模块化设计方法在盾构机工业动画中的应用

2021-06-07安秀欣

科技创新与应用 2021年14期

安秀欣

（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南长沙410100）

模块化设计（Modular Design）是为了取得最佳效益，从系统观点出发，研究产品（或系统）的构成形式，用分解和组合的方法建立模块体系，并运用模块组合为成品（或系统）的全过程[1]。模块的大批量特性可以降低成本，提高效率，模块的快速组合特性可以形成多样性的产品[2]。

盾构机是集开挖、出渣、支护、导向等工序为一体的大型隧道施工成套装备。盾构机工业动画，是通过运用三维动画仿真技术构建盾构机虚拟施工场景，模拟其工作原理及各项功能特性，主要用于产品推广、技术交流、项目投标、重大项目验收及重大奖项申报等用途，已成为盾构机产品推广及营销的重要手段。

盾构机工业动画在设计制作过程中也存在很多弊端：

（1）盾构机为定制化、非标产品，其工业动画内容针对性强、适用范围小。

（2）盾构机因系统庞大、施工过程复杂，使得其工业动画模拟难度大、制作周期长。

（3）为满足不同机型、不同用途的盾构机工业动画需求，需投入大量的人工成本与时间成本。为解决这些问题，在盾构机工业动画设计制作过程中引入模块化设计方法，通过对各工业动画进行相似性分析，综合考虑其作业模式与制作流程，从而得到适用于盾构机工业动画的模块化设计方法。

1 盾构机工业动画内容分析

由于盾构机是地下隧道施工装备，因其作业环境恶劣，空间狭小，难以实地观测和拍摄其施工状态。为了更直观、更全面地介绍设备特性，一般情况下，施工原理是盾构机工业动画的必展内容。

以土压平衡盾构机（见图1）为例，其施工原理为：盾构机在掘进时，刀盘旋转切削土体，渣土通过刀盘开口进入开挖仓，螺旋输送机将开挖仓内渣土输送至后配套皮带机上，渣土经皮带机传送至后配套系统尾部并被卸放到下方的渣车内，由渣车运出洞外。推进油缸顶推管片使盾构机向前掘进，当推进距离为一环管片宽度时，停止掘进，进行管片拼装，拼装机依次进行管片块的抓取和拼装，当封顶块拼装完毕后，即完成整环管片的拼装。之后盾构机再次进入推进模式，推进油缸全部撑紧在管片环上继续向前推进。在推进的同时，注浆系统通过盾尾的注浆管对管片与开挖直径之间的空隙进行同步注浆来使周围土体获得及时的支撑。二次注浆一般滞后于盾尾几环管片，通过管片的吊装孔注入到管片壁后。

盾构机的施工原理展示可以简要概括为开挖、出渣、支护三大主要施工环节，不同机型的功能实现方式或者功能结构会有所不同，通过归纳分析不同机型盾构机施工原理的相似性和通用性，梳理出具备常用化、通用化、标准化的动画内容，作为模块化设计的范围。

图1 土压平衡盾构机

2 动画预设模块的设计方法

2.1 预设模块布局规划

盾构机工业动画的制作内容主要有模型、材质、渲染、运动关系、特效、施工场景，以及后期剪辑合成七个方面。基于盾构机的施工原理，模块布局规划是按照动画制作的内容逐项展开分类梳理。其中，运动关系是依托产品模型进行设计的，难以从模型中剥离出来，所以，运动关系这一部分内容不纳入梳理范围，但在通用模型中须建立完善的运动关系。最终得出模块布局框架图（见图2），包含模型预设、材质预设、渲染预设、特效预设、场景预设和后期预设六项模块内容。

图2 模块布局框架图

模型预设模块，一般分为两个部分，一是盾构机产品的通用模型预设模块，这部分的预设模块参照盾构机产品模块化的结构单元模块进行划分，主要包括盾构机的一些非关键展示的通用部件模型；二是动画场景中其他辅助展现的通用模型预设模块，其中包括人物骨骼模型、作业工具模型（扳手、螺丝刀等）、辅助工程机械（吊车、挖掘机等）、施工环境模型（植物、城市建筑、交通工具等）。

