三維設計跨平臺聯(lián)合應用探索與實踐

文｜屈志剛

隨著計算機軟、硬件技術的飛速發(fā)展，三維協(xié)同設計、BIM技術逐漸成為主流，不斷引領包括水利工程在內的各傳統(tǒng)行業(yè)向前發(fā)展。為順應時代發(fā)展潮流，國內各設計公司均紛紛成立數(shù)字工程中心，采用三維設計系列軟件對傳統(tǒng)水利工程進行三維協(xié)同設計。

從2012年底至今，通過采用Bentley公司的MicroStation系列平臺軟件，河南省水利勘測設計研究有限公司先后完成了前坪水庫、南水北調沙河渡槽工程等近20個水利工程項目。在項目進行的過程中，通過思考怎樣才能更好的利用三維協(xié)同設計完成工程項目、取得最好的設計效果并發(fā)揮三維設計成果的最大利用價值，總結了很多有用的經(jīng)驗，其中很重要的一條就是要善于跨平臺聯(lián)合應用。

“術業(yè)有專攻”，任何一家科技公司，無論多么強大，也無法在各方面都做到最好。在水利工程設計領域，涉及到方方面面的技術問題非常多，比如工程位置和線路規(guī)劃、建筑物選型、水力計算、結構計算、水文、地質、特殊土處理等等，采用單一平臺軟件往往無法滿足工程設計要求，也不可能在各方面都做到最好。為此，在進行三維協(xié)同設計時，跨平臺聯(lián)合應用就顯得尤為重要，通過發(fā)揮不同平臺的優(yōu)勢，取長補短，可高效、高質量的完成工程設計，發(fā)揮三維設計成果的最大價值。

在部分工程項目設計和開發(fā)中，河南省水利勘測設計研究有限公司嘗試通過以Bentley公司的MicroStation系列三維設計平臺為核心，聯(lián)合Esri公司的ArcGis地理信息系列平臺、DHI公司的Mike洪水分析平臺、World Machine地形制作平臺以及Epic公司的Unreal Engine三維開發(fā)平臺，共同完成了從前期工程三維設計到后期運用管理各階段的工作，充分發(fā)揮了三維設計的優(yōu)勢。

圖1 前坪水庫工程三維信息模型

圖2 前坪水庫工程場地開挖模型

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

圖4 采用DHI公司的Mike平臺計算的潰堤洪水演進結果圖

前坪水庫潰壩分析工程中跨平臺聯(lián)合應用實例

在前坪水庫工程設計及潰壩分析工程設計中，首先采用了Bentley公司的三維設計平臺對前坪水庫工程進行三維設計，利用了包括基礎平臺MicroStation (SS3)、場地開挖GEOPAK Civil以及建筑設計AECOsim Building Designer等模塊，其后聯(lián)合DHI公司的Mike洪水分析平臺，包括Mike 11、Mike 21、Mike Flood等模塊完成了前坪水庫工程潰壩分析，并通過洪水分析，進一步改善了工程設計。

項目設計過程

（1）采用Bentley公司的MicroStation (SS3)和AECOsim Building Designer進行三維設計，得到各建筑物精確三維信息模型，見圖1。

（2）以工程三維模型為參考，采用Bentley公司的場地開挖模塊GEOPAK Civil進行三維開挖，包括各建筑物地基開挖和河道治理擴挖，最后得到開挖后的地形場景，見圖2。

（3）將開挖后的場地以.xml格式導出，并在DHI公司的Mike洪水分析軟件中作為基礎DEM地形進行網(wǎng)格剖分和高程插值，以便進行洪水分析計算，見圖3。

（4）采用DHI公司的Mike 11、Mike 21和Mike Flood模塊構建潰壩洪水分析計算模型，得到各時刻洪水要素，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。

（5）將MicroStation平臺得到的各建筑物三維模型、開挖后的場地模型以及洪水計算結果在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景，實現(xiàn)洪水的動態(tài)演示、洪水要素實時查詢等功能，見圖5、圖6。

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

圖6 在MIKE Animator平臺中進行洪水演進動態(tài)演示

項目經(jīng)驗總結

Bentley公司以MicroStation為核心的三維設計平臺系列軟件具有很多獨特的優(yōu)點，包括覆蓋面廣，幾乎涵蓋所有專業(yè)；擁有自己的一套嚴格坐標定位體系，為精確建模和模型定位組裝奠定堅實的基礎。參數(shù)化建模和信息化模型體系，既提升了工作效率，又能充分發(fā)揮三維模型的價值，并便于后期的管理；以ProjectWise為核心的多專業(yè)協(xié)同設計平臺，真正實現(xiàn)了多專業(yè)在線協(xié)同設計。

