水利水电工程建筑物三维可视化建模技术研究

2016-08-18王梦帆杜贝贝商丘市水利施工总队南阳市水利建筑勘测设计院

河南水利与南水北调 2016年6期

□王梦帆　□杜贝贝　□隋　翔（商丘市水利施工总队；南阳市水利建筑勘测设计院）

□王梦帆1□杜贝贝1□隋翔2
（1商丘市水利施工总队；2南阳市水利建筑勘测设计院）

准确、快捷的创建水利工程三维可视化模型是切实促进工程现代化、数字化发展的关键举措，高效的建模技术是实现这一举措的主要工具。对于可视化技术而言，这是一种涉及众多知识和学科的新兴技术，从出现以来就得到了广泛的关注和应用。建模实现可视化可以使人们从图形等资料中直接接收相应的信息，比传统意义上的文本接受方式更加快捷、明了，此外在三维模型当中进行修改或更新也更加方便。

大型水利水电工程；建筑模型；可视化技术；可视化建模

1　三维可视化技术概述

可视化主要指的是人类大脑中某种事物图像所对应的心智处理过程（Mentalprocessing）。可视化技术的应用可以将计算机当中原始的数字信号转化为图形或图像，令使用者可以更加直观的进行观察，看到过去不可见的新事物，而且还可以提供各种视觉交互方法。该技术的核心主要包含以下方面：可将计算机中原始的数据转化为图形或者是图像；基于面向对象技术的图形用户界面设计，也就是可视化建模技术，其过程模型见图1。

图1　过程模型图

对于可视化技术而言，三维可视化是一项十分重要的组成，强调使用三维的方法准确反映客观事物，是计算机可视化的一部分，在许多科学领域都有着较为广泛的使用。

如今，随着计算机科学在众多领域中的不断延伸，三维可视化已经渗透到许多学科之中，该技术的充分运用可以为相应学科的研究提供很大的帮助，具有推动学科进一步发展的重要作用。如，在建筑建设、交通运输、医疗卫生等领域中合理使用三维可视化，可以从根本上提升决策者所具有的预见性，以此有效避免了损失与浪费；在动画设计等领域中合理使用三维可视化，可以为人们带来极强的视觉冲击；此外，仿真技术的出现，还能大幅提升医疗手术、制造加工以及矿产开发等工作的准确率。如今，三维可视化在城市设计规划、电力工程、交通运输以及矿产开发等领域中的应用逐渐广泛，但还没有在水利行业得到大范围的普及，因此还需要学者与研究人员为此付出努力。

2　大型水利水电工程建筑物建模总体思路

就建模而言，模型层次的划分实质上是对于物理构成与仿真而言的，由于水利建筑物类型多样，物理构成存在很大的差别，所以划分过程中应遵循的基本原则需要针对某一种具体的系统进行规定，以下提出的三种原则为普遍遵循的：

第一，模型自身具有层次。模块是构成系统的基础，可将模块称之为元素或基本模型，表示组成复杂系统无法再进行分解的子系统。其中，上层模块属于主要成分之一，它主要由元素或者是底层模块构成，存在于最上端的模块被称之为系统模型。所以，在针对某一个系统实施模块划分的过程中，需要对其实行细致的分解，同时考虑不同模块间的构成关系及其可连接性。第二，模块划分过程中，需要将相互独立的设备作为基础。第三，从数学的角度将，模块必须具有一定独立性，也就是可对其进行特性描述的所有部件方程，而且计算的所有流程都需要处在程序之内。

2.1可对建筑实体进行表示的方式主要有三种类型

分别为：空间分割方式，这是一种由简单物体以粘合的方式而形成的新型构造体，这些可以被粘合的物体统称为基本体素，形态可以是立方体也可以是长方体；构建实体几何方式，该方式与空间分割基本相同，都是将某一种实体构造成体素组合，但这一方法会运用较多的计算；边界表示方式，无论实体如何，其都会和边界保持对应关系，所以可以描述实体的边界来事对实体进行表达。

2.2水利建筑物的建模步骤

通过以上建模思路可知，水利建筑物的建模过程可分为三步骤进行：几何建模；形象建模；三维显示。

建模过程中需要建GIS（Geographic Information System，地理信息系统）作为开发平台，并辅以CAD（Computer aided design，计算机辅助设计）与3dsmax（3D Studio Max）等软件支持，一同进行三维可视化建模工作。

