是25幀/秒。不管是哪一種動(dòng)畫(huà)，要想表現(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者變化，前后最少要提供兩個(gè)不一樣的關(guān)鍵狀態(tài)，而中間狀態(tài)的轉(zhuǎn)變及銜接，可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)中，表示關(guān)鍵狀態(tài)的幀稱作關(guān)鍵幀。在兩個(gè)關(guān)鍵幀之間，計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成過(guò)渡畫(huà)面的幀稱作過(guò)渡幀。關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)是三維動(dòng)畫(huà)制作中較為常用的一種方法，其實(shí)際上為展現(xiàn)隨時(shí)間而轉(zhuǎn)變的動(dòng)畫(huà)數(shù)值的過(guò)程。而三維動(dòng)畫(huà)制作中關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)即動(dòng)畫(huà)過(guò)程的兩端，中間幀的動(dòng)作是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。其五，渲染輸出。在三維動(dòng)畫(huà)制作中，渲染輸出指對(duì)三維動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景自動(dòng)輸出圖片的過(guò)程。模型、材質(zhì)、燈光等設(shè)置完畢，便要開(kāi)展渲染輸出工作。渲染輸出主要憑借計(jì)算機(jī)自主運(yùn)算進(jìn)行，渲染以幀為單位，每渲染一幀需要用時(shí)2分鐘，渲染出一秒的三維動(dòng)畫(huà)便需要50分鐘。其六，動(dòng)畫(huà)合成。渲染輸出完畢，目標(biāo)文件夾中均為圖片文件，一幀對(duì)應(yīng)一張圖片，還沒(méi)有生成視頻文件。在此期間，要求將所有圖片傳輸至視頻編輯合成軟件，應(yīng)用相關(guān)視頻編輯軟件，對(duì)動(dòng)畫(huà)開(kāi)展處理、合成，便可獲取最終的視頻格式動(dòng)畫(huà)。

總而言之，在水利工程設(shè)計(jì)中引入三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)，可為技術(shù)人員提供確切真實(shí)的三維視覺(jué)模型，在水利工程實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅可通過(guò)計(jì)算機(jī)了解到工程的未來(lái)景象，階段性成果匯報(bào)中也可呈現(xiàn)具有良好應(yīng)用價(jià)值的匯報(bào)信息。另外，依托計(jì)算機(jī)三維模型可對(duì)水利工程設(shè)計(jì)方案開(kāi)展直觀分析、評(píng)價(jià)，進(jìn)一步檢測(cè)設(shè)計(jì)方法合理與否、樞紐設(shè)置合理與否等。三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)具有直觀、高效的特征，在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可促進(jìn)水利工程設(shè)計(jì)不斷向可視化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展?！盾浲了庸こ痰脑O(shè)計(jì)與應(yīng)用》一書(shū)為我們系統(tǒng)梳理了軟土水利基坑工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。