同時，DHI公司的Mike洪水分析平臺軟件則是目前世界上最為先進成熟的洪水分析計算軟件，可構建包括湖泊、海洋、河流等各類型水力分析計算模型，得到洪水演進過程中任意時刻和位置的洪水要素，包括水位、水深、流速、流向等。本項目通過跨兩個平臺的聯(lián)合應用，既解決了工程設計過程中的重要難題，也充分發(fā)揮了三維協(xié)同設計的優(yōu)勢，讓三維信息化模型在各階段均發(fā)揮了更大的利用價值。

尼日尼亞菲利亞公路項目中跨平臺聯(lián)合應用實例

在尼日尼亞菲利亞公路項目中，河南省水利勘測設計研究有限公司首先采用Esri公司的ArcGIS對航拍影像圖提取了公路、房屋、河流等特征地形地物輪廓，生成了低精度DEM高程灰度圖.其后采用World Machine地形制作平臺重新修飾了地形，生成了逼真的河流、山脊地形模型及地形紋理圖；最后將地形場景、地物輪廓、地形紋理圖等成果導入以MicroStation為核心的三維設計平臺里進行工程三維設計，順利完成了該公路的三維設計工作，取得了較好的視覺效果，說服業(yè)主使得工程最終得以實施。

圖7 利用ArcGIS從航拍影像圖中提取公路、河流和房屋輪廓

圖8 利用ArcGIS從地勢圖中提取的低精度等高線和生成的DEM灰度圖

圖9 地形制作平臺-World Machine結點設備網(wǎng)

圖10 通過World Machine平臺雕刻的高精度逼真地形模型

圖11 通過World Machine平臺生成的高精度地形紋理圖

尼日尼亞菲利亞公路項目由于處于早期立項階段，缺乏實測資料，僅有的資料是從Google 地圖上得到的航拍圖和低精度高程數(shù)據(jù)。為使業(yè)主對工程充分了解，掌握工程全貌，促進工程盡早實施，河南省水利勘測設計研究有限公司聯(lián)合了ArcGIS地理信息平臺、World Machine地形制作平臺以及以MicroStation為核心的三維設計平臺共同完成了工程的前期三維協(xié)同設計。

項目設計過程為：采用ArcGis從航拍影像圖、地勢圖中提取了等高線、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（高程點間接60m），見圖7、圖 8。

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計需要。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，以低精度DEM數(shù)據(jù)為基礎，通過導入公路、河流輪廓走向，并設置相應高程和形態(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格式導出）和地面紋理圖（以分瓦片.jpg格式導出），以供三維設計平臺使用，見圖9～圖11。

將高精度地形模型、公路居民房屋等地物輪廓、地形紋理圖等導入以MicroStation為核心的三維設計平臺里進行工程三維設計，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，順利完成三維設計，見圖12、圖13。

圖12 在MicroStation三維設計平臺里制作的公路三維場景渲染圖

圖13 在MicroStation三維設計平臺里制作的涵洞泄洪渲染圖

項目經(jīng)驗總結

對于處于前期階段的工程設計來說，由于缺乏實測資料，無法采用傳統(tǒng)的方法進行三維協(xié)同設計，為此需要借助類似于ArcGIS和World Machine這樣的平臺通過間接手段獲取資料。前者提供了信息提取、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目由于缺乏實測地形資料，首先通過采用ArcGis平臺從航拍影像圖、地勢圖中提取了等高線、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為核心的三維設計平臺進行三維設計打下基礎。

在該項目中，河南省水利勘測設計研究有限公司通過采用多平臺聯(lián)合應用，實現(xiàn)了無資料的三維協(xié)同設計，滿足了工程早期設計階段各方面的要求。在不影響工程布置準確度的前提下，得益于World Machine的強大地形處理功能，得到了非常逼真的三維地形場景。而要做到這些，僅靠單一的平臺將無法做到。

其他擬開發(fā)項目跨平臺聯(lián)合應用探索

目前，河南省水利勘測設計研究有限公司正著力于水利工程信息化系統(tǒng)的開發(fā)，其主要路徑有兩條：一是基于ArcGIS等GIS平臺，采用B/S架構進行的水利信息化系統(tǒng)開發(fā)，比如智慧沙潁河項目；二是基于Unreal Engine等三維引擎平臺，采用C/S架構進行的水利信息化系統(tǒng)開發(fā)，比如前坪水庫仿真項目。而無論是基于GIS平臺的水利信息化系統(tǒng)開發(fā)還是基于Unreal Engine等三維引擎平臺的水利信息化系統(tǒng)開發(fā)，均需要與以MicroStation為核心的三維設計平臺聯(lián)合，且需要專業(yè)計算軟件的支持，將三維設計成果應用于水利信息化系統(tǒng)中，在后期運行管理階段發(fā)揮三維設計成果的最大價值。

基于ArcGIS平臺的水利信息化系統(tǒng)開發(fā)

目前國內水利信息化系統(tǒng)開發(fā)多是基于GIS平臺，其中又以基于Esri公司的ArcGIS平臺開發(fā)居多，一般采用B/S架構模式，即瀏覽器+服務器的模式，其優(yōu)點是無需安裝客戶端，使用方便快捷，更新容易。但也帶來制約，如瀏覽器無法承載大體量的三維模型，使得三維設計成果無法完整的移植到采用B/S架構的水利信息化系統(tǒng)中。

