三维动画技术在水利工程设计中的应用——评《软土水利基坑工程的设计与应用》

赵善利

吴 睿等著中国水利水电出版社出版ISBN：9787508410838定价：¥193.00

随着计算机技术的迅猛发展，三维动画技术得以在诸多行业、领域得到应用，并被引入水利工程设计中。三维动画技术在水利工程设计中的应用，可实现对水利工程三维模型的精确建立，实现对水利工程形态的具体模拟，进而全面呈现水利工程的建筑物形态、运行及施工过程等。水利工程具有投资大、建设周期长及结构复杂等特征，涉及面广，而通过在水利工程决策阶段或建设前期引入三维动画技术，便可实现对水利工程项目中存在的问题进行有效评估并提供解决方案。三维动画技术凭借其诸多优势，近年来得以在水利工程设计中得到广泛应用。三维动画技术是一项呈现工程设计成果的多媒体表现方式，其同时还可用于指导工程设计及施工。依托对工程各个结构、局部场景的精准建模，从多个角度、层面进行观察分析，可找出工程设计中存在的不足之处，进而及时解决工程设计中存在的问题。除此之外，在工程竣工后的运行管理阶段，依托三维动画还可实现对各项设施运行过程及运行效果的直观监测。基于此，结合《软土水利基坑工程的设计与应用》一书，对三维动画技术在水利工程设计中的应用展开研究探讨。

由吴睿主编的《软土水利基坑工程的设计与应用》一书，既可作为从事基坑工程施工、监理、监测等的技术人员和高等院校相关专业师生学习使用，还可供从事基坑工程设计尤其是软土水利基坑设计的技术人员学习参考。作者从软土水利基坑工程特征出发，全面论述了软土水利基坑工程的设计理论和方法，并从满足设计人员知识结构要求的角度，介绍了软土水利基坑工程的施工及其质量控制，施工过程中的监测和环境保护等内容，并引入了4个软土水利基坑工程的实例。《软土水利基坑工程的设计与应用》一书共六章，第一章为概论部分，涉及软土水利基坑工程的发展、软土水利基坑工程的特殊性等内容；第二章论述了软土的工程性质及土压力计算，涉及工程勘察和测试、土压力计算等内容；第三章论述了软土水利基坑工程的设计，涉及软土水利基坑工程的基本形式与方案设计原则、基坑稳定性验算、重力式挡墙围护结构的设计、围护结构内力的计算等内容；第四章论述了软土水利基坑工程的施工和质量检测，涉及边坡降水和开挖、水泥土搅拌桩和SMW工法施工、钻孔灌注桩的施工、板桩施工等内容；第五章论述了监测与环境保护，涉及基础理论概述、监测仪器和方法、监测方案设计等内容；第六章是工程实例部分，涉及木渎港泵闸工程基坑工程、张家塘泵闸枢纽工程基坑围护、上海化学工业区二级排水工程一期泵涵基坑围护工程等内容。该书针对实际工程设计中就施工质量、施工监测、环境保护等诸多方面所提出的相关要求及建议都是十分有价值的。另外，该书做到了理论与实践的有效结合，由此可促进对相关工程实际问题的有效解决。

水利工程作为我国国民经济基础设施的重要组成部分，长期以来是我国重点发展的方向。水利工程不论是其建筑结构还是所处地形均存在一定的特殊复杂性，二维图纸可传递的信息量十分有限，不仅对施工技术人员空间想象能力提出了较高的要求，而且会造成较大的人力物力浪费。相较于传统二维设计软件，三维动画的优点主要表现为：其一，设计成果直观清晰，便于使用者理解运用。三维动画不仅可提供传统的平面图纸，还可呈现三维模型，可从不同方位、层次呈现工程的整体面貌或者局部特征，描述建筑物与周边环境、其他建筑物相互间的空间逻辑关系，进一步提高使用者的认知水平，为设计工作提供诸多便利。其二，参数化设计，可实现重复利用，便捷修改。参数化设计指的是将设计的各项要素转化为某一函数的变量，依托转变函数来获取不同的设计方案。参数化设计使设计人员对设计内容所做的任意改变均可自动在其对应的部分予以呈现。构件的删除、移动以及尺寸的调节所造成的参数转变，均使得对应构件的参数发生相关联的转变，所有视图下所发生的变化均可参数化、双向传播至各个视图，从而确保所有视图的统一性，而无须分别对各个视图进行修改调整。其三，为各专业协同设计提供便利，提高工作效率。水利工程设计涉及多个专业，不同专业相互间的沟通配合至关重要。传统二维设计环境下，不同专业相互间的交流通常要反复开展，甚至在工程实施过程中会出现因为沟通不到位而造成设计失误。在三维动画技术支持下，不同专业的技术人员均可对工程有直观的了解，由此为相互间的沟通带来极大的便利。最为关键的是将不同专业的设计成果集中于同一三维动画中，进而可消除一系列诸如高程、尺寸等不相符的问题。此外，在开展设计工作时，不同专业设计既可逐一开展，也可在相互间进行有效沟通后同步开展，提高了设计效率。综上，三维动画技术具备一系列传统二维设计软件无法比拟的优点，表现出广泛的应用前景，但因为三维动画技术依旧处在发展阶段，设计经验有待积累，标准欠缺，还需要进一步投入相应的人力物力进行推广。

