水利水電工程建筑物三維可視化建模技術研究

□王夢帆　□杜貝貝　□隋　翔（商丘市水利施工總隊；南陽市水利建筑勘測設計院）

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水利水電工程建筑物三維可視化建模技術研究

□王夢帆1□杜貝貝1□隋翔2
（1商丘市水利施工總隊；2南陽市水利建筑勘測設計院）

準確、快捷的創建水利工程三維可視化模型是切實促進工程現代化、數字化發展的關鍵舉措，高效的建模技術是實現這一舉措的主要工具。對于可視化技術而言，這是一種涉及眾多知識和學科的新興技術，從出現以來就得到了廣泛的關注和應用。建模實現可視化可以使人們從圖形等資料中直接接收相應的信息，比傳統意義上的文本接受方式更加快捷、明了，此外在三維模型當中進行修改或更新也更加方便。

大型水利水電工程；建筑模型；可視化技術；可視化建模

1　三維可視化技術概述

可視化主要指的是人類大腦中某種事物圖像所對應的心智處理過程（Mentalprocessing）。可視化技術的應用可以將計算機當中原始的數字信號轉化為圖形或圖像，令使用者可以更加直觀的進行觀察，看到過去不可見的新事物，而且還可以提供各種視覺交互方法。該技術的核心主要包含以下方面：可將計算機中原始的數據轉化為圖形或者是圖像；基于面向對象技術的圖形用戶界面設計，也就是可視化建模技術，其過程模型見圖1。

圖1　過程模型圖

對于可視化技術而言，三維可視化是一項十分重要的組成，強調使用三維的方法準確反映客觀事物，是計算機可視化的一部分，在許多科學領域都有著較為廣泛的使用。

如今，隨著計算機科學在眾多領域中的不斷延伸，三維可視化已經滲透到許多學科之中，該技術的充分運用可以為相應學科的研究提供很大的幫助，具有推動學科進一步發展的重要作用。如，在建筑建設、交通運輸、醫療衛生等領域中合理使用三維可視化，可以從根本上提升決策者所具有的預見性，以此有效避免了損失與浪費；在動畫設計等領域中合理使用三維可視化，可以為人們帶來極強的視覺沖擊；此外，仿真技術的出現，還能大幅提升醫療手術、制造加工以及礦產開發等工作的準確率。如今，三維可視化在城市設計規劃、電力工程、交通運輸以及礦產開發等領域中的應用逐漸廣泛，但還沒有在水利行業得到大范圍的普及，因此還需要學者與研究人員為此付出努力。

2　大型水利水電工程建筑物建模總體思路

就建模而言，模型層次的劃分實質上是對于物理構成與仿真而言的，由于水利建筑物類型多樣，物理構成存在很大的差別，所以劃分過程中應遵循的基本原則需要針對某一種具體的系統進行規定，以下提出的三種原則為普遍遵循的：

第一，模型自身具有層次。模塊是構成系統的基礎，可將模塊稱之為元素或基本模型，表示組成復雜系統無法再進行分解的子系統。其中，上層模塊屬于主要成分之一，它主要由元素或者是底層模塊構成，存在于最上端的模塊被稱之為系統模型。所以，在針對某一個系統實施模塊劃分的過程中，需要對其實行細致的分解，同時考慮不同模塊間的構成關系及其可連接性。第二，模塊劃分過程中，需要將相互獨立的設備作為基礎。第三，從數學的角度將，模塊必須具有一定獨立性，也就是可對其進行特性描述的所有部件方程，而且計算的所有流程都需要處在程序之內。

2.1可對建筑實體進行表示的方式主要有三種類型

分別為：空間分割方式，這是一種由簡單物體以粘合的方式而形成的新型構造體，這些可以被粘合的物體統稱為基本體素，形態可以是立方體也可以是長方體；構建實體幾何方式，該方式與空間分割基本相同，都是將某一種實體構造成體素組合，但這一方法會運用較多的計算；邊界表示方式，無論實體如何，其都會和邊界保持對應關系，所以可以描述實體的邊界來事對實體進行表達。

2.2水利建筑物的建模步驟

通過以上建模思路可知，水利建筑物的建模過程可分為三步驟進行：幾何建模；形象建模；三維顯示。

建模過程中需要建GIS（Geographic Information System，地理信息系統）作為開發平臺，并輔以CAD（Computer aided design，計算機輔助設計）與3dsmax（3D Studio Max）等軟件支持，一同進行三維可視化建模工作。

