以貴州蒙江灰洞水電站的三維設(shè)計(jì)為例,詳細(xì)介紹三維可視化設(shè)計(jì)

1、摘  要以貴州蒙江灰洞水電站的三維設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹三維可視化設(shè)計(jì)在水利水電工程中的應(yīng)用體會(huì)，展示三維可視化設(shè)計(jì)技術(shù)在土木工程中應(yīng)用的廣闊前景。圖7幅。關(guān)鍵詞三維可視化技術(shù)  集成化項(xiàng)目模型  協(xié)同設(shè)計(jì)1  國內(nèi)三維設(shè)計(jì)現(xiàn)狀目前三維技術(shù)在國內(nèi)工程中的應(yīng)用較為廣泛。1.1  渲染及動(dòng)畫使用情況整個(gè)土木工程設(shè)計(jì)行業(yè)目前大多采用3DSMAX軟件，雖然掌握該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)院比較普遍，但由于生產(chǎn)周期長(zhǎng)、投入的人力多，故未能形成生產(chǎn)力；只有交通規(guī)劃設(shè)計(jì)總院以及水利行業(yè)中的上海院、黃委院、長(zhǎng)委院、成勘院等開展得較好。1.2  仿真使用情況水利行業(yè)只有

2、成勘院進(jìn)行三維施工仿真。原鐵道部幾個(gè)設(shè)計(jì)院進(jìn)行了局部施工仿真，投入軟件費(fèi)用近80萬元。1.3  三維設(shè)計(jì)使用情況國外基本使用Bentley(奔特力)公司產(chǎn)品進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。國內(nèi)形成生產(chǎn)力的單位有廣東電力院，開展該項(xiàng)工作的有廣州地鐵、軍隊(duì)的導(dǎo)彈發(fā)射基地、鐵道部原幾個(gè)設(shè)計(jì)院、香港機(jī)場(chǎng)等。2   三維設(shè)計(jì)在水電工程中的應(yīng)用情況三維可視化技術(shù)應(yīng)用于水利水電工程設(shè)計(jì)是貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院為應(yīng)對(duì)人世后參與國際競(jìng)爭(zhēng)所做的一項(xiàng)技術(shù)儲(chǔ)備，也是為貫徹建設(shè)部、水規(guī)總院有關(guān)文件精神和提高競(jìng)爭(zhēng)力所開展的一項(xiàng)工作。該技術(shù)的成果在2004年全國水利行業(yè)計(jì)算機(jī)年會(huì)上得到與會(huì)專家的一致肯定。

3、現(xiàn)以蒙江灰洞水電站工程為實(shí)例將進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的初步應(yīng)用情況介紹如下。2.1  工程簡(jiǎn)介蒙江流域灰洞水電站位于貴州省羅甸縣境內(nèi)，電站裝機(jī)54MW，年發(fā)電1.819億kW·h。水庫庫容1092萬m3，為日調(diào)節(jié)水庫。大壩為碾壓混凝土拋物線對(duì)稱雙曲拱壩，壩高90m。校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇。主要建筑物有：碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩、泄洪表孔、沖沙底孔、發(fā)電取水口、發(fā)電引水隧洞、地下壓力鋼管、發(fā)電廠房、升壓站等。2.2  三維設(shè)計(jì)過程  基礎(chǔ)資料處理收集庫區(qū)1：10 000地形圖，掃描后通過Geo-graphics進(jìn)行坐標(biāo)校正，用Descar

