水利水电行业三维协同设计中三维可视化的应用与研究

宋明佳

（上海勘测设计研究院 上海 200434)

1 引言

随着工程规模的不断扩大、工程技术含量和国际化程度的逐步提高，以及由于日益激烈的竞争所带来的对于造价、工期、质量的要求不断提高。水利水电行业的设计单位正努力寻求突破来迎接这些挑战。

但是，以二维为基础的 CAD（计算机辅助设计)技术，经过近二十年的发展，潜力已经被充分挖掘。由于二维 CAD设计的自身局限性，使得它只能主要作为生成设计图纸的手段，不能在工程的全生命周期发挥更多作用。相比之下，三维协同设计不仅可以提升设计质量、提高设计效率，还可以在设计过程中将整个工程的各种信息整合在一起，使得后续的施工以及运营过程中可以利用这些信息，从而提高设计成果的附加值，为设计领域打开了更广阔的发展空间。

水利水电工程中的设计、施工、运营等各个领域正悄然发生一场数字化的变革。在这场变革过程中，设计单位作为整个工程数字信息的源头，并且在技术上具备一定的优势，因此理所当然的冲在了最前沿。行业内的几家技术实力较强的设计院经过多年的探索和实践，已经在这一领域取得了显著的成绩，这也使得其它设计单位看到了工程数字化的可行性和发展前景。

2 三维可视化介绍

采用三维协同设计手段所带来的好处有很多，例如，三维可视化使得沟通更为高效；各专业协同工作可以保证设计成果的及时更新；利用碰撞检测能够提前发现设计中的错误；利用模型库从而实现快速布置等等。本文主要针对三维可视化这一特点进行展开，探讨一下三维可视化在工程设计各个环节中的应用，以及三维可视化所带来的意义。

在以往我们所熟悉的二维设计中，表达工程构造的形态只有通过二维图纸，并且每张二维图纸中所包含的几何信息是不完整的，需要通过多张图纸加上工程师大脑的理解，才能描述工程构造的形态。相比之下，在三维设计中，设计过程就好象我们在计算机创造出的三维空间中虚拟的把工程建造出来一样，这个过程中我们设计的每个构造都是直观的、可视的。这种可视化融入在三维设计的整个过程中，看似自然而然，但是如果正确加以利用，将为工程设计带来很多益处。

3 三维可视化的应用和意义

从二维到三维的转变，不仅仅是设计工具的转变，更重要的是设计理念的转变。如果过分的依赖以往在二维设计中的工作流程和工作习惯，将很难发挥三维设计的优势，三维设计软件将只能沦为切出二维图纸的工具。所以，首先要转变思想，发现和利用三维设计的优势和特点，探索出更适合三维设计的、更好的工作方式。

三维可视化带来的好处主要包括，三维模型直观形象、利于专业沟通、利于技术交底、利于成果展示等等。以下将对工程设计过程中的沟通、设计、出图、展示这四个环节所带来新的工作方式一一进行阐述。

3.1 沟通过程中的三维可视化

3.1.1 设计、业主、施工三方的沟通

整个设计过程中的沟通是非常重要的，沟通一般可以分为外部沟通和内部沟通。外部沟通就是指设计、业主和施工三方间的沟通。与业主的沟通往往是最受重视的，因为业主的意见直接会影响设计的更改，所以在以往的二维设计中，设计单位也会积极的与业主沟通。首先，由于二维设计图纸的半成品几乎无法理解，只有等全部图纸完成之后才能完整的呈现设计成果。另外，由于二维图纸不够形象直观，设计单位往往需要借助效果图、三维动画这些有限的可视化手段才能把工程形象的展示给业主，仅靠这些手段只能展现工程设计中非常有限的内容，因此，往往会造成由于沟通不及时或者沟通不全面而产生的分歧，从而导致一些不必要的修改或矛盾。

