三維設計跨平臺聯(lián)合應用研究與實踐

寂靜天花板

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$ v+ `7 H" @* M  m% _; x3 K) w隨著計算機軟、硬件技術的飛速發(fā)展，三維協(xié)同設計、BIM技術逐漸成為主流，不斷引領包括水利工程在內(nèi)的各傳統(tǒng)行業(yè)向前發(fā)展。為順應時代發(fā)展潮流，國內(nèi)各設計公司均紛紛成立數(shù)字工程中心，采用目前主流三維設計平臺軟件Bentley公司的MicroStation三維設計系列軟件其他廠商的三維設計軟件對傳統(tǒng)水利工程進行三維協(xié)同設計。
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4 c# o7 q1 g: w9 Q! ~  o% U6 a“術業(yè)有專攻”，任何一家科技公司，無論多么強大，也無法在各方面都做得最好，而在水利工程設計領域，涉及到方方面面的技術問題非常多，比如工程位置和線路規(guī)劃、建筑物選型、水力計算、結構計算、水文、地質、特殊土處理等等，采用單一平臺軟件往往無法滿足工程設計要求，也不可能在各方面都做得最好。為此，在進行三維協(xié)同設計時，跨平臺聯(lián)合應用就顯得尤為重要，通過發(fā)揮不同平臺的優(yōu)勢，取長補短，可高效高質量的完成工程設計，發(fā)揮三維設計成果的最大利用價值。
在部分工程項目設計和開發(fā)中，嘗試通過以Bentley公司的MicroStation系列三維設計平臺為核心，聯(lián)合Esri公司的ArcGis地理信息系列平臺、DHI公司的Mike洪水分析平臺、World Machine地形制作平臺以及Epic公司的Unreal Engine三維開發(fā)平臺，共同完成了從前期工程三維設計到后期運用管理各階段的工作，充分發(fā)揮了三維設計的優(yōu)勢，在此對三維設計跨平臺聯(lián)合應用的經(jīng)驗進行總結，以供從事三維設計的同行借鑒。

（1）采用Bentley公司的MicroStation (SS3)和AECOsim Building Designer進行三維設計，得到各建筑物精確三維信息模型，見圖1。
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圖1 前坪水庫工程三維信息模型

: w; I  j# i: ]+ ~% W1 L4 U（2）以工程三維模型為參考，采用Bentley公司的場地開挖模塊GEOPAK Civil進行三維開挖，包括各建筑物地基開挖和河道治理擴挖，最后得到開挖后的地形場景，見圖2。

圖2 前坪水庫工程場地開挖模型

（3）將開挖后的場地以.xml格式導出，并在DHI公司的Mike洪水分析軟件中作為基礎DEM地形進行網(wǎng)格剖分和高程插值，以便進行洪水分析計算。見圖3。
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圖3 采用GEOPAK開挖后的三維地形在MIKE中作為底圖剖分的計算網(wǎng)格

（4）采用DHI公司的Mike 11、Mike 21和Mike Flood模塊構建潰壩洪水分析計算模型，得到各時刻洪水要素，包括水深、流速、流向、水位等在二維空間中的分布數(shù)據(jù)。見圖4。

圖4 采用DHI公司的Mike平臺計算的潰堤洪水演進結果圖

. |3 {5 c! Y! _6 E: t  W（5）將MicroStation平臺得到的各建筑物三維模型、開挖后的場地模型以及洪水計算結果在DHI公司的MIKE Animator模塊中整合起來，制作前坪水庫三維潰堤洪水模擬場景，實現(xiàn)洪水的動態(tài)演示、洪水要素實時查詢等功能。見圖5~圖8。

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圖5 將開挖后的場地模型和各建筑物三維模型在MIKE Animator中整合起來

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圖6 將三維模型和洪水計算結果在MIKE Animator平臺中整合起來

圖7 在MIKE Animator平臺中進行洪水演進動態(tài)演示(一)

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圖8 在MIKE Animator平臺中進行洪水演進動態(tài)演進(二)

