三維動(dòng)畫技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃鋅 彭嫣

《水利水電工程水力機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研究》一書針對(duì)水利水電工程中水力機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，論述了引水徑流式水電站混流式機(jī)組、河床式水電站燈泡貫流機(jī)組、引水式電站沖擊式機(jī)組水力機(jī)械主機(jī)選型和水力機(jī)械輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì);對(duì)中高揚(yáng)程水泵站和低揚(yáng)程水泵站主泵選型與輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)進(jìn)行了研究;針對(duì)多泥沙水電站水力機(jī)械磨蝕情況，提出了抗磨蝕的解決辦法及技術(shù)建議，還對(duì)水利工程設(shè)計(jì)中計(jì)算模型的建立與方法進(jìn)行了研究。全書分為五個(gè)章節(jié)，分別為水電站主機(jī)選型及水力機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水泵站主泵選型及水力機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水電站水輪機(jī)抗磨蝕、水電站技術(shù)改造以及水電站、泵站過(guò)渡過(guò)程技術(shù)研究。《水利水電工程水力機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研究》一書提出，水利工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作，其中涉及海量數(shù)據(jù)信息，因此水利工程設(shè)計(jì)需要較高的規(guī)劃設(shè)計(jì)水平和先進(jìn)的技術(shù)手段。在水利工程設(shè)計(jì)中，單純依靠人力對(duì)數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行測(cè)量、采集、計(jì)算，則必然無(wú)法在工期內(nèi)完成。因此，基于提高水利工程設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)信息的采集速度與質(zhì)量，保證水利工程設(shè)計(jì)能夠符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在水利工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)勢(shì)在必行。為了獲得更加可靠的數(shù)據(jù)，且利用數(shù)據(jù)分析得出更加準(zhǔn)確的結(jié)果，可以運(yùn)用三維動(dòng)畫技術(shù)來(lái)開展設(shè)計(jì)。三維動(dòng)畫技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，不僅能夠使得水利工程設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)，還能夠有效提升設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

《水利水電工程水力機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研究》一書提出，在工程建設(shè)行業(yè)中三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)是其發(fā)展的必然趨勢(shì)，只有直觀生動(dòng)的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)才能夠讓缺乏工程技術(shù)知識(shí)、不熟悉平面布置結(jié)構(gòu)的人通過(guò)三維動(dòng)畫模型來(lái)交流設(shè)計(jì)理念，溝通設(shè)計(jì)思路，打造更理想的設(shè)計(jì)方案?；谌S動(dòng)畫設(shè)計(jì)的工程設(shè)計(jì)能準(zhǔn)確表達(dá)工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖與目的，且符合人們的思維習(xí)慣，讓設(shè)計(jì)人員可以全神貫注于設(shè)計(jì)本身，而不是二維圖紙的繪制。三維動(dòng)畫技術(shù)能夠生成用于開展有限元分析的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行幾何形狀設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件的集合。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)可以利用設(shè)計(jì)成果的三維模型投影自動(dòng)生成二維設(shè)計(jì)圖，若對(duì)三維模型進(jìn)行修改，則二維工程圖可自動(dòng)更新。且三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)可以利用著色與渲染功能來(lái)獲得水利工程的三維效果圖，不需要額外制作模型就可以使人全面、準(zhǔn)確地了解水利工程外觀，有助于設(shè)計(jì)方案的調(diào)整與決策，從而加快水利工程設(shè)計(jì)審批速度，推動(dòng)水利工程建設(shè)順利開展。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)還能夠根據(jù)設(shè)計(jì)需求快速得出水利工程的體積、質(zhì)量、重心等參數(shù)，對(duì)水利工程成本進(jìn)行預(yù)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、預(yù)算一體化，全面推動(dòng)水利工程設(shè)計(jì)改革。