在三维协同设计中大大改善了这些问题。三维模型相比二维图纸理解起来容易的多，从而降低了业主看图纸的难度。并且三维设计的中间成果也是直观可见的，所以随时都可以审查设计的进度和成果。在设计过程中和业主之间尽可能多的视觉直观沟通，对于设计的修改减少和意见分歧的减少都非常有益处。而且业主对于这种流畅的沟通所带来的对设计过程的可控感，也会增加对设计单位技术水平的认可。

三维模型数据除了用在设计阶段，设计单位和业主进行有效沟通外，也可以用在施工阶段，作为业主、施工和设计三方互相之间有效沟通的手段。

例如，可以利用软件的功能来模拟工程中各组成部分的施工顺序，以可视化的形式模拟出任意时间点工程的进度状态，比以往施工进度表的形式更加直观，便于设计、施工、业主之间的充分协调，更加合理的优化施工方案。在3D模型的基础上加入了时间这个维度，因此称为4D。

一些复杂的施工工艺，以往都是用报告的形式以文字描述，但是这个过程中难免用文字会产生理解上的偏差。如果直接在三维模型中制作简单的可视化动画，来预先推演复杂施工工艺的流程，就可以一目了然，甚至还可以提前发现一些可能发生的问题。

3.1.2 设计人员与校审人员间的沟通

设计院的内部沟通主要是设计人员和校审人员间的沟通，由于三维设计中可视化所带来的直观与高效，应该让设计人员和校审人员之间也尽可能多的视觉直观沟通，同样会对减少设计修改并提早发现设计中问题。

三维协同设计软件中的三维可视化可以通过很多种方式实现，如何在汇报过程中在最短的时间内定位到想要看的内容，减少一些不必要的多于操作，是设计人员需要掌握的技巧。

（1)利用Microstation软件中SavedView功能，预先存储好想要展示的视角，这样就避免了很多在三维模型中移动、旋转和缩放视角的鼠标操作，节省汇报时间。并且将这些不同的视角以一定的规律命名，存储下来，当校审人员打开这个文件时可以按照这些有规律的命名，来快速看到他想要看的位置。

（2)可以在模型中布置好一些摄像机的运动轨迹线，存储下来，方便所有打开这个文件的人调用，这样就可以快速的让视角沿着预先设定好的路径行进，实现快速的在工程模型中漫游。这种实时漫游的模式可能会因为模型文件太复杂而显得不流畅，通常情况下还需要将这些漫游的过程渲染成动画或者全景图，方便流畅的观看。

（3)在三维协同设计工作方式下，可以考虑将所有这些视角、摄像机路径、渲染动画、全景图等，作为设计成果被存储下来，按照一定的标准和规则来调用。

3.2 设计过程中的三维可视化

以往的二维设计中，设计的表达方式主要是二维图纸，真正的空间形态需要在工程师头脑中才能形成。这样就导致我们的设计除了满足工程最核心的功能外，其他的一些性能上的分析和设计不够深入。采用三维协同设计后，由于其可视化这一特点，工程师可以很直观的发现工程中一些不合理的地方或者存在的隐患，使得设计更加深入和细致。

并且，设计单位可以利用三维可视化的展示方式，把这些设计上的考量直观的展示给业主，让业主体会到我们在设计上的用心和专业。

（1)例如，大型设备的运输与吊装，通过在三维模型中采用动态的碰撞检测，可以优化设备安装方案；

（2)利用虚拟的人在模型中行走发现设备布置的一些不合理的地方；

（3)通过让运营管理单位对三维模型进行审查，提早的发现一些使用上不合理的布置；

（4)建筑性能方面的分析，如消防安全、视线管理、热能分布、照明分析等，在三维空间中进行设计和表达要方便的多。

这些新的设计因素的引入，也对工程师提出了新的要求。在推广三维协同设计的初期，工程师由于以前多年形成的工作方式，更习惯于看二维图纸。他们更关心的是如何在三维模型上切出想要的图纸，审查校核仍然在二维图纸上进行。这种转变的确需要一个过程，但要尽快的通过一些制度上的措施，促使工程师完成这一转变，才能发挥出三维协同设计更大的作用。

