虚拟仿真在小型水坝工程中的应用研究

张开源

【摘要】虚拟仿真在建筑工程中的实际应用和逐渐普及有所突破，用计算机生成真实感较强的虚拟场景，并进行动态模拟是虚拟仿真领域的重要研究内容之一。本文在小型水坝工程仿真研究和分析的基础上，利用三维制作软件，实现了高度真实感的水坝场景及水坝排水动态模拟。

【关键词】虚拟仿真 小型水坝 三维建模技术 动态显示

【Abstract】The virtual simulation has increasingly gained practical application and outstanding breakthrough in hydraulic engineering； one of the most challenging studies is computer?generated virtual scene with dynamic simulation. The paper takes advanced theories and results into consideration from many different relating fields， and gives an intuitive virtual and dynamic display for the drainage process and scene simulation of the dam by using three?dimensional production software.

【Keywords】Virtual simulation； Small-scale dam； Three?dimensional modeling techniques； Dynamic display

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）04-0221-02

引言

计算机虚拟仿真技术提供了较为直观的人机界面，在小型水利工程中的应用也得到相应的发展，小型水坝三维模型既有静态模型也有运动模型，在场景模拟时，不仅要对水坝工程及其环境进行三维展示，还要对地形地貌、水坝运行过程进行模拟和动态显示。

本文结合“山区人畜饮水工程项目”中的小型水坝工程建设，提出虚拟仿真建模与动画显示实施问题，在查阅相关文献的基础上，对水坝进行三维场景建模和工作过程的动态显示进行应用研究和探索。

1.虚拟仿真技术

1.1虚拟仿真建模技术

虚拟仿真是在虚拟的数字空间中模拟真实世界中的事物，這就需要真实世界的事物在数字空间中的表示，于是产生了虚拟仿真中的建模技术。按使用方式的不同，现有的建模技术主要分为：几何造型、扫描设备、基于图像等几种方法。

（1）几何造型的建模技术是由专业人员使用专业软件，结合计算机图形学与美术方面的理论和技术，搭建出物体的三维模型。

（2）利用三维扫描仪能够自动构建出物体的三维模型，并且精度非常高，它主要应用于医学等专业领域。

（3）基于图像的建模技术只需使用数码相机拍摄的物体多角度下的照片，经过自动重构，即可获得物体精确的三维模型[1]。

1.2虚拟仿真技术在水利工程建设中的应用

计算机虚拟仿真技术应用于水利工程最早在20世纪70年代初，修建奥地利施立格混凝土坝时采用了确定性数字模拟技术对缆机浇筑混凝土方案进行优选，实践表明，模拟的浇筑速度和进程与实际施工情况非常吻合[2]；我国在二滩工程大坝施工组织设计中首先采用虚拟现实技术，效果较好。此后应用范围从辅助施工设计扩展到结构设计、三维动态显示等方面；从仿真单一的混凝土坝浇筑到仿真土石坝施工、截流施工、地下工程施工；应用目标从静态的方案优选发展到动态的实时控制；从最初把仿真成果仅仅作为一种决策参考，逐渐发展为工程规划、设计和施工管理中不可缺少的技术手段[2]。

1.3开发环境介绍

本文仿真研究主要是在AutoCAD和3D Max平台下完成的，在AutoCAD中按比例绘制元素的二维或三维模型，导入到3D Max中进行处理，二维模型需根据其高度信息放样建模，得到水坝各元素的初始化三维模型；部分元素直接在3D Max中建立三维模型。然后完成静态仿真和动态显示[3]。

2.小型水坝建模

2.1小型水坝概述

小型水坝是指水坝垂直高度（从地基处算起）小于或等于15米，且总储水量不超过300万立方米的水坝。坝体结构一般由坝体核心墙、闸阀、溢洪道、内外边坡等组成，闸阀控制用水的开闭。小型水坝坝体一般为土质坝体，其核心墙是坝体的主要构成部分，内边坡夯实后一般采用混凝土预制砼硬化，外边坡植草皮护坡或低矮值被。坝体截面图如图1所示。

2.2三维建模概述

建模是三维场景制作中的重要环节，建模方式的选择依赖于现实模型的结构及形状，建模方式主要有多边形建模、放样建模、Nurbs建模等三种类型。

（1）多边形建模是较为传统和经典的建模方式，它由多个三角形和四边形面互相连接起来，每个面都有自己的尺寸和法线（即方向），通过精确排列和联结这些面，可以建立由简单到复杂的物体模型。