4、tes軟件進(jìn)行矢量化。在Geographics中利用自動(dòng)坐標(biāo)投影變換功能，將地形圖轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一原點(diǎn)，從而與1：500 GPS壩址地形圖合成，在保證設(shè)計(jì)精度的條件下，形成了工程設(shè)計(jì)所需的三維地面模型(見圖1)。  三維模型設(shè)計(jì)根據(jù)灰洞電站設(shè)計(jì)成果，用Microstation、Tri-forma等軟件制作形成三維實(shí)體模型，有雙曲拱壩(見圖2)、泄洪表孔、沖沙底孔、發(fā)電取水口、發(fā)電引水隧洞、地下壓力鋼管、發(fā)電廠房(見圖3)、升壓站(見圖4)、變壓器等。其中壩體由7個(gè)高程剖面構(gòu)建，每一個(gè)剖面的精確坐標(biāo)點(diǎn)由6個(gè)方程式計(jì)算得出。由于壩型復(fù)雜，在施工階段，要求提供精確的樓梯施工大樣圖，采用三維設(shè)計(jì)，

5、可以非常方便地得到每一級(jí)臺(tái)階的精確坐標(biāo)，大大提高了工程技術(shù)人員的工作效率。通過驗(yàn)證，以上三維實(shí)體均可導(dǎo)入Ansys有限元分析軟件。  合成根據(jù)總體布置圖的要求，用Geopak site精確地合并模型，將建筑模型放在三維地形上，形成了1個(gè)三維的、可視化的工程實(shí)際模型。該地面模型采用了世界上先進(jìn)的三角網(wǎng)技術(shù)，壩區(qū)地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度高。Geopak site能即時(shí)提供可視化地形反饋信息，對(duì)場(chǎng)景中修建公路、修建橋梁、改變壩體形式、移動(dòng)壩體位置、修改開挖邊坡比等情況，均可實(shí)時(shí)地觀察開挖效果，能自動(dòng)重新生成地面模型，不再需要傳統(tǒng)的修改步驟。Geopak site同時(shí)為場(chǎng)地工程設(shè)計(jì)的評(píng)估提供了1套完

6、善的分析工具，能夠生成剖面、計(jì)算體積、分析標(biāo)高差異以及查看坡度和標(biāo)高的差異等(見圖5)。標(biāo)高分析工具允許您對(duì)設(shè)計(jì)模型的標(biāo)高進(jìn)行動(dòng)態(tài)的查詢。隨著鼠標(biāo)在模型中的漫游，能夠動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)標(biāo)高、等高線以及徑流方向、體積計(jì)算和進(jìn)行填挖方平衡的計(jì)算(見圖6)。此外Geopak site還能夠按照棱柱體或網(wǎng)格計(jì)算。軟件允許設(shè)計(jì)者在對(duì)象間、模型與對(duì)象間或按照相對(duì)標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算。在模型建立完成后，設(shè)計(jì)者可以建立以不同顏色代碼表示的標(biāo)高專題圖。可以在網(wǎng)格或三角網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，在模型與其對(duì)象或?qū)ο箝g進(jìn)行類似的比較。Geopak site還能夠顯示并標(biāo)注所有的填挖區(qū)域，幫助設(shè)計(jì)者識(shí)別不同屬性的區(qū)域。通過下面這幅圖(見圖7)

7、，我們可以清楚地看見公路、橋梁。通過不同方案的比較，可以大大提高設(shè)計(jì)精度、縮短設(shè)計(jì)周期、大幅提高設(shè)計(jì)效率。3   評(píng)  價(jià)就三維設(shè)計(jì)在水利水電工程與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手段相比有哪些明顯的優(yōu)勢(shì)和不足，有關(guān)專家和工程技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了評(píng)價(jià)：1)奔特力以Microstation為平臺(tái)，提供了從測(cè)量、地理信息、矢量化、建筑結(jié)構(gòu)以及土木工程的一系列產(chǎn)品，通過用它的產(chǎn)品對(duì)灰洞電站的設(shè)計(jì)(驗(yàn)證)表明在水利水電工程中使用三維可視化、參數(shù)化設(shè)計(jì)從技術(shù)上說是可行的。2)三維工程設(shè)計(jì)使勘測(cè)設(shè)計(jì)行業(yè)特別是土木工程設(shè)計(jì)單位的協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能。在進(jìn)行灰洞工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)，將地形數(shù)字化形成三維地面模型

