水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)研究

□王夢(mèng)帆　□杜貝貝　□隋　翔（商丘市水利施工總隊(duì)；南陽市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

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水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)研究

□王夢(mèng)帆1□杜貝貝1□隋翔2
（1商丘市水利施工總隊(duì)；2南陽市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

準(zhǔn)確、快捷的創(chuàng)建水利工程三維可視化模型是切實(shí)促進(jìn)工程現(xiàn)代化、數(shù)字化發(fā)展的關(guān)鍵舉措，高效的建模技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一舉措的主要工具。對(duì)于可視化技術(shù)而言，這是一種涉及眾多知識(shí)和學(xué)科的新興技術(shù)，從出現(xiàn)以來就得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。建模實(shí)現(xiàn)可視化可以使人們從圖形等資料中直接接收相應(yīng)的信息，比傳統(tǒng)意義上的文本接受方式更加快捷、明了，此外在三維模型當(dāng)中進(jìn)行修改或更新也更加方便。

大型水利水電工程；建筑模型；可視化技術(shù)；可視化建模

1　三維可視化技術(shù)概述

可視化主要指的是人類大腦中某種事物圖像所對(duì)應(yīng)的心智處理過程（Mentalprocessing）?？梢暬夹g(shù)的應(yīng)用可以將計(jì)算機(jī)當(dāng)中原始的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖形或圖像，令使用者可以更加直觀的進(jìn)行觀察，看到過去不可見的新事物，而且還可以提供各種視覺交互方法。該技術(shù)的核心主要包含以下方面：可將計(jì)算機(jī)中原始的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形或者是圖像；基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的圖形用戶界面設(shè)計(jì)，也就是可視化建模技術(shù)，其過程模型見圖1。

圖1　過程模型圖

對(duì)于可視化技術(shù)而言，三維可視化是一項(xiàng)十分重要的組成，強(qiáng)調(diào)使用三維的方法準(zhǔn)確反映客觀事物，是計(jì)算機(jī)可視化的一部分，在許多科學(xué)領(lǐng)域都有著較為廣泛的使用。

如今，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)在眾多領(lǐng)域中的不斷延伸，三維可視化已經(jīng)滲透到許多學(xué)科之中，該技術(shù)的充分運(yùn)用可以為相應(yīng)學(xué)科的研究提供很大的幫助，具有推動(dòng)學(xué)科進(jìn)一步發(fā)展的重要作用。如，在建筑建設(shè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中合理使用三維可視化，可以從根本上提升決策者所具有的預(yù)見性，以此有效避免了損失與浪費(fèi)；在動(dòng)畫設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中合理使用三維可視化，可以為人們帶來極強(qiáng)的視覺沖擊；此外，仿真技術(shù)的出現(xiàn)，還能大幅提升醫(yī)療手術(shù)、制造加工以及礦產(chǎn)開發(fā)等工作的準(zhǔn)確率。如今，三維可視化在城市設(shè)計(jì)規(guī)劃、電力工程、交通運(yùn)輸以及礦產(chǎn)開發(fā)等領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸廣泛，但還沒有在水利行業(yè)得到大范圍的普及，因此還需要學(xué)者與研究人員為此付出努力。

2　大型水利水電工程建筑物建?？傮w思路

就建模而言，模型層次的劃分實(shí)質(zhì)上是對(duì)于物理構(gòu)成與仿真而言的，由于水利建筑物類型多樣，物理構(gòu)成存在很大的差別，所以劃分過程中應(yīng)遵循的基本原則需要針對(duì)某一種具體的系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)定，以下提出的三種原則為普遍遵循的：

