模塊化設計方法在盾構機工業動畫中的應用

安秀欣

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙410100）

模塊化設計（Modular Design）是為了取得最佳效益，從系統觀點出發，研究產品（或系統）的構成形式，用分解和組合的方法建立模塊體系，并運用模塊組合為成品（或系統）的全過程[1]。模塊的大批量特性可以降低成本，提高效率，模塊的快速組合特性可以形成多樣性的產品[2]。

盾構機是集開挖、出渣、支護、導向等工序為一體的大型隧道施工成套裝備。盾構機工業動畫，是通過運用三維動畫仿真技術構建盾構機虛擬施工場景，模擬其工作原理及各項功能特性，主要用于產品推廣、技術交流、項目投標、重大項目驗收及重大獎項申報等用途，已成為盾構機產品推廣及營銷的重要手段。

盾構機工業動畫在設計制作過程中也存在很多弊端：

（1）盾構機為定制化、非標產品，其工業動畫內容針對性強、適用范圍小。

（2）盾構機因系統龐大、施工過程復雜，使得其工業動畫模擬難度大、制作周期長。

（3）為滿足不同機型、不同用途的盾構機工業動畫需求，需投入大量的人工成本與時間成本。為解決這些問題，在盾構機工業動畫設計制作過程中引入模塊化設計方法，通過對各工業動畫進行相似性分析，綜合考慮其作業模式與制作流程，從而得到適用于盾構機工業動畫的模塊化設計方法。

1 盾構機工業動畫內容分析

由于盾構機是地下隧道施工裝備，因其作業環境惡劣，空間狹小，難以實地觀測和拍攝其施工狀態。為了更直觀、更全面地介紹設備特性，一般情況下，施工原理是盾構機工業動畫的必展內容。

以土壓平衡盾構機（見圖1）為例，其施工原理為：盾構機在掘進時，刀盤旋轉切削土體，渣土通過刀盤開口進入開挖倉，螺旋輸送機將開挖倉內渣土輸送至后配套皮帶機上，渣土經皮帶機傳送至后配套系統尾部并被卸放到下方的渣車內，由渣車運出洞外。推進油缸頂推管片使盾構機向前掘進，當推進距離為一環管片寬度時，停止掘進，進行管片拼裝，拼裝機依次進行管片塊的抓取和拼裝，當封頂塊拼裝完畢后，即完成整環管片的拼裝。之后盾構機再次進入推進模式，推進油缸全部撐緊在管片環上繼續向前推進。在推進的同時，注漿系統通過盾尾的注漿管對管片與開挖直徑之間的空隙進行同步注漿來使周圍土體獲得及時的支撐。二次注漿一般滯后于盾尾幾環管片，通過管片的吊裝孔注入到管片壁后。

盾構機的施工原理展示可以簡要概括為開挖、出渣、支護三大主要施工環節，不同機型的功能實現方式或者功能結構會有所不同，通過歸納分析不同機型盾構機施工原理的相似性和通用性，梳理出具備常用化、通用化、標準化的動畫內容，作為模塊化設計的范圍。

圖1 土壓平衡盾構機

2 動畫預設模塊的設計方法

2.1 預設模塊布局規劃

盾構機工業動畫的制作內容主要有模型、材質、渲染、運動關系、特效、施工場景，以及后期剪輯合成七個方面?；诙軜嫏C的施工原理，模塊布局規劃是按照動畫制作的內容逐項展開分類梳理。其中，運動關系是依托產品模型進行設計的，難以從模型中剝離出來，所以，運動關系這一部分內容不納入梳理范圍，但在通用模型中須建立完善的運動關系。最終得出模塊布局框架圖（見圖2），包含模型預設、材質預設、渲染預設、特效預設、場景預設和后期預設六項模塊內容。

圖2 模塊布局框架圖

模型預設模塊，一般分為兩個部分，一是盾構機產品的通用模型預設模塊，這部分的預設模塊參照盾構機產品模塊化的結構單元模塊進行劃分，主要包括盾構機的一些非關鍵展示的通用部件模型；二是動畫場景中其他輔助展現的通用模型預設模塊，其中包括人物骨骼模型、作業工具模型（扳手、螺絲刀等）、輔助工程機械（吊車、挖掘機等）、施工環境模型（植物、城市建筑、交通工具等）。

材質預設模塊，是為盾構機工業動畫預制的不同特性的材料及表面紋理的材質集合。材質預設模塊基本上可劃分為金屬類材質（不銹鋼、銹蝕金屬等）、油漆類材質（各類顏色油漆）、地質類材質（軟巖、硬巖等1-8級地質）、其他材質（油液、橡膠、玻璃、皮革等），以及特殊表現材質（發光材質、線框材質等），其中油漆類材質須符合企業產品的涂裝色彩相關規范，滿足盾構機工業動畫的使用需求。

