水利水電行業三維協同設計中三維可視化的應用與研究

宋明佳

（上海勘測設計研究院 上海 200434)

1 引言

隨著工程規模的不斷擴大、工程技術含量和國際化程度的逐步提高，以及由于日益激烈的競爭所帶來的對于造價、工期、質量的要求不斷提高。水利水電行業的設計單位正努力尋求突破來迎接這些挑戰。

但是，以二維為基礎的 CAD（計算機輔助設計)技術，經過近二十年的發展，潛力已經被充分挖掘。由于二維 CAD設計的自身局限性，使得它只能主要作為生成設計圖紙的手段，不能在工程的全生命周期發揮更多作用。相比之下，三維協同設計不僅可以提升設計質量、提高設計效率，還可以在設計過程中將整個工程的各種信息整合在一起，使得后續的施工以及運營過程中可以利用這些信息，從而提高設計成果的附加值，為設計領域打開了更廣闊的發展空間。

水利水電工程中的設計、施工、運營等各個領域正悄然發生一場數字化的變革。在這場變革過程中，設計單位作為整個工程數字信息的源頭，并且在技術上具備一定的優勢，因此理所當然的沖在了最前沿。行業內的幾家技術實力較強的設計院經過多年的探索和實踐，已經在這一領域取得了顯著的成績，這也使得其它設計單位看到了工程數字化的可行性和發展前景。

2 三維可視化介紹

采用三維協同設計手段所帶來的好處有很多，例如，三維可視化使得溝通更為高效；各專業協同工作可以保證設計成果的及時更新；利用碰撞檢測能夠提前發現設計中的錯誤；利用模型庫從而實現快速布置等等。本文主要針對三維可視化這一特點進行展開，探討一下三維可視化在工程設計各個環節中的應用，以及三維可視化所帶來的意義。

在以往我們所熟悉的二維設計中，表達工程構造的形態只有通過二維圖紙，并且每張二維圖紙中所包含的幾何信息是不完整的，需要通過多張圖紙加上工程師大腦的理解，才能描述工程構造的形態。相比之下，在三維設計中，設計過程就好象我們在計算機創造出的三維空間中虛擬的把工程建造出來一樣，這個過程中我們設計的每個構造都是直觀的、可視的。這種可視化融入在三維設計的整個過程中，看似自然而然，但是如果正確加以利用，將為工程設計帶來很多益處。

3 三維可視化的應用和意義

從二維到三維的轉變，不僅僅是設計工具的轉變，更重要的是設計理念的轉變。如果過分的依賴以往在二維設計中的工作流程和工作習慣，將很難發揮三維設計的優勢，三維設計軟件將只能淪為切出二維圖紙的工具。所以，首先要轉變思想，發現和利用三維設計的優勢和特點，探索出更適合三維設計的、更好的工作方式。

三維可視化帶來的好處主要包括，三維模型直觀形象、利于專業溝通、利于技術交底、利于成果展示等等。以下將對工程設計過程中的溝通、設計、出圖、展示這四個環節所帶來新的工作方式一一進行闡述。

3.1 溝通過程中的三維可視化

3.1.1 設計、業主、施工三方的溝通

整個設計過程中的溝通是非常重要的，溝通一般可以分為外部溝通和內部溝通。外部溝通就是指設計、業主和施工三方間的溝通。與業主的溝通往往是最受重視的，因為業主的意見直接會影響設計的更改，所以在以往的二維設計中，設計單位也會積極的與業主溝通。首先，由于二維設計圖紙的半成品幾乎無法理解，只有等全部圖紙完成之后才能完整的呈現設計成果。另外，由于二維圖紙不夠形象直觀，設計單位往往需要借助效果圖、三維動畫這些有限的可視化手段才能把工程形象的展示給業主，僅靠這些手段只能展現工程設計中非常有限的內容，因此，往往會造成由于溝通不及時或者溝通不全面而產生的分歧，從而導致一些不必要的修改或矛盾。