3.3 出图过程中的三维可视化

目前，三维协同设计的最终成果仍以二维图纸为主。从设计好的三维模型中切出平面、立面、剖面图等，在组图的过程中，可以利用三维设计可视化这一优势，多采用新的二维表达方式，来丰富图面的内涵。

（1)多采用轴侧图等立体图形式，使得工程构造更加容易理解。

（2)充分利用软件中显示样式的自定义功能，生成带有体着色、阴影、特殊线型、材质等的二维图，让图面效果更丰富；

（3)建筑的外立面可以采用渲染图表达；

（4)以不同颜色来区分模型中各部分的施工先后顺序。

采用上述这些超越常规二维图纸的表现形式，不仅使得图面更生动、丰富和直观，并且令由三维设计切出的图纸更具鲜明的特征。

目前阶段，虽然设计成果的移交还是以二维图纸的方式，但是相信在不远的将来，越来越多的施工单位和业主单位将认可三维模型文件。之所以目前仍离不开二维图纸的原因主要是因为在施工现场看电子版图纸，尤其是看三维模型文件不方便，但是很多国外的工程承包商已经意识到三维模型给他们带来的好处，在施工现场有各种计算机设备来浏览三维模型，甚至是直接修改模型文件。

3.4 展示过程中的三维可视化

效果图和三维动画这两种三维可视化方式，在以往的二维设计中很常见。在三维设计中，细节完善和高精度的工程模型是设计的核心产物，直接从这些三维模型就可以生成效果图和动画，作为设计的副产品，这两种可视化展示方式将有更广的应用空间。

除了以前在二维设计中常见的用三维渲染来表现工程的建筑设计方案外，在更加精细的工程三维模型基础上，可以展现出任何想要表现的视角、剖面、施工顺序、运行原理等，使得三维动画表现的内容更加丰富和全面。

三维渲染的画面质量与很多因素有关，全局光、阴影、抗锯齿、材质、反射、折射等等。要得到更好的画面质量就需要更长的渲染时间。多数情况下工程师只需要采用一般的渲染精度就可以满足要求了。在投标方案展示、工程典礼、重要会议、市场宣传等重要场合，需要采用更高质量的渲染。

Microstation软件除了三维设计的功能外，也具备一定的三维渲染的功能，可以直接将设计好的模型进行渲染。而且Microstation可以和第三方的渲染器Maxwell结合，提升渲染品质。今后一定会有业内更好的渲染器登陆 Microstation平台，进一步提升渲染品质。

除了直接在Microstation中渲染外，还可以将三维模型导出到 3dsmax中进行三维动画和效果图的制作，发挥不同软件各自的长处，实现更丰富的渲染和动画效果。

4 三维可视化新技术的展望

三维协同设计的新技术层出不穷，利用三维可视化这一优势，使得设计正朝着直觉化的方向发展。有了这些技术，工程设计以及模型的进一步利用变得更加简单、自然和直观。

（1)点云技术。利用激光扫描设备，将工程现场的数据扫描成三维点云数据，然后导入到软件中。这样就可以将三维设计模型和已有现场物体之间进行精确的比对，从而优化设计方案。

（2)Hypermodeling技术。将二维剖面图和三维模型在剖切位置叠加，同时将一些外部的文档等文件链接进来。使得二维图纸与三维模型和各种外部文档直接有效的链接成一个整体。

（3)增强现实技术。将工程实景的影像与该工程的三维信息模型叠加，在例如消防、维修设备等场合更快速高效的利用工程三维模型和信息。

5 结语

三维协同设计打破了二维设计在空间上的局限，使得工程师能够在三维空间中自由的创造和工作，同时为设计、业主、施工提供了更好的沟通平台，为工程的数字化发展奠定了技术基础。

水利水电设计行业正经历这样一场从二维到三维的设计技术变革。这个过程中伴随着设计习惯、理念以及工作模式的改变，这些是每个单位和部门都要面对的挑战。率先适应这一转变一定会为我们企业的发展和行业的进步打开更广阔的空间。