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)。

“術(shù)業(yè)有專攻”，任何一家科技公司，無(wú)論多么強(qiáng)大，也無(wú)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(wèn)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(wú)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(guò)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。
在部分工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和開發(fā)中，嘗試通過(guò)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。

! B1 q, O2 J4 m% o1 Y（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。

圖1 前坪水庫(kù)工程三維信息模型

" e% U" i- n+ j3 k（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。
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圖2 前坪水庫(kù)工程場(chǎng)地開挖模型

（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。
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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

) |, g+ ]+ M& H; d（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。
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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

& J* f. [0 W$ H6 D（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(lái)，制作前坪水庫(kù)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。

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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(lái)

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(lái)

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

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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(guò)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(guò)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(guò)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。
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" A0 T' R2 v% S1 p6 M（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。

圖9 利用ArcGIS從航拍影像圖中提取公路、河流和房屋輪廓

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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

（7）由于等高線和DEM精度較低，無(wú)法描繪河流、公路、沖溝形態(tài)，以此建立的地形模型將無(wú)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(guò)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(guò)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。
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圖11 地形制作平臺(tái)-World Machine結(jié)點(diǎn)設(shè)備網(wǎng)

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

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圖13 通過(guò)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。

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

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

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對(duì)于處于前期階段的工程設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，由于缺乏實(shí)測(cè)資料，無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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)。

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我走更遠(yuǎn)

圖片很漂亮，原來(lái)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(méi)有這個(gè)人

這么神奇嗎，