在三維協同設計中大大改善了這些問題。三維模型相比二維圖紙理解起來容易的多，從而降低了業主看圖紙的難度。并且三維設計的中間成果也是直觀可見的，所以隨時都可以審查設計的進度和成果。在設計過程中和業主之間盡可能多的視覺直觀溝通，對于設計的修改減少和意見分歧的減少都非常有益處。而且業主對于這種流暢的溝通所帶來的對設計過程的可控感，也會增加對設計單位技術水平的認可。

三維模型數據除了用在設計階段，設計單位和業主進行有效溝通外，也可以用在施工階段，作為業主、施工和設計三方互相之間有效溝通的手段。

例如，可以利用軟件的功能來模擬工程中各組成部分的施工順序，以可視化的形式模擬出任意時間點工程的進度狀態，比以往施工進度表的形式更加直觀，便于設計、施工、業主之間的充分協調，更加合理的優化施工方案。在3D模型的基礎上加入了時間這個維度，因此稱為4D。

一些復雜的施工工藝，以往都是用報告的形式以文字描述，但是這個過程中難免用文字會產生理解上的偏差。如果直接在三維模型中制作簡單的可視化動畫，來預先推演復雜施工工藝的流程，就可以一目了然，甚至還可以提前發現一些可能發生的問題。

3.1.2 設計人員與校審人員間的溝通

設計院的內部溝通主要是設計人員和校審人員間的溝通，由于三維設計中可視化所帶來的直觀與高效，應該讓設計人員和校審人員之間也盡可能多的視覺直觀溝通，同樣會對減少設計修改并提早發現設計中問題。

三維協同設計軟件中的三維可視化可以通過很多種方式實現，如何在匯報過程中在最短的時間內定位到想要看的內容，減少一些不必要的多于操作，是設計人員需要掌握的技巧。

（1)利用Microstation軟件中SavedView功能，預先存儲好想要展示的視角，這樣就避免了很多在三維模型中移動、旋轉和縮放視角的鼠標操作，節省匯報時間。并且將這些不同的視角以一定的規律命名，存儲下來，當校審人員打開這個文件時可以按照這些有規律的命名，來快速看到他想要看的位置。

（2)可以在模型中布置好一些攝像機的運動軌跡線，存儲下來，方便所有打開這個文件的人調用，這樣就可以快速的讓視角沿著預先設定好的路徑行進，實現快速的在工程模型中漫游。這種實時漫游的模式可能會因為模型文件太復雜而顯得不流暢，通常情況下還需要將這些漫游的過程渲染成動畫或者全景圖，方便流暢的觀看。

（3)在三維協同設計工作方式下，可以考慮將所有這些視角、攝像機路徑、渲染動畫、全景圖等，作為設計成果被存儲下來，按照一定的標準和規則來調用。

3.2 設計過程中的三維可視化

以往的二維設計中，設計的表達方式主要是二維圖紙，真正的空間形態需要在工程師頭腦中才能形成。這樣就導致我們的設計除了滿足工程最核心的功能外，其他的一些性能上的分析和設計不夠深入。采用三維協同設計后，由于其可視化這一特點，工程師可以很直觀的發現工程中一些不合理的地方或者存在的隱患，使得設計更加深入和細致。

并且，設計單位可以利用三維可視化的展示方式，把這些設計上的考量直觀的展示給業主，讓業主體會到我們在設計上的用心和專業。

（1)例如，大型設備的運輸與吊裝，通過在三維模型中采用動態的碰撞檢測，可以優化設備安裝方案；

（2)利用虛擬的人在模型中行走發現設備布置的一些不合理的地方；

（3)通過讓運營管理單位對三維模型進行審查，提早的發現一些使用上不合理的布置；

（4)建筑性能方面的分析，如消防安全、視線管理、熱能分布、照明分析等，在三維空間中進行設計和表達要方便的多。

這些新的設計因素的引入，也對工程師提出了新的要求。在推廣三維協同設計的初期，工程師由于以前多年形成的工作方式，更習慣于看二維圖紙。他們更關心的是如何在三維模型上切出想要的圖紙，審查校核仍然在二維圖紙上進行。這種轉變的確需要一個過程，但要盡快的通過一些制度上的措施，促使工程師完成這一轉變，才能發揮出三維協同設計更大的作用。