三維動(dòng)畫之所以能夠在建筑工程設(shè)計(jì)中普及應(yīng)用，是因其擁有傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)難以比擬的優(yōu)越性。三維動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用在水利工程設(shè)計(jì)中的主要價(jià)值在于能夠充分參與到水利工程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)中去，便于開展密切的溝通交流與協(xié)調(diào)，避免因展示不全面、溝通不暢而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)問(wèn)題，且能提高水利工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)形式在水利工程設(shè)計(jì)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件一體化輸出，無(wú)法保證設(shè)計(jì)周期，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中難以進(jìn)行全面徹底的檢查，如需要變更設(shè)計(jì)，難度較大?；诙S設(shè)計(jì)下的水利工程設(shè)計(jì)流程是線性的，如其中任意部分改動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致其他部分的變動(dòng)，因此只有等所有部門都完成設(shè)計(jì)改動(dòng)后才能完成最后的設(shè)計(jì)工作。二維平面設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出明顯的平面性與間接性，主要是通過(guò)平面視圖與投影等方式來(lái)展現(xiàn)水利工程的外形與內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)，無(wú)法得到水利工程的三維軸測(cè)圖紙、開挖圖紙等。而三維動(dòng)畫應(yīng)用在水利工程設(shè)計(jì)中優(yōu)勢(shì)較為明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)在宏觀上簡(jiǎn)化了水利工程設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中的繪圖與讀圖過(guò)程，能夠有效節(jié)約生產(chǎn)成本，且能夠?qū)崿F(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件的一體化輸出。二是三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠在短時(shí)間內(nèi)掌握設(shè)計(jì)意圖，較為便捷，可以提高水利工程設(shè)計(jì)效率，且三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件可以進(jìn)行全面的檢查，降低設(shè)計(jì)出錯(cuò)的概率。后期修改也較為便捷，能夠有效提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。相比二維設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)流程為交互并行狀態(tài)，如某部分出現(xiàn)改動(dòng)，則最終設(shè)計(jì)成果會(huì)自動(dòng)更改，且設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與成果均為多部門共享，能夠有效提升三維設(shè)計(jì)效率。三是三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)成果是立體的，人們可以通過(guò)三維動(dòng)畫立體造型來(lái)直觀感受水利工程建筑的外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所見即所得。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)下的圖紙可視性較強(qiáng)，可以直接通過(guò)三維模型獲得二維圖紙。整體來(lái)看，三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)在水利工程設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)與外觀的描述更加真實(shí)準(zhǔn)確，能夠展現(xiàn)出強(qiáng)大的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)可視化設(shè)計(jì)，可以顯著減少設(shè)計(jì)校對(duì)時(shí)間與工作量。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)克服了二維平面設(shè)計(jì)中的各種缺陷，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步背景下水利工程設(shè)計(jì)的必然發(fā)展趨勢(shì)。

水利工程設(shè)計(jì)在選擇設(shè)計(jì)軟件的過(guò)程中需要從自身實(shí)際需求入手，選擇與自身實(shí)力相匹配，能夠高質(zhì)量、高效率完成設(shè)計(jì)的軟件，主要需要考慮以下幾個(gè)方面：一是水利工程的性質(zhì)、規(guī)模;二是水利工程的系統(tǒng)性與集成性，要考慮水利工程數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等;三是工程化、實(shí)用化;四是開放性，用戶操作界面友好，擁有齊全的外部接口并支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于大多數(shù)水利工程來(lái)說(shuō)，所需的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件需要綜合CAD、CAE、CAM為一體。在眾多軟件中，CATIA較為適用于水利工程設(shè)計(jì)，其具有良好的開放性與兼容性。