3　大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术

3.1建筑三维模型

在比例尺相对较大的仿真条件当中，主要房屋与管道的建模是最为基础的工作项目之一。从箱式房屋的角度将，建筑可看成由顶面与多个墙面所围成的实体；管道可看成是由圆形外壁与各个闸所围成的实体。

3.2平面三维模型

通常条件下，对面形水系要素的主要特征表现为：存在明确边界且在可视区域中高程保持不变，模型构建可以通过三角剖分进行，可以将其看作是由水平面作为高程的平面形式，模型比实际范围略大，超出部分可被地形遮盖，进而确保和地形无缝衔接。

3.3三维实体构建

3.3.1参数化实体建模

此建模方法主要是指通过几何关系，构成一套可以使用参数进行控制的部件，再由部件构建成结构模型。在进行参数化设计的过程中，通常使用代数方程对约束表达，它可将几何形状转换为不同的特征点，按照约束的要求表达成代数方程，而各个特征点则可视作方程变元。这种约束模型不仅可以对主要对象的信息进行表达，还可以表述模型间存在的几何关系。将这一理念融入以图形为主的数据结构当中，即可创建一个参数化模型，通常几何约束可以分成两种形式，分比为结构约束以及尺寸约束。其中，结构约束主要是指各种几何元素之间所存在的隐式条件，不属于变动的对象，而尺寸约束主要用来相对位置的确定，属于典型的变动对象，该设计方法所具有的特点为：将变参数形式下的几何模型作为基础；具备实现参数驱动目标能力；可提供参数化约束方法。

3.3.2CAD实体建模

此建模方法主要是指提出几种几何元素及约束条件，通过计算求出元素，以此满足约束条件。使用这种方法进行建模时，需使用CAD软件，人工或自动编程绘制出实体，也可使用模型库当中现存的元件借助“拼接、交叉”等方式组成实体模型。

在水利工程中，根据工程填筑材料的种类以及结构的各种形式将其划分成多个坝块，将整体分成独立且存在一定联系的部件，此类部件形状不一，对其实施图形建模，在此过程中即可对定量信息进行变量化，使其变成可进行调整的参数，赋予变量不相同的数值，得到形状与大小均不相同的部件，这样一来，不仅提升了建模效率，还能提高建模质量。然后，按照层次关系将各个部件构成大坝的整体模型，每个部件都存在与其自身对应的身份标识，如果需要进行修改，仅需依照具体的标识就可以找到修改位置。以参数调整的方式完成修改。几何模型创建完毕之后，以Polygon形式再次生成实体，并进行保存，这样即可借助数据传输功能将模型导进开发平台，在充分发挥CAD软件功效的同时，高效的使用了系统所具有的模型管理性能。

3.3.3特征建模

该建模方法将定义特征作为基础，在系统中形成一系列特征库与分类，并将其表示成层次化结构。设计时用户可以根据特征的具体类型，通过尺寸约束，增加相应的位置约束，以此实现特征建模及求解。在水利工程中，该建模方法主要用于主体建筑的三维可视化建模。设计前，先根据其形态实施分类，创建对应的模型库，并进行子程序编程，输入参数，调用对应的子程序，创建各段的实体模型，然后对其进行组合形成整体模型。以水利工程城门隧洞为例，调用模型库当中现存的对应子程序，先后导入断面坐标、高度、夹角与轴线和x轴间的夹角等重要参数，然后程序运行创建出隧洞的实体模型。建模过程中，结合中心点、断面规格、断面半径以及轴线和x轴间的夹角等参数，在考虑各段几何特性的基础上，调用模型库当中现存的对应子程序，即可创建出特性几何模型。

4　结语

文章将大型水利水电工程建筑物作为主要研究对象，深入分析了三维可视化建模技术。该技术成功将建模和可视化进行融合，具备直观性、稳定性与高效性等优势特点，通过对该建模技术的合理使用，可以大幅减少非本质信息运算量，对建模的过程完成了进一步的简化，从根本上提升了建模工作的效率，也极大的提升了具体模型的生成与调整的效率。就目前而言，数字化水利工程发展迅速，三维可视化建模建模技术凭借其独特的优势特点必将成为水利行业发展的主要技术支撑。

［1］王瑞瑶.谈水利水电工程三维可视化研究进展与前景［J］.山西建筑，2014，02：231-233.

（责任编辑：于慧慧）