三維設(shè)計(jì)跨平臺(tái)聯(lián)合應(yīng)用研究與實(shí)踐

寂靜天花板

隨著計(jì)算機(jī)軟,、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,，三維協(xié)同設(shè)計(jì),、BIM技術(shù)逐漸成為主流,，不斷引領(lǐng)包括水利工程在內(nèi)的各傳統(tǒng)行業(yè)向前發(fā)展,。為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流,，國(guó)內(nèi)各設(shè)計(jì)公司均紛紛成立數(shù)字工程中心,，采用目前主流三維設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件Bentley公司的MicroStation三維設(shè)計(jì)系列軟件其他廠商的三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)傳統(tǒng)水利工程進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì),。
9 w/ ^1 ?3 i$ c" I* S2 k; _
“術(shù)業(yè)有專攻”，任何一家科技公司,，無論多么強(qiáng)大,，也無法在各方面都做得最好，而在水利工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域,，涉及到方方面面的技術(shù)問題非常多,，比如工程位置和線路規(guī)劃,、建筑物選型、水力計(jì)算,、結(jié)構(gòu)計(jì)算,、水文、地質(zhì),、特殊土處理等等,，采用單一平臺(tái)軟件往往無法滿足工程設(shè)計(jì)要求，也不可能在各方面都做得最好,。為此,，在進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，跨平臺(tái)聯(lián)合應(yīng)用就顯得尤為重要,，通過發(fā)揮不同平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可高效高質(zhì)量的完成工程設(shè)計(jì),，發(fā)揮三維設(shè)計(jì)成果的最大利用價(jià)值,。
& ]$ Q0 V- }8 G3 ^4 q8 }在部分工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開發(fā)中，嘗試通過以Bentley公司的MicroStation系列三維設(shè)計(jì)平臺(tái)為核心,，聯(lián)合Esri公司的ArcGis地理信息系列平臺(tái),、DHI公司的Mike洪水分析平臺(tái)、World Machine地形制作平臺(tái)以及Epic公司的Unreal Engine三維開發(fā)平臺(tái),，共同完成了從前期工程三維設(shè)計(jì)到后期運(yùn)用管理各階段的工作,，充分發(fā)揮了三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，在此對(duì)三維設(shè)計(jì)跨平臺(tái)聯(lián)合應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié),，以供從事三維設(shè)計(jì)的同行借鑒,。
: k/ @4 H: f2 k! G$ B
9 P2 Z2 l2 m" ]" o（1）采用Bentley公司的MicroStation (SS3)和AECOsim Building Designer進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，得到各建筑物精確三維信息模型,，見圖1,。
& U  M1 ?4 E# f- ~

圖1 前坪水庫工程三維信息模型

5 ]( X1 ?# [7 r# [) S! I2 C（2）以工程三維模型為參考，采用Bentley公司的場(chǎng)地開挖模塊GEOPAK Civil進(jìn)行三維開挖,，包括各建筑物地基開挖和河道治理擴(kuò)挖,，最后得到開挖后的地形場(chǎng)景，見圖2,。
/ O/ U9 c0 Y2 B0 M  ?2 n

圖2 前坪水庫工程場(chǎng)地開挖模型

8 J* C5 N' Q+ t& G4 [1 N  J/ ~（3）將開挖后的場(chǎng)地以.xml格式導(dǎo)出,，并在DHI公司的Mike洪水分析軟件中作為基礎(chǔ)DEM地形進(jìn)行網(wǎng)格剖分和高程插值，以便進(jìn)行洪水分析計(jì)算,。見圖3,。

* M, n5 Y- U) o- X, n

圖3 采用GEOPAK開挖后的三維地形在MIKE中作為底圖剖分的計(jì)算網(wǎng)格

（4）采用DHI公司的Mike 11、Mike 21和Mike Flood模塊構(gòu)建潰壩洪水分析計(jì)算模型,，得到各時(shí)刻洪水要素,，包括水深,、流速、流向,、水位等在二維空間中的分布數(shù)據(jù),。見圖4。

圖4 采用DHI公司的Mike平臺(tái)計(jì)算的潰堤洪水演進(jìn)結(jié)果圖

; k, i; q+ A! L（5）將MicroStation平臺(tái)得到的各建筑物三維模型,、開挖后的場(chǎng)地模型以及洪水計(jì)算結(jié)果在DHI公司的MIKE Animator模塊中整合起來,，制作前坪水庫三維潰堤洪水模擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)洪水的動(dòng)態(tài)演示,、洪水要素實(shí)時(shí)查詢等功能,。見圖5~圖8。

7 J: g2 H: S; O, G( T

圖5 將開挖后的場(chǎng)地模型和各建筑物三維模型在MIKE Animator中整合起來

9 i+ e8 P1 n- m# I  \( B

圖6 將三維模型和洪水計(jì)算結(jié)果在MIKE Animator平臺(tái)中整合起來

' ^( ?" A! `( x* i% u

圖7 在MIKE Animator平臺(tái)中進(jìn)行洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)演示(一)

圖8 在MIKE Animator平臺(tái)中進(jìn)行洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)演進(jìn)(二)

