3dsMax建模及輕量化在河鋼唐鋼三維工廠運(yùn)維仿真的應(yīng)用

李孟達(dá)，杜漢強(qiáng)，張麗麗

（1.唐鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，河北 唐山 063000；2.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299）

0 引言

隨著新一代智能工廠標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，要求鋼鐵行業(yè)向智能制造、綠色制造進(jìn)一步完善，而建設(shè)數(shù)字化鋼廠是實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)智能制造的必經(jīng)之路[1]。加快發(fā)展智能制造，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，打造我國(guó)鋼鐵行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，完成從鋼鐵大國(guó)向鋼鐵強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變具有重要戰(zhàn)略意義。唐鋼新區(qū)旨在打造基于unity引擎的數(shù)字化管理平臺(tái)，以三維可視化模型為載體，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)工藝流程的數(shù)字化，而其中最關(guān)鍵的一步就是將BIM模型轉(zhuǎn)換成.max格式，通過(guò)3dsMax進(jìn)行大量的重新建模、點(diǎn)面優(yōu)化處理，從而為實(shí)現(xiàn)唐鋼新區(qū)智能化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目介紹

唐鋼新區(qū)建設(shè)地點(diǎn)位于唐山市樂(lè)亭經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，本項(xiàng)目的主體實(shí)施范圍包括唐鋼新區(qū)一期的主體工藝設(shè)施，包括料場(chǎng)、球團(tuán)、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、冷軋等模型信息，堆取料機(jī)、球團(tuán)帶式焙燒機(jī)、燒結(jié)機(jī)、高爐、轉(zhuǎn)爐等大型生產(chǎn)設(shè)備及主要公輔設(shè)施（煤氣柜、水泵房、空壓站等）。

1.2 項(xiàng)目的目標(biāo)及意義

唐鋼新區(qū)數(shù)字化工廠是指以數(shù)字化方式再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)體或系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)就是對(duì)物理對(duì)象的數(shù)字化處理，充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程[2]。

數(shù)字化工廠也用來(lái)指代將一個(gè)工廠的廠房及產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)字化處理，在沒(méi)有建造之前，就完成數(shù)字化模型，從而在虛擬的空間中對(duì)工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)，從而在工廠生產(chǎn)線建成之后，實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠的能源、設(shè)備、儀表、管線的動(dòng)態(tài)管理和監(jiān)控，將運(yùn)維數(shù)據(jù)與三維模型融合，形成可視化的資產(chǎn)運(yùn)維管理和數(shù)據(jù)互聯(lián)平臺(tái)，用戶可以借助系統(tǒng)在日常的運(yùn)維中進(jìn)行信息交互，全線貫通前期的工程設(shè)計(jì)，施工建設(shè)和后期的運(yùn)維管理[3]，協(xié)助工廠的運(yùn)維管理人員全面了解產(chǎn)線的每一個(gè)細(xì)節(jié)。

1.3 三維建模技術(shù)分析

BIM是以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，建立起三維的建筑模型，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。它具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖等八大特點(diǎn)[4]。當(dāng)前主要建模技術(shù)主要有以下幾種。

1）Revit和bentely軟件均基于BIM模型，目的是建筑信息管理，定位為完成整個(gè)建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，包括方案設(shè)計(jì)、成果輸出等，由于其數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，導(dǎo)致其在平臺(tái)加載中有卡頓現(xiàn)象，可視化只是其附帶的作用。

2）MAYA被視為CG的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是世界上最強(qiáng)大的整合3D建模、動(dòng)畫(huà)、效果和渲染的解決方案。由于其模型過(guò)于精細(xì)細(xì)膩，多數(shù)都應(yīng)用在角色繪制及動(dòng)畫(huà)、運(yùn)動(dòng)化模擬，雖然能實(shí)現(xiàn)需求，但性價(jià)比不高，操作難度較大。

3） 3dsMax工作方向主要面向建筑模型動(dòng)畫(huà)和室內(nèi)設(shè)計(jì)，其定位是進(jìn)行建筑可視化表現(xiàn)，易學(xué)易用，性價(jià)比高，與引擎軟件結(jié)合是當(dāng)前三維工廠平臺(tái)的一種最常見(jiàn)的應(yīng)用形式。

本文針對(duì)唐鋼新區(qū)模型詳細(xì)而復(fù)雜的現(xiàn)狀，提出了一種基于3dsMax平臺(tái)的模型輕量化與重構(gòu)的方法，先將不同格式的BIM模型轉(zhuǎn)成相同中間格式，再通過(guò)在3dsMax對(duì)于模型多余的點(diǎn)、線、面等元素進(jìn)行修改和重置，從而達(dá)到模型輕量化處理的目的，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠平臺(tái)上模型的流程便捷展示。

2 3dsMax建模

2.1 3dsMax介紹

3dsMax是由全球第五大PC軟件公司研制開(kāi)發(fā)的一款基于PC系統(tǒng)的3D動(dòng)畫(huà)渲染及制作軟件，該軟件的前身是3DStudio系列軟件，目前的最新版本為3dsMax 2020，此款軟件有以下三個(gè)特點(diǎn)：一是軟件基于PC系統(tǒng)，對(duì)配置的要求相對(duì)較低；二是具有豐富的插件功能，能夠提供3dsMax本身不具備的一些功能，如毛發(fā)功能，并且還能對(duì)原有的功能進(jìn)行強(qiáng)化；三是軟件具有可靠的動(dòng)畫(huà)制作能力[5]，能對(duì)建模步驟進(jìn)行疊加，從而更便捷地制作各種模型。目前，3dsMax軟件已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如室內(nèi)裝修、影視制作、廣告設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)以及三維動(dòng)畫(huà)和多媒體制作等等，其之所以能在如此多的領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，與其自身所具有的特點(diǎn)密不可分，這種優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面。