渲染預設模塊，是不同畫面渲染精度的參數預設集合，主要分為超清、高清、標清三種渲染預設，用以輸出不同分辨率要求的視頻。

特效預設模塊，依據盾構機的施工原理劃分特效預設模塊，盾構機工業動畫常用的粒子特效主要是兩個方面的內容，一是開挖渣土類特效，主要有三類：（1）刀盤開挖掌子面的渣土特效，包括落渣特效和渣土改良特效；（2）開挖倉內的渣土特效，包括落渣特效、渣土堆積特效、鏟斗刮渣特效、渣土改良特效和破碎機碎渣特效；（3）渣土運輸特效，包括螺旋機運輸特效、管路運輸特效、皮帶機運輸特效共三種。二是穩固地質類特效，主要有超前注漿特效和壁后回填特效。相同的施工特效，通過不同的制作手段和工具會有不同呈現效果，所以，特效預設模塊依據展示手段分別設置有三維模擬特效和后期制作特效。

場景預設模塊，為滿足不同盾構機機型、不同施工需求的場景預設，主要劃分為城市場景、鄉村場景、山地場景、荒漠場景、草原場景、江河場景、煤礦場景，以及空白場景八大類型，每類場景均設置多個施工作業場景預設模塊，一方面用于展現不同機型的作業施工地點，比如，城市場景類型中，在道路兩側設置地表淺層的管廊作業施工場景模塊，在地下設置地鐵隧道建設的施工作業場景模塊，在高速路下方設置建設涵洞的施工作業場景模塊等等，用于滿足不同機型的施工作業需求；另一方面擴大作業場景的選擇空間，比如，城市場景中的地鐵隧道施工場景可在城市的不同角落設置多個模塊，減少同一場景模塊反復使用而引起的審美疲勞。

后期預設模塊，主要是針對動畫視頻后期剪輯合成的效果預設模塊，可劃分為設計元素、設計版式及調色預設三大類，各類型預設模塊包括有多種設計風格，滿足不同的使用需求，而且同種設計風格的模塊可以自由組合進行再設計，實現視頻風格的整體統一化和局部多樣化。

2.2 模塊設計制作

通過單元模塊的組合變化，從而實現多樣化的動畫效果，是模塊化設計的終極目標，預設模塊是否好用，關鍵在于單元模塊的規范化程度，下面以土壓平衡盾構機掌子面落渣特效的PF粒子預設模塊為例，介紹模塊的規范化制作方法。

第一步，在制作粒子預設模塊之前，先分析掌子面落渣的物理過程，主要包括：（1）隨著刀盤的旋轉，刀具擠壓破碎掌子面，產生大小不一的渣土、煙塵及渣土下落的過程；（2）在渣土的下落過程中刀盤刀具對較大粒徑的渣土進行二次破碎并產生煙塵的過程；（3）在渣土下落至隧道的下部邊緣時，渣土堆積進入螺旋輸送機的過程。第二步，根據掌子面落渣的物理過程設計PF粒子事件，初步形成粒子基礎模塊，一是模擬首次破碎產生的大粒徑渣土在下落過程中進行二次破碎，在下落至隧道下部邊緣消失的過程；二是模擬首次破碎產生的小粒徑渣土和煙塵，下落至隧道下部邊緣消失的過程。渣土堆積進入螺旋輸送機的過程是由其他模擬方法來實現的，不在此講述。第三步，通過分析不同設備在此過程中的相同點及不同點，從而得到預設模塊中的可固化內容與可變化內容。實際施工過程中，相同點是掌子面落渣的物理過程基本上是一樣的，不同點是設備刀具布局不同、盾構機直徑不同和開挖地質不同，對應到粒子預設模塊當中，可固化內容為：（1）粒子事件的框架結構及各事件之間的聯系；（2）粒子事件中的力場；（3）粒子的出生速率及運動速度?？勺兓瘍热轂椋海?）粒子的發射位置、碰撞位置；（2）粒子的出生時間、碰撞時間和消除時間；（3）粒子的形狀、材質。第四步，在可固化內容與可變化內容基礎上對基礎模塊進一步規范形成可通用的模塊。主要是針對可變化內容的數據接口進行規范化管理：（1）粒子的發射器對象統一設置為“Launch-位置名稱”可編輯多邊形，只需在可編輯多邊形的元素層級上靈活調整發射面的數量、位置及大小，使其與刀盤對應；粒子的碰撞對象統一設置為“Collision-碰撞面名稱”全導向器，根據不同的刀盤輪廓繪制可編輯多邊形作為碰撞對象鏈接到全導向器；（2）粒子的出生時間、碰撞時間和消除時間根據動畫展示需要及刀盤直徑進行調整相應的參數即可；（3）粒子的形狀、材質根據地質需要進行相應的替換操作即可，其中，在調整粒子的形狀時需按照相同的粒子大小進行替換。