三维动画技术作为虚拟现实技术的一项重要技术手段，其可实现对物体的形体、运动、质感等方面的有效呈现。借助该项技术对水利工程项目开展计算机多媒体制作，可在工程设计前期对工程的方案选择、重点施工对象等予以虚拟处理，还可在工程竣工后，对深水中、山体内等难以直观呈现的相关工程内容进行模拟，依托不同角度、不同层次的观测分析，找出工程设计中存在的问题与不足，为设计提供有力依据。三维动画技术作为一种呈现工程设计成果的多媒体表现方式，在水利工程设计中可发挥至关重要的作用，具体而言：其一，实现对工程建筑物主体结构的明确呈现。三维动画可从不同角度呈现工程建筑的结构、材质等，在模型支撑下，可实现对厂房、坝体等建筑结构的便捷观察。其二，实现对各专业设备布置的直观呈现。通过三维动画技术，可直观呈现水利工程厂房中设置的各类专业设备，并明确不同专业设备在实际场景中所存在的相互关系，为工程设计工作提供可靠依据。其三，实现对工程运行原理及施工过程的动态呈现。通过三维动画，可动态呈现水利工程的运行及施工过程，由此还可作为相关工程项目技术、工艺研究的有效延伸。

近年来，三维动画技术在水利工程设计中得到了越来越广泛的应用。水利工程设计三维动画的制作，通常要经过以下过程：其一，建立模型。即从一个基本结合物着手，引入各式各样的建模命令、方法以建立起最终模型的过程。现阶段，结合水利工程建筑物模型特征，较为常用的建模技术包括细分建模技术、基础投影建模技术等。其二，材质赋予。建模完成后，渲染获取的画面与实际物体还存在一定差异，这是因为尚未为模型赋予真实的材质、纹理。材质、纹理作为三维动画制作的关键要素，可结合实际需求，为该阶段的模型赋予材质，进一步增强模型的真实感。其三，灯光布设。对一个动画场景开展灯光设置不单是为了展示场景细节，同时还应当注重营造出一定的艺术效果，比如合理的明暗对比，需要由灯光营造出相应的氛围，由此要求对灯光强度、光源所处部位等进行合理调节。对于三维动画制作而言，可采用一种快速高效的布光方法，也就是两点布光技术。这一技术使用多种不同场景的灯光照明，诸如水工建筑物、科研示范工程等。两点布光法主要包括主光源、辅助光源。其中，主光源可发挥照亮场景的作用，同时可为物体投射阴影，倘若需要对太阳光进行模拟，则需要运用无线平行光，主光源设置应当尽可能防止从物体正面进行照射，而应当从物体侧面开展布光；辅助光源主要是对表面没有被主光源照射到的阴暗部位予以补光，防止暗部细节的缺损。通常情况下，辅助光源亮度设置要显著低于主光源，并且不投射阴影，通常在与主光源对称位置开展布光。其四，关键帧动画。帧，即影像动画中单幅影像画面。影片是由若干连续的图片组成的，每张图片即为一帧，连续的帧即可形成动画。帧数为在1秒时间中对应传输的图片帧数，可用fps表示。人眼视觉暂留时间为1/24秒，只要不超过这个时间，人眼所看到的便是连续画面。我国现阶段采用的是帕尔制制式标准，即每秒25帧。在三维动画制作中，运用的是25帧/秒。不管是哪一种动画，要想表现运动或者变化，前后最少要提供两个不一样的关键状态，而中间状态的转变及衔接，可由计算机自动实现，在三维动画技术中，表示关键状态的帧称作关键帧。在两个关键帧之间，计算机自动完成过渡画面的帧称作过渡帧。关键帧动画是三维动画制作中较为常用的一种方法，其实际上为展现随时间而转变的动画数值的过程。而三维动画制作中关键帧动画即动画过程的两端，中间帧的动作是通过计算机实现的。其五，渲染输出。在三维动画制作中，渲染输出指对三维动画场景自动输出图片的过程。模型、材质、灯光等设置完毕，便要开展渲染输出工作。渲染输出主要凭借计算机自主运算进行，渲染以帧为单位，每渲染一帧需要用时2分钟，渲染出一秒的三维动画便需要50分钟。其六，动画合成。渲染输出完毕，目标文件夹中均为图片文件，一帧对应一张图片，还没有生成视频文件。在此期间，要求将所有图片传输至视频编辑合成软件，应用相关视频编辑软件，对动画开展处理、合成，便可获取最终的视频格式动画。

总而言之，在水利工程设计中引入三维动画技术，可为技术人员提供确切真实的三维视觉模型，在水利工程实际设计过程中不仅可通过计算机了解到工程的未来景象，阶段性成果汇报中也可呈现具有良好应用价值的汇报信息。另外，依托计算机三维模型可对水利工程设计方案开展直观分析、评价，进一步检测设计方法合理与否、枢纽设置合理与否等。三维动画技术具有直观、高效的特征，在水利工程设计中的应用可促进水利工程设计不断向可视化、数字化、智能化方向发展。《软土水利基坑工程的设计与应用》一书为我们系统梳理了软土水利基坑工程的设计与应用，为三维动画技术在该领域的应用提供了技术支撑。