第一，模型自身具有層次。模塊是構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可將模塊稱之為元素或基本模型，表示組成復(fù)雜系統(tǒng)無法再進(jìn)行分解的子系統(tǒng)。其中，上層模塊屬于主要成分之一，它主要由元素或者是底層模塊構(gòu)成，存在于最上端的模塊被稱之為系統(tǒng)模型。所以，在針對(duì)某一個(gè)系統(tǒng)實(shí)施模塊劃分的過程中，需要對(duì)其實(shí)行細(xì)致的分解，同時(shí)考慮不同模塊間的構(gòu)成關(guān)系及其可連接性。第二，模塊劃分過程中，需要將相互獨(dú)立的設(shè)備作為基礎(chǔ)。第三，從數(shù)學(xué)的角度將，模塊必須具有一定獨(dú)立性，也就是可對(duì)其進(jìn)行特性描述的所有部件方程，而且計(jì)算的所有流程都需要處在程序之內(nèi)。

2.1可對(duì)建筑實(shí)體進(jìn)行表示的方式主要有三種類型

分別為：空間分割方式，這是一種由簡(jiǎn)單物體以粘合的方式而形成的新型構(gòu)造體，這些可以被粘合的物體統(tǒng)稱為基本體素，形態(tài)可以是立方體也可以是長(zhǎng)方體；構(gòu)建實(shí)體幾何方式，該方式與空間分割基本相同，都是將某一種實(shí)體構(gòu)造成體素組合，但這一方法會(huì)運(yùn)用較多的計(jì)算；邊界表示方式，無論實(shí)體如何，其都會(huì)和邊界保持對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以可以描述實(shí)體的邊界來事對(duì)實(shí)體進(jìn)行表達(dá)。

2.2水利建筑物的建模步驟

通過以上建模思路可知，水利建筑物的建模過程可分為三步驟進(jìn)行：幾何建模；形象建模；三維顯示。

建模過程中需要建GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）作為開發(fā)平臺(tái)，并輔以CAD（Computer aided design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）與3dsmax（3D Studio Max）等軟件支持，一同進(jìn)行三維可視化建模工作。

3　大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)

3.1建筑三維模型

在比例尺相對(duì)較大的仿真條件當(dāng)中，主要房屋與管道的建模是最為基礎(chǔ)的工作項(xiàng)目之一。從箱式房屋的角度將，建筑可看成由頂面與多個(gè)墻面所圍成的實(shí)體；管道可看成是由圓形外壁與各個(gè)閘所圍成的實(shí)體。

3.2平面三維模型

通常條件下，對(duì)面形水系要素的主要特征表現(xiàn)為：存在明確邊界且在可視區(qū)域中高程保持不變，模型構(gòu)建可以通過三角剖分進(jìn)行，可以將其看作是由水平面作為高程的平面形式，模型比實(shí)際范圍略大，超出部分可被地形遮蓋，進(jìn)而確保和地形無縫銜接。

3.3三維實(shí)體構(gòu)建

3.3.1參數(shù)化實(shí)體建模

此建模方法主要是指通過幾何關(guān)系，構(gòu)成一套可以使用參數(shù)進(jìn)行控制的部件，再由部件構(gòu)建成結(jié)構(gòu)模型。在進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程中，通常使用代數(shù)方程對(duì)約束表達(dá)，它可將幾何形狀轉(zhuǎn)換為不同的特征點(diǎn)，按照約束的要求表達(dá)成代數(shù)方程，而各個(gè)特征點(diǎn)則可視作方程變?cè)?。這種約束模型不僅可以對(duì)主要對(duì)象的信息進(jìn)行表達(dá)，還可以表述模型間存在的幾何關(guān)系。將這一理念融入以圖形為主的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，即可創(chuàng)建一個(gè)參數(shù)化模型，通常幾何約束可以分成兩種形式，分比為結(jié)構(gòu)約束以及尺寸約束。其中，結(jié)構(gòu)約束主要是指各種幾何元素之間所存在的隱式條件，不屬于變動(dòng)的對(duì)象，而尺寸約束主要用來相對(duì)位置的確定，屬于典型的變動(dòng)對(duì)象，該設(shè)計(jì)方法所具有的特點(diǎn)為：將變參數(shù)形式下的幾何模型作為基礎(chǔ)；具備實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)目標(biāo)能力；可提供參數(shù)化約束方法。