3.3 出圖過程中的三維可視化

目前，三維協同設計的最終成果仍以二維圖紙為主。從設計好的三維模型中切出平面、立面、剖面圖等，在組圖的過程中，可以利用三維設計可視化這一優勢，多采用新的二維表達方式，來豐富圖面的內涵。

（1)多采用軸側圖等立體圖形式，使得工程構造更加容易理解。

（2)充分利用軟件中顯示樣式的自定義功能，生成帶有體著色、陰影、特殊線型、材質等的二維圖，讓圖面效果更豐富；

（3)建筑的外立面可以采用渲染圖表達；

（4)以不同顏色來區分模型中各部分的施工先后順序。

采用上述這些超越常規二維圖紙的表現形式，不僅使得圖面更生動、豐富和直觀，并且令由三維設計切出的圖紙更具鮮明的特征。

目前階段，雖然設計成果的移交還是以二維圖紙的方式，但是相信在不遠的將來，越來越多的施工單位和業主單位將認可三維模型文件。之所以目前仍離不開二維圖紙的原因主要是因為在施工現場看電子版圖紙，尤其是看三維模型文件不方便，但是很多國外的工程承包商已經意識到三維模型給他們帶來的好處，在施工現場有各種計算機設備來瀏覽三維模型，甚至是直接修改模型文件。

3.4 展示過程中的三維可視化

效果圖和三維動畫這兩種三維可視化方式，在以往的二維設計中很常見。在三維設計中，細節完善和高精度的工程模型是設計的核心產物，直接從這些三維模型就可以生成效果圖和動畫，作為設計的副產品，這兩種可視化展示方式將有更廣的應用空間。

除了以前在二維設計中常見的用三維渲染來表現工程的建筑設計方案外，在更加精細的工程三維模型基礎上，可以展現出任何想要表現的視角、剖面、施工順序、運行原理等，使得三維動畫表現的內容更加豐富和全面。

三維渲染的畫面質量與很多因素有關，全局光、陰影、抗鋸齒、材質、反射、折射等等。要得到更好的畫面質量就需要更長的渲染時間。多數情況下工程師只需要采用一般的渲染精度就可以滿足要求了。在投標方案展示、工程典禮、重要會議、市場宣傳等重要場合，需要采用更高質量的渲染。

Microstation軟件除了三維設計的功能外，也具備一定的三維渲染的功能，可以直接將設計好的模型進行渲染。而且Microstation可以和第三方的渲染器Maxwell結合，提升渲染品質。今后一定會有業內更好的渲染器登陸 Microstation平臺，進一步提升渲染品質。

除了直接在Microstation中渲染外，還可以將三維模型導出到 3dsmax中進行三維動畫和效果圖的制作，發揮不同軟件各自的長處，實現更豐富的渲染和動畫效果。

4 三維可視化新技術的展望

三維協同設計的新技術層出不窮，利用三維可視化這一優勢，使得設計正朝著直覺化的方向發展。有了這些技術，工程設計以及模型的進一步利用變得更加簡單、自然和直觀。

（1)點云技術。利用激光掃描設備，將工程現場的數據掃描成三維點云數據，然后導入到軟件中。這樣就可以將三維設計模型和已有現場物體之間進行精確的比對，從而優化設計方案。

（2)Hypermodeling技術。將二維剖面圖和三維模型在剖切位置疊加，同時將一些外部的文檔等文件鏈接進來。使得二維圖紙與三維模型和各種外部文檔直接有效的鏈接成一個整體。

（3)增強現實技術。將工程實景的影像與該工程的三維信息模型疊加，在例如消防、維修設備等場合更快速高效的利用工程三維模型和信息。

5 結語

三維協同設計打破了二維設計在空間上的局限，使得工程師能夠在三維空間中自由的創造和工作，同時為設計、業主、施工提供了更好的溝通平臺，為工程的數字化發展奠定了技術基礎。

水利水電設計行業正經歷這樣一場從二維到三維的設計技術變革。這個過程中伴隨著設計習慣、理念以及工作模式的改變，這些是每個單位和部門都要面對的挑戰。率先適應這一轉變一定會為我們企業的發展和行業的進步打開更廣闊的空間。