經(jīng)多方調研，目前國內各公司開發(fā)的水利信息化系統(tǒng)中，三維地形模型直接通過ArcGIS的ArcScene模塊基于DEM渲染而成，可疊加航拍影像或分色渲染，而其他三維模型則通過3ds MAX等第三方建模軟件建模后，以.3ds格式導入。見圖14、圖15。

基于Bentley公司的MicroStation系列三維設計平臺制作的三維模型是高精度信息模型，各專業(yè)模型組裝在一起，體量很大，如果不加優(yōu)化直接導出，將無法在ArcGIS平臺中應用。目前河南省水利勘測設計研究有限公司的做法是，首先將采用GEOPAK Civil開挖后的場地數(shù)據(jù)以XML格式導入ArcGIS，并采用ArcGIS工具轉換為DEM，以便在ArcScene中渲染成三維地形；然后在MicroStation平臺里對各建筑物三維模型進行優(yōu)化精簡，之后將各模型全部轉換為mesh體（在此過程中通過設置mesh參數(shù)模型面片量可極大簡化），并以FBX格式導出模型；隨后在3ds MAX里轉換后以3ds格式導出；最后，在ArcGIS平臺里將三維地形和各模型進行組裝。

此外，各模型的信息需要在模型轉換格式前優(yōu)先導出，整理后錄入信息化系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫，以備模型信息查詢時使用。最終結果見圖16。

基于Unreal Engine平臺的水利信息化系統(tǒng)開發(fā)

Unreal Engine （簡稱UE）是一款專業(yè)開發(fā)高質量三維游戲和虛擬仿真場景的平臺軟件，在過去的15年中，成千上萬的個人和團體圍繞UE開發(fā)技術建立了公司，成為了一種職業(yè)。其主要用于三維游戲開發(fā)、工程虛擬現(xiàn)實和仿真場景的開發(fā)、電影特效的開發(fā)等。

圖14 采用ArcScene模塊分色渲染的三維山體地形

圖15 在ArcScene中以3ds格式導入的建筑物三維模型

圖16 以ArcGIS平臺制作的水利信息化系統(tǒng)三維場景

圖17 以UE4平臺制作的大體量室外三維場景

圖18 以UE4平臺制作的高真實度室內三維場景

UE是目前世界最頂級的三維開發(fā)引擎，憑借著強大的功能、“以假亂真”的視覺效果、包容千萬級面片的體量、開放的開發(fā)體系一躍成為行業(yè)內公認最強大的三維引擎。采用UE開發(fā)的室內外效果見圖17、圖18。

基于Bentley公司的MicroStation系列三維設計平臺制作的三維模型是高精度信息模型，可不加精簡地直接以FBX格式導出在UE平臺中使用。目前河南省水利勘測設計研究有限公司擬開發(fā)的前坪水庫三維仿真項目，擬直接將前坪水庫三維設計成果模型導入UE4引擎，開發(fā)基于C/S架構的三維水利信息化系統(tǒng)。

后臺專業(yè)應用服務的開發(fā)

無論是基于GIS平臺采用B/S架構進行的水利信息化系統(tǒng)開發(fā)，還是基于Unreal Engine等三維引擎平臺采用C/S架構進行的水利信息化系統(tǒng)開發(fā)，要充分發(fā)揮其實用價值，必須要有專業(yè)應用服務的支持，這是系統(tǒng)的靈魂所在，比如洪水計算、結構計算等水利工程中常見的專業(yè)分析計算。

目前國內各水利信息化系統(tǒng)或多或少均內嵌有自己開發(fā)的專業(yè)計算模塊，可實現(xiàn)簡單的在線洪水計算等專業(yè)應用。然而，為了得到更專業(yè)的應用服務支持，必須使用諸如MIKE之類的世界頂級專業(yè)計算軟件，這類軟件往往只提供PC桌面端應用，并不提供后臺服務，為此需要再額外編制后臺應用服務系統(tǒng)，通過解析生成軟件所需要的基本輸入資料，根據(jù)用戶在線發(fā)送消息來調用專業(yè)軟件進行計算，并將計算結果實時導入專業(yè)數(shù)據(jù)庫，以備前臺實時查詢調用。

筆者從事水利工程行業(yè)BIM設計三年以來，經(jīng)歷了從新奇到茫然再到如今路徑逐步清晰的過程，在此過程中，通過采用Bentley公司的MicroStation系列三維設計平臺，先后完成了前坪水庫、南水北調沙河渡槽工程等近20個大中型水利和市政工程項目。通過在各個項目中對BIM技術的探索和價值的挖掘，確立了目前跨平臺聯(lián)合應用的方向。也許只有這樣，才能取長補短，充分發(fā)揮三維設計的優(yōu)勢，并在各個階段發(fā)揮三維設計成果的最大價值。