3　大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術

3.1建筑三維模型

在比例尺相對較大的仿真條件當中，主要房屋與管道的建模是最為基礎的工作項目之一。從箱式房屋的角度將，建筑可看成由頂面與多個墻面所圍成的實體；管道可看成是由圓形外壁與各個閘所圍成的實體。

3.2平面三維模型

通常條件下，對面形水系要素的主要特征表現為：存在明確邊界且在可視區域中高程保持不變，模型構建可以通過三角剖分進行，可以將其看作是由水平面作為高程的平面形式，模型比實際范圍略大，超出部分可被地形遮蓋，進而確保和地形無縫銜接。

3.3三維實體構建

3.3.1參數化實體建模

此建模方法主要是指通過幾何關系，構成一套可以使用參數進行控制的部件，再由部件構建成結構模型。在進行參數化設計的過程中，通常使用代數方程對約束表達，它可將幾何形狀轉換為不同的特征點，按照約束的要求表達成代數方程，而各個特征點則可視作方程變元。這種約束模型不僅可以對主要對象的信息進行表達，還可以表述模型間存在的幾何關系。將這一理念融入以圖形為主的數據結構當中，即可創建一個參數化模型，通常幾何約束可以分成兩種形式，分比為結構約束以及尺寸約束。其中，結構約束主要是指各種幾何元素之間所存在的隱式條件，不屬于變動的對象，而尺寸約束主要用來相對位置的確定，屬于典型的變動對象，該設計方法所具有的特點為：將變參數形式下的幾何模型作為基礎；具備實現參數驅動目標能力；可提供參數化約束方法。

3.3.2CAD實體建模

此建模方法主要是指提出幾種幾何元素及約束條件，通過計算求出元素，以此滿足約束條件。使用這種方法進行建模時，需使用CAD軟件，人工或自動編程繪制出實體，也可使用模型庫當中現存的元件借助“拼接、交叉”等方式組成實體模型。

在水利工程中，根據工程填筑材料的種類以及結構的各種形式將其劃分成多個壩塊，將整體分成獨立且存在一定聯系的部件，此類部件形狀不一，對其實施圖形建模，在此過程中即可對定量信息進行變量化，使其變成可進行調整的參數，賦予變量不相同的數值，得到形狀與大小均不相同的部件，這樣一來，不僅提升了建模效率，還能提高建模質量。然后，按照層次關系將各個部件構成大壩的整體模型，每個部件都存在與其自身對應的身份標識，如果需要進行修改，僅需依照具體的標識就可以找到修改位置。以參數調整的方式完成修改。幾何模型創建完畢之后，以Polygon形式再次生成實體，并進行保存，這樣即可借助數據傳輸功能將模型導進開發平臺，在充分發揮CAD軟件功效的同時，高效的使用了系統所具有的模型管理性能。

3.3.3特征建模

該建模方法將定義特征作為基礎，在系統中形成一系列特征庫與分類，并將其表示成層次化結構。設計時用戶可以根據特征的具體類型，通過尺寸約束，增加相應的位置約束，以此實現特征建模及求解。在水利工程中，該建模方法主要用于主體建筑的三維可視化建模。設計前，先根據其形態實施分類，創建對應的模型庫，并進行子程序編程，輸入參數，調用對應的子程序，創建各段的實體模型，然后對其進行組合形成整體模型。以水利工程城門隧洞為例，調用模型庫當中現存的對應子程序，先后導入斷面坐標、高度、夾角與軸線和x軸間的夾角等重要參數，然后程序運行創建出隧洞的實體模型。建模過程中，結合中心點、斷面規格、斷面半徑以及軸線和x軸間的夾角等參數，在考慮各段幾何特性的基礎上，調用模型庫當中現存的對應子程序，即可創建出特性幾何模型。

4　結語

文章將大型水利水電工程建筑物作為主要研究對象，深入分析了三維可視化建模技術。該技術成功將建模和可視化進行融合，具備直觀性、穩定性與高效性等優勢特點，通過對該建模技術的合理使用，可以大幅減少非本質信息運算量，對建模的過程完成了進一步的簡化，從根本上提升了建模工作的效率，也極大的提升了具體模型的生成與調整的效率。就目前而言，數字化水利工程發展迅速，三維可視化建模建模技術憑借其獨特的優勢特點必將成為水利行業發展的主要技術支撐。

［1］王瑞瑤.談水利水電工程三維可視化研究進展與前景［J］.山西建筑，2014，02：231-233.

（責任編輯：于慧慧）

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