三維設計模式在水利工程設計中的應用

易 寧 吳 波 孫金鳳 丁曉麗

（1.宿遷市水務勘測設計研究有限公司 宿遷 223800 2.江蘇省水利建設工程有限公司揚州 225007 3.江蘇省水文水資源勘測局宿遷分局 宿遷 223800 4.宿遷市宿豫區水利局 宿遷 223800）

1 BIM軟件概況

以往水利工程設計師們一直用圖紙來表達自己對工程設計理念、工程外觀和結構，結合自己所學習掌握的專業知識和設計理念，設計出既能讓建設方滿意，又能充分利用現場地形特點、造價較優的設計方案。但隨著我國經濟的高速發展、建設方對時間的要求不斷的提高，平面制圖來表達設計師的設計思想和設計效果就有了明顯的不足：一是不夠直觀，二是時間上不能夠滿足建設方的要求，三是由于時間緊造成各專業配合容易造成失誤，造成后期施工過程中的變更或返工。故迫切需要一種新的工具來適應工程建設領域更高的要求，這就是BIM軟件。

BIM即建筑信息模型（Building Information Modeling）的英文簡稱，通過構建三維模型并在模型上明確各種材質、數量、顏色等各種信息來表達設計師的設計方案。它比簡單的二維圖紙更為直觀、清晰、高效。BIM模型支持碰撞檢查，在建模過程中就可以發現設計沖突和沖突點位置，有效避免工程施工過程中的變更和返工問題。

創建BIM的軟件多種多樣，其中比較有代表性的有Autodesk公司的Revit系列、Bentley Architecture系列、Gehry Technologies 等，理論上可以憑借一個模型就可以完成工程建設的全過程，基本不需要圖紙。但這些專業的軟件上手都需要一定的時間，短時間不容易掌握。本文主要介紹Google旗下Last Software 公司的SketchUp軟件（又名草圖大師），顧名思義，它可以簡單、快速地建立起工程的三維模型來直觀的表達設計師的設計理念和成果，從外觀上來看可以基本做到“所見即所得”。雖然不能對工程結構進行精確描述，但可做到初步設計階段。而且后期還可以利用Revit 等軟件繼續對模型進行深化、添加信息，達到模型可以用于工程管理和施工的要求。

2 設計方式的改變

SketchUp軟件同樣可以在構建完成三維模型的基礎上生成二維的平立剖面圖，比直接用CAD 作二維圖紙具有快速高效的優點，不會出現重復的工作量，且經過碰撞檢查的三維圖轉成二維的圖紙不會出現各專業打架的情況。

工程設計一般分為方案的構思和細化階段、成果呈現階段。傳統的設計方法由于設計師把時間和精力大量的花在成果呈現方面，特別是時間緊、任務重的項目。創作和構思時間不足可能會導致整體方案的不足和疏漏，在和建設方溝通后又會陷入頻繁修改最初的構思——重新畫圖來呈現成果這個惡性循環中。同時二維圖這種碎片化的表達方法會割裂設計師的思路，造成設計效率低下。

利用SketchUp建模給工程設計帶來了全新的變化和體驗：設計師可以專注于方案的整體表達，在建模的時候一邊構思一邊不斷修改模型，這種“所見即所得”的創作方式能夠使設計師們在創建或修改模型時不會因為畫圖而打斷原有思路，并且可以根據呈現的模型不斷完善自己的方案細節。工程師可以根據現場情況任意創建立體模型，在創作的過程中隨時全方位、多角度的觀察自己的模型，不斷修改和完善，在形成初步的成果時可以加以簡單的渲染、漫游，輔以動畫效果向建設方進行全方位的展示。根據建設方的意見再對模型進行優化，形成最終的成果。需要出二維圖紙時可以通過SketchUp的導出功能很方便的創建平立剖等各個角度、各個部位的細節。

從成果呈現過程可以看出，這種“所見即所得”的成果呈現方式有著巨大的優勢：一是使設計師們能專注于設計方案的表達和完善，模型創建完成即是設計成果完成的時候，出圖所占用的時間幾乎可以忽略；二是這種設計方式不會打斷設計師的設計思路，直觀的模型反而會使設計師的思路更為清晰，可以及時發現原來構思階段的不足而加以完善；三是與建設方溝通時由于是立體的模型，可以全方位、多角度的觀察，建設方更容易理解設計師的設計意圖與自己需求之間的差距，從而及時的溝通和完善，進而減少工程施工期變更和返工。