Bentley公司以MicroStation為核心的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)系列軟件具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),，其中包括：1）覆蓋面廣,，幾乎涵蓋所有專業(yè)；2）擁有自己的一套嚴(yán)格的坐標(biāo)定位體系,，為精確建模和模型定位組裝奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),；3）參數(shù)化建模和信息化模型體系，即提升了工作效率,，又能充分發(fā)揮三維模型的價(jià)值,，并便于后期的管理,；4）以ProjectWise為核心的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái),，真正實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)在線協(xié)同設(shè)計(jì)。而DHI公司的Mike洪水分析平臺(tái)軟件則是目前世界上最為先進(jìn)成熟的洪水分析計(jì)算軟件,，可構(gòu)建包括湖泊,、海洋、河流等各類型水力分析計(jì)算模型,，得到洪水演進(jìn)過程中任意時(shí)刻和位置的洪水要素,，包括水位、水深,、流速,、流向等。本項(xiàng)目通過跨兩個(gè)平臺(tái)的聯(lián)合應(yīng)用,，既解決了工程設(shè)計(jì)過程中的重要難題,，也充分發(fā)揮了三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，讓三維信息化模型在各階段均發(fā)揮了更大的利用價(jià)值,。
2 i- @' o" H+ ^
' y2 ?+ V6 p9 U0 O% U（6）采用ArcGis從航拍影像圖,、地勢(shì)圖中提取了等高線、公路,、房屋,、河流等特征地形地物輪廓,，生成低精度地形等高線和DEM高程灰度圖（高程點(diǎn)間接60m），見圖9,、圖10,。
5 O7 H$ {$ ^9 {/ J, t

圖9 利用ArcGIS從航拍影像圖中提取公路、河流和房屋輪廓

圖10 利用ArcGIS從地勢(shì)圖中提取的低精度等高線和生成的DEM灰度圖

4 n' g1 a) f  \( K6 A（7）由于等高線和DEM精度較低,，無法描繪河流,、公路、沖溝形態(tài),，以此建立的地形模型將無法滿足工程三維設(shè)計(jì)需要,。為此，在保證地形整體高程不變的情況下,，通過采用World Machine地形制作平臺(tái),，以低精度DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過導(dǎo)入公路,、河流輪廓走向,，并設(shè)置相應(yīng)高程和形態(tài)參數(shù)，逐步將低精度地形雕刻成包含河流,、沖溝,、雨水沖刷與侵蝕痕跡的高精度逼真地形，最終生成高精度地形模型（以.obj格式導(dǎo)出）和地面紋理圖（以分瓦片.jpg格式導(dǎo)出）,，以供三維設(shè)計(jì)平臺(tái)使用,，見圖11~圖13。
+ d: w4 @9 _& l' Q9 c0 |% ]7 J
) ^4 i0 l3 b' L4 w0 C

圖11 地形制作平臺(tái)-World Machine結(jié)點(diǎn)設(shè)備網(wǎng)

" l9 C# N3 r* F
( n- }2 @, G3 Q, Q4 A

圖12 通過World Machine平臺(tái)雕刻的高精度逼真地形模型

+ x6 F6 I- z7 j  i7 R( P6 H

圖13 通過World Machine平臺(tái)生成的高精度地形紋理圖

（8）將高精度地形模型,、公路居民房屋等地物輪廓,、地形紋理圖等導(dǎo)入以MicroStation為核心的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)里進(jìn)行工程三維設(shè)計(jì)，建立公路,、跨河橋梁,、居民房屋等地面附屬物的精確三維模型，順利完成三維設(shè)計(jì),，見圖14,、圖15。
$ O8 h2 b" `; S7 H3 z4 _1 A

圖14 在MicroStation三維設(shè)計(jì)平臺(tái)里制作的公路三維場(chǎng)景渲染圖

  e1 d. x! z! x' Y& P
1 N6 b& a6 R# ]

圖15 在MicroStation三維設(shè)計(jì)平臺(tái)里制作的涵洞泄洪渲染圖

對(duì)于處于前期階段的工程設(shè)計(jì)來說,，由于缺乏實(shí)測(cè)資料,，無法采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，為此需要借助于類似于ArcGIS和World Machine這樣的平臺(tái)通過間接手段獲取資料,，前者提供了強(qiáng)大了信息提取,、數(shù)據(jù)處理及空間分析功能，而后者可以混合不同的地形要素制作各種逼真的地形地貌效果,。
尼日尼亞菲利亞公路項(xiàng)目由于缺乏實(shí)測(cè)地形資料,，首先通過采用ArcGis平臺(tái)從航拍影像圖,、地勢(shì)圖中提取了等高線、公路,、房屋,、河流等特征地形地物輪廓，生成了低精度地形等高線和DEM高程灰度圖,，然后再通過采用World Machine雕刻修飾地形,，最終得到包含河流、沖溝,、雨水沖刷與侵蝕痕跡的高精度逼真地形模型和紋理圖,，為后續(xù)采用以MicroStation為核心的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)里進(jìn)行三維設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
* P7 _9 l9 S; ^3 |* k
/ M4 s: o4 _* [1 Z" s5 I

我走更遠(yuǎn)

圖片很漂亮，原來是高端論文啊,。如果以后都應(yīng)用了,，城市規(guī)劃就更好了，不會(huì)一下大雨就水浸了,，還淹死人。

沒有這個(gè)人

這么神奇嗎,，