浅析3D技术在工程中的应用

2014-04-18王少波

四川水利 2014年2期

王少波

(四川盐源甲米河水电开发有限公司，四川盐源，615700)

1 概述

3D技术随着计算机的硬件和软件的发展已在各行各业中得到广泛的应用。如现在流行的3D打印技术、房地产开发和建筑设计中的3D模型和3D效果图，还有一些工程已运用3D动画效果来展示工程的全貌，全方位的展示工程效果;在工程结构设计中PKPM软件也运用了3D建模技术等。由此可见，3D技术是从平面向空间的转化，也是由图纸模型向实体模型的转化。

目前，随着计算机软硬件的发展，工程的过程管理不再是模糊的、不再是各种管理简单的组合，而是有机的结合。工程的过程管理要想更科学、更直观，就必须建立针对工程项目的三维模型，在这个模型平台上进行项目管理。在招投标时的技术交流，可以通过三维动画来模拟;在工程施工阶段，可以通过三维模拟来验证施工方案的可行性，利用三维模拟进行技术交底、专业技术管理、进度管理及现场平面管理等。

2 3D软件和硬件选用

3D技术必须选择合适的平台软件，在工程管理中一般常用的软件有 AutoCAD和3Dmax，3DstudioVIZ。由于目前介绍AutoCAD和3Dmax应用的书籍较多，而且3Dmax已升级到2013版，因此在实际操作中可将 AutoCAD和3Dmax、Sketchup作为实际操作平台软件。

在工程应用中，AutoCAD作为常用一款工程绘图软件已深入广大工程师心中，大多数工程师都能熟练运用，这个软件不仅用于绘图，还用于结构设计(如PKPM就是利用AutoCAD的软件平台)，现在AutoCAD已发展到AutoCAD2013版。在Auto-CAD软件平台上，天正、中望等也都推出了相应的专业软件，如天正建筑、天正结构、天正给排水等。天正系列的软件也升级到了9.0版本。

3Dmax在去年推出2012版，在今年推出了2013版，3Dmax的中文版也随之出现。3Dmax和Sketcthup软件使用模式为:建模或模型调入→建立摄影机→布置灯光→贴图→渲染→后期处理。但在工程应用中，主要应用为建模或模型调入和建立摄影机，如不是要出效果图，则灯光、贴图、渲染、后期处理就不需要。对于3Dmax和Sketcthup软件，现在已出现大量的已建成的模型，如3D网站中提供了大量的模型，可以很方便的调用;另一方面，3Dmax和Sketcthup也提供了方便快捷的建模工具，如石墨建模工具，对于一般的建筑工程，可以结合CAD图形成果很方便的建模。

对于计算机硬件技术，现在一般的计算机都能实现3D技术这一功能，但对于计算机的基本配置应不低于CPU为i5，显卡为独立显卡，内存在2G以上，硬盘在200G以上，显示器19寸左右，机器散热系统良好。目前一般计算机都能顺畅运行3Dmax和AutoCAD，Sketcthup。

3 3D技术在工程中应用

3.1 3D技术在投标时应用

目前在工程建设投标时，标书一般分为两部分，一部分是商务标，主要是企业资信和商务报价，另一部分是技术标，主要是企业如何组织施工管理和具体的、有针对性的施工方案。对一些特殊技术要求的项目，要求在投标前进行技术交流(如大件吊装)，而3D技术可以作技术交流和技术标编制的重要助手。如:中石化宁波公司在进行壳牌气化项目吊装时，采用了三维动画演示来模拟合成冷却器的吊装;中国化学工程第六建设有限公司在沾化气化项目技术交流时，也采用了AutoCAD的简化模拟技术和总承包商进行了有效的技术交流，不仅展示了公司的实力，也和设计院一起优化了设计方案。

图1 石化宁波公司壳牌气化项目吊装动画演示

图2 沾化气化项目设备吊装CAD演示

中国化学工程第六建设有限公司曾参加了喀麦隆和多哥两个业主的招投标，两个标都是EPC项目，由投标单位提供设计方案，业主还要求投标者给出3D图纸。在项目建设过程中，总承包单位也相应绘制了3D图纸，不仅反映了业主的设计意图，而且很直观，便于业主了解项目建成的模样。

图3 多哥酒店CAD三维图及3Dmax的效果图

图3为多哥项目的宾馆设计，上图为Auto-CAD所做的3D图，可以看到，在AutoCAD绘制3D图时线条较多，不易辩认;下图为3Dmax做成的效果，则线条比较明晰。