現(xiàn)以CATIA軟件為例分析三維動(dòng)畫在水利工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。CATIA是法國(guó)達(dá)索公司設(shè)計(jì)產(chǎn)品，擁有先進(jìn)的混合建模技術(shù)，其中所有模塊都具有相關(guān)性，所營(yíng)造的并行工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)能夠有效縮短設(shè)計(jì)周期，且能夠覆蓋水利工程設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。第一，CATIA的主要模塊。CATIA的應(yīng)用功能十分強(qiáng)大，可以分為曲面設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工程與知識(shí)工程四大部分。一是曲面設(shè)計(jì)模塊。曲面設(shè)計(jì)模塊在水利工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用，主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：對(duì)水利工程設(shè)計(jì)中涉及的各類地形、地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行合理解決或處理，如水利工程設(shè)計(jì)中較為復(fù)雜的曲面、曲面變形、逆向工程等處理;在應(yīng)用過(guò)程中還可以對(duì)三維建模過(guò)程中的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入處理，以形成地質(zhì)建模數(shù)據(jù);利用水利工程地質(zhì)建模的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，以保證水利工程設(shè)計(jì)中地質(zhì)、水工等方面信息數(shù)據(jù)得以平衡，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。二是內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊。內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊在水利工程設(shè)計(jì)中主要針對(duì)水利工程部件選擇與運(yùn)用的合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)難度較大的曲面設(shè)計(jì)工作。另外，還能夠完成數(shù)據(jù)的模板化設(shè)計(jì)，為水利工程的建模打造直觀形象的環(huán)節(jié)。對(duì)于水利工程設(shè)計(jì)的過(guò)程與方法能夠進(jìn)行捕捉與重建，從而提高水利工程設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。三是施工工程模塊。施工工程模塊在水利工程設(shè)計(jì)中主要用于解決水利工程整體布置問(wèn)題，可以完成曲面、地質(zhì)設(shè)計(jì)等運(yùn)算，能夠?qū)λこ淘O(shè)計(jì)進(jìn)行全面計(jì)劃，并對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行平衡。四是知識(shí)工程模塊。知識(shí)工程模塊在水利工程設(shè)計(jì)中主要用于對(duì)模板化的問(wèn)題進(jìn)行處理，在CATIA中加入設(shè)計(jì)規(guī)則，為后續(xù)水利工程設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，使得水利工程設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。第二，CATIA在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。一是零部件設(shè)計(jì)。水利工程的零部件設(shè)計(jì)就是對(duì)水利工程內(nèi)部的各模塊進(jìn)行實(shí)體化的造型設(shè)計(jì)。首先，需要對(duì)水利工程中的模塊進(jìn)行初步繪制，即在掌握水利工程設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)部各個(gè)模板進(jìn)行二維圖繪制;其次，運(yùn)用CATIA中預(yù)設(shè)的零件設(shè)計(jì)模塊來(lái)對(duì)模塊進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，且根據(jù)零件外形之間存在的拓?fù)潢P(guān)系明確其相應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)行模型制作;最后，根據(jù)水利工程設(shè)計(jì)要求對(duì)模塊的輔助特點(diǎn)進(jìn)行加工處理，從而完成零部件的設(shè)計(jì)工作。二是裝配設(shè)計(jì)。裝配設(shè)計(jì)流程首先是利用CATIA中的對(duì)稱工具來(lái)對(duì)零部件進(jìn)行復(fù)制，以加快模型導(dǎo)入速度;其次，在明確各零部件裝配關(guān)系的基礎(chǔ)上對(duì)零部件進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，如對(duì)零部件的角度、間距等進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，這一過(guò)程需要對(duì)零部件的位置與細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)致的校對(duì)、檢查，以保證零部件的適用性;最后，對(duì)零部件組裝過(guò)程中存在的缺陷進(jìn)行校驗(yàn)，保證零部件在裝配過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)矛盾與沖突，如在校驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，則需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整與處理。三是數(shù)據(jù)管理。CATIA中的VPM模塊可以對(duì)水利工程設(shè)計(jì)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，其主要作用在于將水利工程數(shù)據(jù)源存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)與電子倉(cāng)庫(kù)的服務(wù)器中，并根據(jù)數(shù)據(jù)的屬性、類別與命名進(jìn)行統(tǒng)一歸類管理，對(duì)水利工程設(shè)計(jì)的模型版本進(jìn)行更新、規(guī)劃等。VPM模塊能夠?yàn)椴煌脩粼O(shè)置訪問(wèn)權(quán)限與角色，針對(duì)不同數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的訪問(wèn)權(quán)限，以保護(hù)數(shù)據(jù)安全。整體來(lái)看，VPM模塊猶如數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)水利工程設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。最初VPM是獨(dú)立運(yùn)行的，但伴隨著CATIA的廣泛應(yīng)用，VPM模塊便與CATIA相結(jié)合，一同開展水利工程設(shè)計(jì)。VPM模塊可以快速查詢CATIA中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，還能夠?qū)λこ痰慕Y(jié)構(gòu)與零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。不論是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單亦或是復(fù)雜的數(shù)據(jù)項(xiàng)目，均可以運(yùn)用VPM模塊進(jìn)行分析，掌握CATIA中存儲(chǔ)的關(guān)于水利工程設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)聯(lián)系。

綜上所述，水利工程設(shè)計(jì)作為三維立體空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雖然在初期設(shè)計(jì)中采用的是平面投影圖、剖面圖等工程圖紙，但設(shè)計(jì)人員腦海中所構(gòu)思的是三維結(jié)構(gòu)。在水利工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)，直接生成三維結(jié)構(gòu)模型，能夠更加全面、直接地展現(xiàn)水利工程結(jié)構(gòu)的空間狀態(tài)，展示水利工程建筑結(jié)構(gòu)中的空間關(guān)系，對(duì)水利工程施工量進(jìn)行更加準(zhǔn)確、更加全面的計(jì)算，且可以按照相應(yīng)的規(guī)則來(lái)明確結(jié)構(gòu)面的形狀，減少不必要的參數(shù)錄入，使得水利工程設(shè)計(jì)更加高效、更加便捷。

作者簡(jiǎn)介：黃鋅（1985—），女，湖南長(zhǎng)沙人，湖南大眾傳媒職業(yè)技術(shù)學(xué)院視覺藝術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)橛耙晞?dòng)畫

彭嫣（1987—），女，湖南益陽(yáng)人，湖南大眾傳媒職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研處政工師，研究方向?yàn)閯?dòng)漫設(shè)計(jì)