材质预设模块，是为盾构机工业动画预制的不同特性的材料及表面纹理的材质集合。材质预设模块基本上可划分为金属类材质（不锈钢、锈蚀金属等）、油漆类材质（各类颜色油漆）、地质类材质（软岩、硬岩等1-8级地质）、其他材质（油液、橡胶、玻璃、皮革等），以及特殊表现材质（发光材质、线框材质等），其中油漆类材质须符合企业产品的涂装色彩相关规范，满足盾构机工业动画的使用需求。

渲染预设模块，是不同画面渲染精度的参数预设集合，主要分为超清、高清、标清三种渲染预设，用以输出不同分辨率要求的视频。

特效预设模块，依据盾构机的施工原理划分特效预设模块，盾构机工业动画常用的粒子特效主要是两个方面的内容，一是开挖渣土类特效，主要有三类：（1）刀盘开挖掌子面的渣土特效，包括落渣特效和渣土改良特效；（2）开挖仓内的渣土特效，包括落渣特效、渣土堆积特效、铲斗刮渣特效、渣土改良特效和破碎机碎渣特效；（3）渣土运输特效，包括螺旋机运输特效、管路运输特效、皮带机运输特效共三种。二是稳固地质类特效，主要有超前注浆特效和壁后回填特效。相同的施工特效，通过不同的制作手段和工具会有不同呈现效果，所以，特效预设模块依据展示手段分别设置有三维模拟特效和后期制作特效。

场景预设模块，为满足不同盾构机机型、不同施工需求的场景预设，主要划分为城市场景、乡村场景、山地场景、荒漠场景、草原场景、江河场景、煤矿场景，以及空白场景八大类型，每类场景均设置多个施工作业场景预设模块，一方面用于展现不同机型的作业施工地点，比如，城市场景类型中，在道路两侧设置地表浅层的管廊作业施工场景模块，在地下设置地铁隧道建设的施工作业场景模块，在高速路下方设置建设涵洞的施工作业场景模块等等，用于满足不同机型的施工作业需求；另一方面扩大作业场景的选择空间，比如，城市场景中的地铁隧道施工场景可在城市的不同角落设置多个模块，减少同一场景模块反复使用而引起的审美疲劳。

后期预设模块，主要是针对动画视频后期剪辑合成的效果预设模块，可划分为设计元素、设计版式及调色预设三大类，各类型预设模块包括有多种设计风格，满足不同的使用需求，而且同种设计风格的模块可以自由组合进行再设计，实现视频风格的整体统一化和局部多样化。

2.2 模块设计制作

通过单元模块的组合变化，从而实现多样化的动画效果，是模块化设计的终极目标，预设模块是否好用，关键在于单元模块的规范化程度，下面以土压平衡盾构机掌子面落渣特效的PF粒子预设模块为例，介绍模块的规范化制作方法。

第一步，在制作粒子预设模块之前，先分析掌子面落渣的物理过程，主要包括：（1）随着刀盘的旋转，刀具挤压破碎掌子面，产生大小不一的渣土、烟尘及渣土下落的过程；（2）在渣土的下落过程中刀盘刀具对较大粒径的渣土进行二次破碎并产生烟尘的过程；（3）在渣土下落至隧道的下部边缘时，渣土堆积进入螺旋输送机的过程。第二步，根据掌子面落渣的物理过程设计PF粒子事件，初步形成粒子基础模块，一是模拟首次破碎产生的大粒径渣土在下落过程中进行二次破碎，在下落至隧道下部边缘消失的过程；二是模拟首次破碎产生的小粒径渣土和烟尘，下落至隧道下部边缘消失的过程。渣土堆积进入螺旋输送机的过程是由其他模拟方法来实现的，不在此讲述。第三步，通过分析不同设备在此过程中的相同点及不同点，从而得到预设模块中的可固化内容与可变化内容。实际施工过程中，相同点是掌子面落渣的物理过程基本上是一样的，不同点是设备刀具布局不同、盾构机直径不同和开挖地质不同，对应到粒子预设模块当中，可固化内容为：（1）粒子事件的框架结构及各事件之间的联系；（2）粒子事件中的力场；（3）粒子的出生速率及运动速度。可变化内容为：（1）粒子的发射位置、碰撞位置；（2）粒子的出生时间、碰撞时间和消除时间；（3）粒子的形状、材质。第四步，在可固化内容与可变化内容基础上对基础模块进一步规范形成可通用的模块。主要是针对可变化内容的数据接口进行规范化管理：（1）粒子的发射器对象统一设置为“Launch-位置名称”可编辑多边形，只需在可编辑多边形的元素层级上灵活调整发射面的数量、位置及大小，使其与刀盘对应；粒子的碰撞对象统一设置为“Collision-碰撞面名称”全导向器，根据不同的刀盘轮廓绘制可编辑多边形作为碰撞对象链接到全导向器；（2）粒子的出生时间、碰撞时间和消除时间根据动画展示需要及刀盘直径进行调整相应的参数即可；（3）粒子的形状、材质根据地质需要进行相应的替换操作即可，其中，在调整粒子的形状时需按照相同的粒子大小进行替换。