Bentley公司以MicroStation為核心的三維設計平臺系列軟件具有很多獨特的優(yōu)點，其中包括：1）覆蓋面廣，幾乎涵蓋所有專業(yè)；2）擁有自己的一套嚴格的坐標定位體系，為精確建模和模型定位組裝奠定堅實的基礎；3）參數(shù)化建模和信息化模型體系，即提升了工作效率，又能充分發(fā)揮三維模型的價值，并便于后期的管理；4）以ProjectWise為核心的多專業(yè)協(xié)同設計平臺，真正實現(xiàn)了多專業(yè)在線協(xié)同設計。而DHI公司的Mike洪水分析平臺軟件則是目前世界上最為先進成熟的洪水分析計算軟件，可構建包括湖泊、海洋、河流等各類型水力分析計算模型，得到洪水演進過程中任意時刻和位置的洪水要素，包括水位、水深、流速、流向等。本項目通過跨兩個平臺的聯(lián)合應用，既解決了工程設計過程中的重要難題，也充分發(fā)揮了三維協(xié)同設計的優(yōu)勢，讓三維信息化模型在各階段均發(fā)揮了更大的利用價值。
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（6）采用ArcGis從航拍影像圖、地勢圖中提取了等高線、公路、房屋、河流等特征地形地物輪廓，生成低精度地形等高線和DEM高程灰度圖（高程點間接60m），見圖9、圖10。

圖9 利用ArcGIS從航拍影像圖中提取公路、河流和房屋輪廓

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圖10 利用ArcGIS從地勢圖中提取的低精度等高線和生成的DEM灰度圖

（7）由于等高線和DEM精度較低，無法描繪河流、公路、沖溝形態(tài)，以此建立的地形模型將無法滿足工程三維設計需要。為此，在保證地形整體高程不變的情況下，通過采用World Machine地形制作平臺，以低精度DEM數(shù)據(jù)為基礎，通過導入公路、河流輪廓走向，并設置相應高程和形態(tài)參數(shù)，逐步將低精度地形雕刻成包含河流、沖溝、雨水沖刷與侵蝕痕跡的高精度逼真地形，最終生成高精度地形模型（以.obj格式導出）和地面紋理圖（以分瓦片.jpg格式導出），以供三維設計平臺使用，見圖11~圖13。
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圖11 地形制作平臺-World Machine結點設備網(wǎng)

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圖12 通過World Machine平臺雕刻的高精度逼真地形模型

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圖13 通過World Machine平臺生成的高精度地形紋理圖

) I6 D+ `# I3 z- I4 E（8）將高精度地形模型、公路居民房屋等地物輪廓、地形紋理圖等導入以MicroStation為核心的三維設計平臺里進行工程三維設計，建立公路、跨河橋梁、居民房屋等地面附屬物的精確三維模型，順利完成三維設計，見圖14、圖15。

圖14 在MicroStation三維設計平臺里制作的公路三維場景渲染圖

圖15 在MicroStation三維設計平臺里制作的涵洞泄洪渲染圖

對于處于前期階段的工程設計來說，由于缺乏實測資料，無法采用傳統(tǒng)的方法進行三維協(xié)同設計，為此需要借助于類似于ArcGIS和World Machine這樣的平臺通過間接手段獲取資料，前者提供了強大了信息提取、數(shù)據(jù)處理及空間分析功能，而后者可以混合不同的地形要素制作各種逼真的地形地貌效果。
尼日尼亞菲利亞公路項目由于缺乏實測地形資料，首先通過采用ArcGis平臺從航拍影像圖、地勢圖中提取了等高線、公路、房屋、河流等特征地形地物輪廓，生成了低精度地形等高線和DEM高程灰度圖，然后再通過采用World Machine雕刻修飾地形，最終得到包含河流、沖溝、雨水沖刷與侵蝕痕跡的高精度逼真地形模型和紋理圖，為后續(xù)采用以MicroStation為核心的三維設計平臺里進行三維設計打下基礎。

我走更遠

圖片很漂亮，原來是高端論文啊。如果以后都應用了，城市規(guī)劃就更好了，不會一下大雨就水浸了，還淹死人。

沒有這個人

這么神奇嗎，