3.2 3D技术在设计中应用

3D技术在结构设计中的重要应用特别表现在PKPM软件上。事实上，PKPM软件已成为一个非常重要的结构设计软件，PKPM就是利用AutoCAD为软件平台，通过平面和空间的构件布置和荷载布置，实现结构的一次性计算。

如图4，第一图为利用空间建模，第二图和第三图则利用空间模型检查结构柱布置是否合理。这些工作都可以通过3D技术很方便快捷的实现。现在3D技术不仅在建筑、结构设计中有广泛的应用，而且也在工业设计上有广泛的应用。如IntergraphSmartPlant3D三维工厂设计解决方案、PDSOFT管道预制设计系统等。

Sketchup软件应用于建筑设计，可以利用平面图和立面图很方便地做出效果图，从而可以全方位地反映建筑设计的外面效果和视觉效果。图5为采用Sketchup软件制作的别墅效果图和景观效果图。

图4 PKPM软件建模示意

3.3 3D技术在工程施工过程中应用

在工程施工中，可以使用3D技术所建立的模型进行工程进度管理;也可以利用3D模型结构一些其他软件进行工料分析和成本控制;还可以通过3D技术模拟实际工况，优化施工方案和设计方案，进行施工平面布置管理。

图5 Sketchup绘制的三维模型及地形

在进度管理时，可将各个作业时间内需要完成的工作量在3D模型中用不同的颜色和标识识别，再配上时间坐标，可以很清楚地反映工作计划和工作完成情况，还可以将不同工期安排的工作内容在3D模型图中表示出来。

在3D所建的模型中，如果是用AutoCAD或PKPM所建的模型，就可以通过图形算量软件或是PKPM自带的功能进行工程量统计，很容易地做出工料分析和进行成本控制。

利用3D模型还可以进行施工技术交底和评价施工方案。在一般的技术交底时，传统做法是，由技术员根据施工内容的难易程度和特点进行口头和文字交底，对工人来讲比较抽象;如果在3D模型中进行技术交底，让工人能看到模拟的施工场景，把抽象的语言变成现实的图片，一方面便于操作人员理解施工内容，另一方面展现了一个现实的工作环境，使工人易于接受交底内容。

在施工方案和施工平面布置时，也可以利用3D模型模拟真实的施工环境，如大型机具的进出场路线、现场材料的存放及如何减少二次搬运等。图6是三维空间里的平面布置图，通过三维图分析，不仅表明了现场建筑物之间的平面位置，还明确表明了空间关系。如果在绘图过程中严格遵照设施的实际尺寸和比例，利用查询功能就可以方便地得到每个点、每个面的坐标、高程，很方便地计算出临时设施所用材料数量。

图6 施工平面三维布置图

3.4 3D技术在竣工阶段的应用

在竣工阶段，可以利用在施工阶段所留存的影像资料和3D模型，重新对施工过程进行模拟。可以在3D技术支持下，进行一个项目“重复性”建设，进而重现施工过程，对项目施工进行后评价，评价项目施工的优劣。

4 3D技术的应用方法

一般说来，3D技术应用分为两部分，第一部分是3D建模，这一环节尤为重要，在建模时，必须选择合适的软件平台，软件平台要有开放性和兼容性，而且也能从网站上快捷地下载到各种模型;第二部分，根据所建的模型进行工作，如模拟施工、技术交流等。从上述分析中可以看出，3D模型的建模过程是3D技术应用的关键，在目前的软件中，3Dmax应用较多，而且也可以在相关网站上下载到一些建筑模型、施工机具模型，这些模型可以很方便地调用及互换。

对于设计过程而言，一般设计者都会采用3D技术建模，如PKPM软件的建模功能。

3Dmax软件建模可以和AutoCAD配合使用，可以将AutoCAD图形导入3Dmax中，然后利用3Dmax里的建模工具进行建模。

建模时，必须首先分析平面图纸和所建模型的特点，哪些是整体模型，哪些是需独立建模、哪些是组合件，必须对模型加以分析，才能建立适合于工程的模型。如果整体模型太复杂，则需要对构件和结构单独建模，但是单独建模的数量太多，则模型将来所需资源多，对电脑的要求也将提高。建模时，最好能使用成熟的模型(如施工机械可以调用已有模型)，这样可以提高建模速。图7为用3Dmax建模而成的某项目基础施工时的3D模型。