8、、創(chuàng)建雙曲拱壩、泄洪表孔、沖沙底孔、發(fā)電取水口、發(fā)電引水隧洞、地下壓力鋼管、發(fā)電廠房、升壓站建筑物的三維模型工作同期進(jìn)行，由傳統(tǒng)的串行工作方式改變?yōu)椴⑿泄ぷ鞣绞健Ｉ鲜龉ぷ魍瓿珊?，在進(jìn)行主體建筑物(壩址、壩型)方案比較的同時(shí)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。可解決工程設(shè)計(jì)人員不足的矛盾，將過去只有工程人員能勝任的工作部分轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)技術(shù)人員上。3)三維設(shè)計(jì)可大大提高勘測(cè)設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)成果的利用率，大幅度縮短設(shè)計(jì)周期。基礎(chǔ)資料如三維地面模型(三維地質(zhì)模型)的成果可以在相關(guān)工程中得到重復(fù)利用。本系統(tǒng)特別適用于水利工程的設(shè)計(jì)周期(規(guī)劃一項(xiàng)目建議書一可研初設(shè)施工乃至施工和工程建設(shè)后的運(yùn)行管理)，即每一階段都可在上一階段

9、的模型基礎(chǔ)上按本階段設(shè)計(jì)精度進(jìn)行深化，大大提高了前一階段產(chǎn)品的利用率。4)三維設(shè)計(jì)技術(shù)的使用可以最大程度獲得業(yè)主的滿意。可以利用航片作為材質(zhì)對(duì)設(shè)計(jì)場(chǎng)景很快地進(jìn)行渲染，把各專業(yè)相互之間的設(shè)計(jì)成果以可視化的形式展示出來，達(dá)到虛擬設(shè)計(jì)和虛擬制造的目的。按照預(yù)定的飛行路線，真實(shí)地將設(shè)計(jì)產(chǎn)品展示給業(yè)主。該系統(tǒng)的成果可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地回答專家或業(yè)主在設(shè)計(jì)過程中提出的各種問題。若用于技施階段還可以回答施工單位有關(guān)施工方面的問題。5)可以給設(shè)計(jì)單位帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。6)下一步工作方向：進(jìn)行地質(zhì)信息的處理；實(shí)施航片與三維地形圖的疊加；將水力學(xué)、三維地形、建筑物結(jié)合在一起進(jìn)行有限元分析計(jì)算；各階段的方案比較、工程量、

10、環(huán)境評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)；與P3(工程項(xiàng)目管理軟件)結(jié)合進(jìn)行施工進(jìn)度模擬。4   結(jié)束語在上世紀(jì)80年代與90年代之間，從徒手繪圖設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變到了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)，但即使CAD增進(jìn)了桌面計(jì)算機(jī)的產(chǎn)能，也僅僅只是為項(xiàng)目的過程提供了少許的改變。在整個(gè)土木工程設(shè)計(jì)行業(yè)中，雖然建筑物是3D的，而工程師也是以3D的方式來思考；但是他們所受的傳統(tǒng)教育，卻是教導(dǎo)他們第一步要將3D對(duì)象轉(zhuǎn)化成2D的表現(xiàn)形式，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的紙張和畫筆具有其限制性。傳統(tǒng)的工作流程需要產(chǎn)生大量的2D平面圖、報(bào)告、進(jìn)度表與明細(xì)規(guī)格表，才能完整地描述建筑物。與傳統(tǒng)方式不同的是，由于計(jì)算機(jī)并沒有這類的限制，在三維設(shè)計(jì)中，集成化項(xiàng)目模型不但涵蓋了這些建筑物的內(nèi)容，還包括了項(xiàng)目信息。所有的設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)上的變更，只需在同一個(gè)地方完成即可。與那些無相互關(guān)聯(lián)的文件相比，信息相互關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目模型