3.3.2CAD實(shí)體建模

此建模方法主要是指提出幾種幾何元素及約束條件，通過計(jì)算求出元素，以此滿足約束條件。使用這種方法進(jìn)行建模時(shí)，需使用CAD軟件，人工或自動(dòng)編程繪制出實(shí)體，也可使用模型庫當(dāng)中現(xiàn)存的元件借助“拼接、交叉”等方式組成實(shí)體模型。

在水利工程中，根據(jù)工程填筑材料的種類以及結(jié)構(gòu)的各種形式將其劃分成多個(gè)壩塊，將整體分成獨(dú)立且存在一定聯(lián)系的部件，此類部件形狀不一，對(duì)其實(shí)施圖形建模，在此過程中即可對(duì)定量信息進(jìn)行變量化，使其變成可進(jìn)行調(diào)整的參數(shù)，賦予變量不相同的數(shù)值，得到形狀與大小均不相同的部件，這樣一來，不僅提升了建模效率，還能提高建模質(zhì)量。然后，按照層次關(guān)系將各個(gè)部件構(gòu)成大壩的整體模型，每個(gè)部件都存在與其自身對(duì)應(yīng)的身份標(biāo)識(shí)，如果需要進(jìn)行修改，僅需依照具體的標(biāo)識(shí)就可以找到修改位置。以參數(shù)調(diào)整的方式完成修改。幾何模型創(chuàng)建完畢之后，以Polygon形式再次生成實(shí)體，并進(jìn)行保存，這樣即可借助數(shù)據(jù)傳輸功能將模型導(dǎo)進(jìn)開發(fā)平臺(tái)，在充分發(fā)揮CAD軟件功效的同時(shí)，高效的使用了系統(tǒng)所具有的模型管理性能。

3.3.3特征建模

該建模方法將定義特征作為基礎(chǔ)，在系統(tǒng)中形成一系列特征庫與分類，并將其表示成層次化結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)用戶可以根據(jù)特征的具體類型，通過尺寸約束，增加相應(yīng)的位置約束，以此實(shí)現(xiàn)特征建模及求解。在水利工程中，該建模方法主要用于主體建筑的三維可視化建模。設(shè)計(jì)前，先根據(jù)其形態(tài)實(shí)施分類，創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的模型庫，并進(jìn)行子程序編程，輸入?yún)?shù)，調(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序，創(chuàng)建各段的實(shí)體模型，然后對(duì)其進(jìn)行組合形成整體模型。以水利工程城門隧洞為例，調(diào)用模型庫當(dāng)中現(xiàn)存的對(duì)應(yīng)子程序，先后導(dǎo)入斷面坐標(biāo)、高度、夾角與軸線和x軸間的夾角等重要參數(shù)，然后程序運(yùn)行創(chuàng)建出隧洞的實(shí)體模型。建模過程中，結(jié)合中心點(diǎn)、斷面規(guī)格、斷面半徑以及軸線和x軸間的夾角等參數(shù)，在考慮各段幾何特性的基礎(chǔ)上，調(diào)用模型庫當(dāng)中現(xiàn)存的對(duì)應(yīng)子程序，即可創(chuàng)建出特性幾何模型。

4　結(jié)語

文章將大型水利水電工程建筑物作為主要研究對(duì)象，深入分析了三維可視化建模技術(shù)。該技術(shù)成功將建模和可視化進(jìn)行融合，具備直觀性、穩(wěn)定性與高效性等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，通過對(duì)該建模技術(shù)的合理使用，可以大幅減少非本質(zhì)信息運(yùn)算量，對(duì)建模的過程完成了進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，從根本上提升了建模工作的效率，也極大的提升了具體模型的生成與調(diào)整的效率。就目前而言，數(shù)字化水利工程發(fā)展迅速，三維可視化建模建模技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)必將成為水利行業(yè)發(fā)展的主要技術(shù)支撐。

［1］王瑞瑤.談水利水電工程三維可視化研究進(jìn)展與前景［J］.山西建筑，2014，02：231-233.

（責(zé)任編輯：于慧慧）

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