水工結構工程與三維可視化技術

牛超群 張楠 水發規劃設計有限公司南京分公司

近年來，水利類建筑物逐年增多，這些建筑的規模龐大、結構復雜，設計施工難度系數大。各種類型、規模的水工結構工程實施過程中，其內部結構的復雜性使得對于設計、施工技術的要求相對較高，只有充分利用了三維可視化技術，才能夠理清水工結構工程內部各個部分的錯綜復雜關系，使得整個的設計、施工過程通過可視化來達到理想的效果。因此，三維可視化技術的信息化、自動化程度較高，使得參與到水工結構中的各個部門、人員之間可以保持良好的協調性，提升設計施工水平。

1.三維可視化技術的概念與特點

1.1 概念

三維可視化技術是在傳統二維技術的基礎上發展而來的，其具有理論與技術交叉性，屬于一種新型的技術。在建筑工程領域，三維可視化技術的應用最多，可以集成三維信息空間，在此空間內呈現出建筑結構的直觀特征、真實情況。三維可視化技術中包含了計算機技術、多媒體技術、傳感技術、人機接口技術等，在這些技術下，設計與施工人員可以通過計算機形成一種人為的虛擬三維空間。在水工結構工程中應用三維可視化技術的建模流程如圖1所示。

圖1 三維可視化技術下的水工結構工程建模流程

1.2 特點

1.2.1 沉浸感

沉浸感在一些條件下又被稱為臨場感，主要體現在用戶作為三維虛擬環境中的主體在環境中所享受到的真實感受。通常情況下，最為理想的可視化環境就是當用戶處于特定環境下時，能夠身臨其境、難以分辨周圍環境的真假，使得用戶在可視化的虛擬環境下所呈現的感覺與真實環境是一樣的。

1.2.2 交互性

交互性是三維可視化技術的突出特征，主要指的是用戶在可視化環境下物體的可操作程度、用戶從可視化環境中得到反饋的自然過程，如果用戶在虛擬環境下對物體的可操作程度越高、得到的反饋信息越全面，就說明三維可視化環境中具有更好的交互性。

2.可視化仿真技術的主要內容

當前，在水工結構工程中，三維可視化技術已經成為了不可或缺的技術，這一技術的關鍵是三維仿真，主要包含了以下方面的內容：

（1）軟件開發階段的可視化，也就是編程的可視化。在軟件的開發過程中，開發人員在軟件中所進行的編輯、運行與管理等一些利的操作過程不再局限于抽象的命令序列執行，而被簡化成了各種的操作按鈕，在每個操作按鈕上都有與其相對應的命令圖形，只要點擊每個圖標，就會對應其與之相對應的過程，并給出每個過程所必須的公用程序段。現階段，應用較多的可視化編程軟件主要為Visual C++、Visual Basic。

（2）計算機圖形技術與方法，這一過程可以通過對各種數據的收集與整理，將這些最終的結果以圖形、圖像的呈現加以顯示。

3.三維可視化技術的關鍵技術

3.1 三維空間模型

3.1.1 地表數字地形模型

三維可視化技術應用時，地表數字地形模型是整個模型中的關鍵組成，是所有運算操作的受體。對地形表面的模擬而言，一般多以不規則三角網模型、規則格網模型為主，在地表數字地形模型的建立過程中，需利用地形等高線原始數據，在GIS環境中根據一定的算法來生成相應的TIN模型。此模型生成以后，要消除由于等高線數據過于密集或者信息匱乏所造成的特殊三角性，隨后內插生成新的TIN模型，此模型的精度較高。

3.1.2 實體模型

水工結構工程項目中，三維實體主要為主體結構、土建工程、附屬工程，三維實體模型的構建過程中，主要需要進行空間位置、形狀與空間拓撲關系等各類靜態信息的整體。在模型構建的過程中，針對不同類型的工程結構，存在著建模方式的差異。（1）參數化實體建模方法方面，在模型構建時，相關人員需根據一定的幾何參數與關系來進行約束方程的構建，隨后根據這些方程的求解來了解圖素的形狀、位置與組合關系等各種信息。參數化設計的過程中，必須要將表現設計對象所有圖素尺寸、位置與特定的約束條件之間建立一定的關聯，而當關聯關系建立以后，一旦某一圖素的尺寸與位置信息發生了變化，系統會自動根據其與周邊圖素的約束條件與關聯關系，來自動進行相應的尺寸、位置信息更改與修正。水工結構工程中，圍堰、溢洪道等多采用的是這種實體建模方法。（2）實體建模方法，這一建模過程中，重要是利用AutoCAD繪圖軟件來完成相應的模型構建，利用這一繪圖軟件，可以來進行水工結構各個部件三維模型的構建，隨后將這些模型加以取交、取差與合并處理，使得孔洞等一些特殊部位的結構能夠在模型中呈現出來。

3.1.3 地表數字地形模型與實體模型的結合

水工結構工程中，如果要保障所建立的三維模型能夠與實際的工程結構相符合，就必須要將地表數字地形模型與實體模型充分結合起來。根據前期所建立的地表數字地形模型、實體模型，在兩個模型基礎上進行整合，在整合以后方可構成整個水工結構工程現場的具體情況。由于水工結構工程多處于相對復雜的水文條件下，地形地質結構復雜，使得所最終形成的地形模型也具有復雜性，如果通過改變地形模型來實現兩個模型的整合，其整合的技術難度非常大。因此，在整合過程中多采用的是改變三維實體模型的方式。在地形模型與三維實體模型的整合與匹配過程中，專業人員需在地形模型中找出實體模型在該模型中的某一個投影點，這一投影點需符合高程與實體對應點的高程相同的要求。而在此過程中，有可能存在實體模型中的尺寸、位置等與實際不相符合的情況，在這種情況下，如果要提升三維可視化模型構建的質量，就需要通過縮放、旋轉等方式，來使得實體模型與實際模型相符合。

3.2 人機交互技術

由于在三維可視化技術下具有明顯的交互性特征，這就使得在水工結構工程模型的構建過程中，必須要加強人機交互技術的應用。人機交互是三維可視化技術下的關鍵技術，在模型中的很多圖形特征往往只有通過交互才能夠直接呈現。根據交互的類型，主要包含了與數據、圖形與可視化參數的交互，再進一步細分，與數據交互包含了數據集的分割、數據范圍確定、計算統計；與圖形的交互是在傳統圖形學交互基礎上的擴充，用戶可以對三維可視化環境進行平移、旋轉與縮放處理，當然還包含了場景漫游等；與可視化參數的交互主要是現實參數的選擇與組合。

4.結束語

近年來，水工結構工程設計與施工過程中，三維可視化技術成為了關鍵性的技術，這一技術的應用克服了傳統設計施工技術的局限性，使得在設計、施工過程中的協調性、模擬性與交互性更為突出，保障了水工結構工程的整體質量，在水利事業的快速發展過程中，三維可視化技術在水工建筑中還有著廣闊的發展空間。