2.3 模块管理规范

模块化不仅要规范各模块的数据接口，更要统一各模块的管理方式，以下分别是从粒子预设模块的命名规范、预览规范、层级规范和辅助对象的分类规范四个方面讲解相关的规范方式。

粒子预设模块均采用统一的命名规则，便于快速识别模块的用途及内容，每个模块的“预设名”采用“粒子位置-粒子内容”的命名格式，例如“掌子面-小粒径渣土、烟尘”“掌子面-大粒径渣土、烟尘”；每个模块的“预设描述”中具体说明预设模块中所包含的事件，便于全面了解模块的具体构成，例如“掌子面-大粒径渣土、烟尘”模块的“预设描述”为：（1）大粒径渣土：出生-二次碰撞-消除；（2）烟尘：出生-消除；通过预设名和预设描述能够了解模块的用途和构成，并快速了解模块的制作思路和使用方法。

在粒子预设文件夹内，均为各粒子预设模块预制了200帧预览动画和一张效果图，可以通过预览图进一步判断模块是否满足展示需求。

每个预设模块中，对包含的所有对象统一层级管理规范，便于预设模块各对象能够快速匹配到新项目中。各模块均设定三个层级，分别为粒子层、删除层、默认层，粒子层内包含粒子本身所涉及的对象；删除层内为灯光和设备对象，为可替换对象，完成新项目的对象替换后，该层的内容即可删除；默认层内不放置任何对象。

粒子模块内部对象较多且关系复杂，为便于整体移动粒子模块与新项目匹配，将整体预设模块连接到一个虚拟对象，该虚拟对象可以控制整个模块的移动、旋转和缩放操作，减少拾取各个对象的繁琐操作，同时，为便于虚拟对象的识别与拾取，统一规范该类虚拟对象的颜色为蓝色。

3 动画预设模块的集成方法

对于动画预设模块的集成方法分为三种，第一种是软件自带预设功能，可以直接集成到软件中，例如，粒子预设模块可以直接作为预设流集成到3Dmax软件当中，使用时直接拖动预设流进行选择即可；第二种是借助一些集成插件将模块内容集成到软件中，一般此类型插件的功能更为人性化，但适用范围有限，例如Project Manager插件可以集成灯光、材质、模型等预设内容并嵌入到3Dmax软件当中，同时具备实时预览功能；第三种是将预设内容整合到本地资源当中统一管理，可进行加载调用，此方法是针对不能集成到软件中的模块管理方法。预设模块的集成方法应根据使用环境需要及其他客观因素进行选择性使用。

4 动画预设模块的优势

动画预设模块的应用不仅使动画制作周期大大缩短，动画的制作水平也有很大提升。主要体现在以下几点：（1）模块化引入了平行作业，将传统的单点依次作业变成多点同时作业[3]，例如，在动画设计规划完成之后，可以同时开展设备模型梳理、赋材质、施工场景、后期合成框架及后期特效的设计制作；在分镜设计环节，可以同时开展开挖、出渣、支护的分镜设计。模块化应用改变了盾构机工业动画的工作模式，大幅度缩短制作周期，能够快速响应紧急项目的动画需求。（2）预设模块的应用改变了动画制作方式，将新建作业转变为微调作业，例如，设计制作粒子特效时，使用预设模块减少了创建发射/导向物体、创建力场、设计粒子流框架，以及综合各项参数反复调整测试效果的过程，节约大量的制作时间，只需替换粒子的发射/导向物体，调整粒子的时间、形状、材质，即可完成粒子特效的设计制作，设计师可以将更多的时间和精力放在动画的创意构思与设计工作中。（3）模块化的应用使工业动画的成品质量不再依赖设计师个人制作水平，更大程度上取决于动画预设模块的质量，而所有预设模块均为精良制作，数据接口结构清晰，视觉效果优质美观，动画成品质量得到保证，提高了工业动画的整体水平。