2.3 模塊管理規范

模塊化不僅要規范各模塊的數據接口，更要統一各模塊的管理方式，以下分別是從粒子預設模塊的命名規范、預覽規范、層級規范和輔助對象的分類規范四個方面講解相關的規范方式。

粒子預設模塊均采用統一的命名規則，便于快速識別模塊的用途及內容，每個模塊的“預設名”采用“粒子位置-粒子內容”的命名格式，例如“掌子面-小粒徑渣土、煙塵”“掌子面-大粒徑渣土、煙塵”；每個模塊的“預設描述”中具體說明預設模塊中所包含的事件，便于全面了解模塊的具體構成，例如“掌子面-大粒徑渣土、煙塵”模塊的“預設描述”為：（1）大粒徑渣土：出生-二次碰撞-消除；（2）煙塵：出生-消除；通過預設名和預設描述能夠了解模塊的用途和構成，并快速了解模塊的制作思路和使用方法。

在粒子預設文件夾內，均為各粒子預設模塊預制了200幀預覽動畫和一張效果圖，可以通過預覽圖進一步判斷模塊是否滿足展示需求。

每個預設模塊中，對包含的所有對象統一層級管理規范，便于預設模塊各對象能夠快速匹配到新項目中。各模塊均設定三個層級，分別為粒子層、刪除層、默認層，粒子層內包含粒子本身所涉及的對象；刪除層內為燈光和設備對象，為可替換對象，完成新項目的對象替換后，該層的內容即可刪除；默認層內不放置任何對象。

粒子模塊內部對象較多且關系復雜，為便于整體移動粒子模塊與新項目匹配，將整體預設模塊連接到一個虛擬對象，該虛擬對象可以控制整個模塊的移動、旋轉和縮放操作，減少拾取各個對象的繁瑣操作，同時，為便于虛擬對象的識別與拾取，統一規范該類虛擬對象的顏色為藍色。

3 動畫預設模塊的集成方法

對于動畫預設模塊的集成方法分為三種，第一種是軟件自帶預設功能，可以直接集成到軟件中，例如，粒子預設模塊可以直接作為預設流集成到3Dmax軟件當中，使用時直接拖動預設流進行選擇即可；第二種是借助一些集成插件將模塊內容集成到軟件中，一般此類型插件的功能更為人性化，但適用范圍有限，例如Project Manager插件可以集成燈光、材質、模型等預設內容并嵌入到3Dmax軟件當中，同時具備實時預覽功能；第三種是將預設內容整合到本地資源當中統一管理，可進行加載調用，此方法是針對不能集成到軟件中的模塊管理方法。預設模塊的集成方法應根據使用環境需要及其他客觀因素進行選擇性使用。

4 動畫預設模塊的優勢

動畫預設模塊的應用不僅使動畫制作周期大大縮短，動畫的制作水平也有很大提升。主要體現在以下幾點：（1）模塊化引入了平行作業，將傳統的單點依次作業變成多點同時作業[3]，例如，在動畫設計規劃完成之后，可以同時開展設備模型梳理、賦材質、施工場景、后期合成框架及后期特效的設計制作；在分鏡設計環節，可以同時開展開挖、出渣、支護的分鏡設計。模塊化應用改變了盾構機工業動畫的工作模式，大幅度縮短制作周期，能夠快速響應緊急項目的動畫需求。（2）預設模塊的應用改變了動畫制作方式，將新建作業轉變為微調作業，例如，設計制作粒子特效時，使用預設模塊減少了創建發射/導向物體、創建力場、設計粒子流框架，以及綜合各項參數反復調整測試效果的過程，節約大量的制作時間，只需替換粒子的發射/導向物體，調整粒子的時間、形狀、材質，即可完成粒子特效的設計制作，設計師可以將更多的時間和精力放在動畫的創意構思與設計工作中。（3）模塊化的應用使工業動畫的成品質量不再依賴設計師個人制作水平，更大程度上取決于動畫預設模塊的質量，而所有預設模塊均為精良制作，數據接口結構清晰，視覺效果優質美觀，動畫成品質量得到保證，提高了工業動畫的整體水平。

5 結束語

工業動畫在市場日益成熟的盾構機領域發揮著越來越重要的作用，而模塊化設計方法同時兼顧工業動畫的適用廣度和設計制作的專業深度，不僅簡化了繁瑣的設計制作任務，還進一步優化了工業動畫的作業模式與制作流程，實現了工業動畫制作效率和設計水平的雙提升，模塊化必將成為盾構機工業動畫的重要發展趨勢。