3 SketchUp建模方法

3.1 準備建模環境

首先對建模環境進行簡單的設置，比如模型的字體、單位、精度、引線的形式、尺寸線設置等，方便建模以及二維圖紙的導出。

3.2 建立實體模型

這是三維和平面制圖的最大區別，模型是基于對象的，通過建立簡單的幾何體，對模型的線和面進一步拉伸、修改、旋轉、鏡像等操作使之符合自己的設計構圖。它不再像平面作圖的方式考慮平立剖等畫法生成一張一張的圖紙，再由讀圖人在腦中想象出一個形狀，而是各個小三維體的堆砌和組合，生成一個立體的“所見即所得”的模型。比如涵閘模型涵洞部分建模。

首先在XY 平面畫出底板的輪廓，然后通過推拉工具向上拉伸形成柱體，拉伸高度即為底板的厚度。再在底板上面畫出涵洞和水閘的邊墩和隔墻，將其向上拉伸一個涵洞內孔的高度。復制底板底部平面至上面作為涵洞的頂面，修改頂面向外伸出的尺寸后向下推拉和墩墻、隔墻相交。最后刪除推拉后形成的多余線條，完成涵洞部分的建模，如圖1。

圖1 涵閘底部模型圖

再進行涵閘胸墻和閘墩部分的建模：在涵洞頂部劃分出胸墻的底邊線，把胸墻底部以及在涵洞部分建模時生成的水閘邊墩、中墩運用推拉工具向上推拉至設計高度，同時清理模型中多余的線條，完成了水閘上部胸墻以及閘墩部分的建模。

從上面簡單的建模過程可以看出其建模過程為：平面圖——推拉成為立體形狀——線或面的旋轉修正形狀這個過程。平面圖可以直接在SketchUp中利用其繪圖工具完成，也可以利用現有的CAD 圖紙導入到SketchUp 中生成平面。

在建模的過程中充分利用創建組或者組件的功能，可以對模型進行更為有效的編輯和控制。

3.3 模型優化處理

模型的優化處理主要是指將模型的關鍵部位或需要詳細表現的重點構件進行細節上的處理，類似平面制圖中的大樣圖或詳圖，與之不同的是模型優化處理的內容更為豐富但在操作上卻相對簡單。比如賦與模型材質、光照效果、整體修飾和渲染等操作均可以很輕松的完成。像本例中涵閘以及城市建筑等對于需要結合地形的模型，優化處理還包括與現場結合的整體合理性和總體風格的一致性問題。

就涵閘的外觀樣式、建筑風格等進行進一步的溝通，根據建設方反饋的意見可以進一步的細化，甚至推倒重新來過也花費不了多少時間（約1小時左右），這將大大減化設計師的設計工作量，有效提高效率，和建設方的溝通也會更為順暢，既縮短了工程的設計周期、又進一步提高了設計質量。

3.4 模型的二維化

對于全階段采用BIM管理的工程來說，基本不需要對模型進行二維化處理，因為所有的工程信息都已經反映在模型上，可在任一位置剖切觀察詳圖。對于現階段很多不具備BIM管理的工程來說，返回二維的圖紙是一項必不可少的工作。

以SketchUp為例，簡單介紹在三維模型中建立一個剖切面并導出為二維圖型的操作：首先利用剖切面工具，在合適的位置建立剖切面，如果位置不滿意還可以點移動工具來移動調整剖切面，直到滿意為止；最后通過文件菜單中的導出功能將圖形導出為二維圖形dwg或者dxf格式即可，打開效果如圖2所示。

圖2 CAD 中顯示效果圖

如果在SketchUp 中標注了尺寸，在導出到CAD中時也會一并導出。但通常要遵循制圖規范，會對導出的圖形進行必要的加工，但這部分工作量相對于傳統作圖來說是相當少的一部分，基本可以忽略。

至于平面圖和立面圖的導出則更為方便，只要在相機中選擇平行投影、頂視圖、左視圖或前視圖，然后再導出為二維dwg圖形就可以了。

4 結語

隨著Revit、Bentley Architecture、Gehry Technologies、Lumion 等軟件的不斷更新和成熟，三維設計必將成為未來工程設計的主流，目前一些較大的工程已經要求要BIM投標。SketchUp作為簡潔方便、高效豐富的建模表現，在工程設計行業也必將有著更為廣闊的前景■