（2）放样建模是截面图形在一段路径上形成的轨迹，即二维到三维的转化。

（3）NURBS建模是采用图形学中生成光滑曲线的一种经典数学方法来构建三维模型的，它可以提供光滑的更接近轮廓的曲面，并使网格在编辑时保持相对较低的细节。

2.3三维模型建立

模型的建立主要是地形和建筑物的建模，如地形、坝体、坝体建筑、植被建模等。建模过程包括地形处理、建立建筑物基本三维模型、模型的其他要素处理、重点水工建筑物建模四个方面。

（1）地形建模，这种不规则地形建模方式主要有三种：一是平面添加噪波的随机建模方式，其随机性决定该方式不适合建立给定形状的山体模型；二是使用NURBS曲面中的CV曲面，得到类似真实的山峰、山谷等地形；三是根据地形的几何参数提取等高线信息，然后根据各等高线的高度值在三维空间中放置其高度，最后使用地形工具制作地形模型。本文采用第三种方式完成地形表面建模。

（2）坝体建模，先绘制坝体的横截面多边形，然后添加挤出修改器，设置挤出参数得到坝体模型。

（3）水面建模是使用平面、网格、噪波等功能，设置参数，实现水面模型的建立，它们的原理是采用数学运算模型生成指定参数的三维表面。

（4）闸阀建模，采用多边形方法建立模型。

如图2所示的闸阀模型。

（5）水流建模，根据闸阀开启、水水流速这两个参数数使用粒子系统进行建模。

（6）其它元素如溢洪道、坝顶碎石料、闸阀混凝土砼基础、地表植被等，采用多边形、放样等方法建立模型。

3.静态仿真

任何物体都有各自的表面特征，它们的质感、颜色是虚拟仿真的一个难点，用材质、贴图和灯光，可以制作出逼真的物体表面。

3.1材质与贴图

所谓材质，是指模型表面特性，它决定了着色时的颜色、光亮程度、自发光度及不透明度等。指定到材质上的图形称为贴图，使用多种贴图方法能把简单的模型变成丰富的场景画面。

（1）坝体材质，水坝坝体需要贴图的面有3个，每面的贴图各不相同，这就要用到“多维/子对象材质”为其分配不同的材质。

（2）水面材质，水面模型依赖于贴图和噪波的参数设置，单独的水面模型是一个空白的毫无意义的三维形状。

（3）水流材质，水流效果采用泡沫材质，这种材质和烟雾材质有点类似。使用粒子系统的变形球粒子为其定义材质。

（4）其它材质，除上述模型设置材质外，其它模型也需要设置相应的材质。

各模型指定材质后，就具有了基本的外观造型和颜色信息，更接近仿真模型。材质的另外一个作用就是在动画制作时，可以通过材质的变换和参数的调整制作材质动画。

3.2灯光

灯光的主要作用是用来模拟太阳光、照明灯和环境等光源，从而营造出环境氛围。水坝场景是一个开阔的场景，在光线的使用上考虑场景的自然真实性，所以采用泛光灯和天光进行布光。

4.动态仿真

4.1动态仿真概述

在制作动画之前，首先要对整个运动画面做出全面的规划，如动画的时间、场景安排、各元素的动作顺序、动画的动作原理做出时序规划，并逐步细化动作。

水坝工作过程中涉及到的动画主要包括以下三种：首先是 水坝闸阀的开启动画；其次是在阀门开启时水流动画，使用粒子系统和空间扭曲系统中的重力作用产生的水流动画；第三是水位下降动画，水坝的水面受空气或水位下降的影响，会有波纹或旋涡运动而产生的水面动画。

4.2水流粒子系统动态仿真

水流粒子动画在需添加运动模糊，在动画制作中，运动模糊不仅是强化动态效果的方法，也是掩盖瑕疵的一个诀窍。虽然只要物体的运动速度足够快，运动模糊似乎“理所当然”地会产生，但是动画毕竟不是真实的物理场景，如果不为粒子的运动添加运动模糊，水珠是一个一个蹦出来的，与真实的物理效果大相径庭。

4.3 渲染输出

渲染是场景的收尾阶段，在进行了建模、设计材质、添加灯光和动画制作后，进行渲染，生成丰富多彩的图像和动画。如图3所示动画截图。

結束语

本文畅述了虚拟仿真在水利工程建设中的应用，围绕三维建模的技术展开探讨，深入研究了水坝场景的仿真和动画制作。在可视化上具有适用性，在水坝工程预演和编制施工组织设计中得到应用。

参考文献：

[1]束搏，夏时洪. 实现建模技术的3种方法[N]. 计算机世界报.2007-07-09： 26（B17）.

[2]刘惠义.水利工程复杂虚拟视景建模及软件加速技术的研究[D].河海大学，2004.

[3]张凡等.3ds max2008中文版应用教程[Z].北京：中国铁道出版社，2008.