1）性價(jià)比高。公司對(duì)軟件的選擇，除了性能要求之外，其次就是價(jià)格，3dsMax 具有著良好的性價(jià)比，不但能提供強(qiáng)大的功能，價(jià)格還比較低廉，大部分建模公司對(duì)于此款軟件的價(jià)格基本都可以接受，因此進(jìn)一步降低了產(chǎn)品的運(yùn)作成本，同時(shí)，3dsMax對(duì)硬件系統(tǒng)的配置要求也相對(duì)較低[6]，因此不需要對(duì)硬件進(jìn)行額外的升級(jí)，普通的配置即可滿足需要。

2）使用便捷。軟件的好壞更多依賴于使用者的評(píng)價(jià)，使用者最為關(guān)心的問(wèn)題是軟件的操作性能，如果很難操作，那么即使軟件性價(jià)比再高，也很難得到使用者的認(rèn)可[7]。而3dsMax 在使用流程中表現(xiàn)了較為簡(jiǎn)潔和高效，容易上手，后續(xù)的高級(jí)版本操作性體驗(yàn)更佳。

2.2 技術(shù)要求

為確保進(jìn)入引擎的模型能流暢運(yùn)行并與真實(shí)設(shè)備材質(zhì)保持一致，需要在3dsMax中完成三維數(shù)字模型的編輯處理，完成帶有材質(zhì)紋理的三維數(shù)字模型，本項(xiàng)目對(duì)建模提出以下要求。

1）所有優(yōu)化的三維數(shù)字模型為Editable Poly模式，模型單位設(shè)置為mm，不允許有破面、漏面和點(diǎn)線穿插。2）所有面的法線方向要朝向人能看到的方向。3）模型坐標(biāo)如無(wú)特殊要求放在物體底部中心，具備交互動(dòng)作的部件其坐標(biāo)軸須調(diào)整在旋轉(zhuǎn)軸上。4）模型材質(zhì)和紋理要清晰符合設(shè)計(jì)要求，以實(shí)物真實(shí)紋理材質(zhì)為制作依據(jù)，符合實(shí)際，盡量在小的貼圖范圍內(nèi)表現(xiàn)更多細(xì)節(jié)。5）貼圖文件格式必須為32位TGA無(wú)壓縮文件，透明紋理必須帶ALPHA通道。

3 模型輕量化

唐鋼新區(qū)BIM模型涉及多家設(shè)計(jì)院及總包單位，其BIM模型往往側(cè)重在大而全的重量級(jí)概念，即做一個(gè)一次性解決所有問(wèn)題的大平臺(tái)，最終往往效果適得其反[8]。本項(xiàng)目提出的“模型輕量化”，需要在保留關(guān)鍵數(shù)據(jù)的同時(shí)做到輕量化處理，將不同平臺(tái)、不同設(shè)計(jì)院的BIM模型融合到統(tǒng)一的三維管理平臺(tái)，在保證流暢度的同時(shí)，也大大減小了模型體量。本文通過(guò)唐鋼新區(qū)一些細(xì)小的器件，闡述輕量化處理的幾種常見(jiàn)手段。

1） 針對(duì)一些角鋼、槽鋼等鋼結(jié)構(gòu)，可通過(guò)新建幾何體對(duì)象時(shí)，減少面的分段數(shù)、邊數(shù)，達(dá)到減少物體的面數(shù)，如圖1所示，在減少變數(shù)的同時(shí)盡量保證對(duì)象圓滑不失真[9]。

圖1 槽鋼模型輕量化處理效果對(duì)比

2） 針對(duì)規(guī)則的管道、樓梯臺(tái)階扶手等物體，可通過(guò)LOFT放樣物體，通過(guò)調(diào)節(jié)圖形和路徑的步數(shù)值，可以達(dá)到減少物體的塊面數(shù)，如圖2所示。

圖2 管道模型輕量化處理效果對(duì)比

3） 對(duì)于不規(guī)則的物體，可添加優(yōu)化命令，調(diào)整閾值及偏移等數(shù)值，從而達(dá)到減少物體的塊面[10]。

4 建模及優(yōu)化成果展示

雖然建模及優(yōu)化是一項(xiàng)繁瑣且考驗(yàn)?zāi)托牡墓ぷ?，但是能讓模型看起?lái)更簡(jiǎn)單，處理起來(lái)更高效，可能在平時(shí)的使用中一個(gè)小物體的優(yōu)化不能起到立竿見(jiàn)影的效果，但是在鋼鐵工廠中，當(dāng)把所有模型組合在一起，展示一個(gè)整體的三維工廠時(shí)，就能帶來(lái)質(zhì)的飛躍，無(wú)論是在后臺(tái)運(yùn)行上還是作為產(chǎn)品展示時(shí)，都能讓電腦運(yùn)行起來(lái)游刃有余，給使用方帶來(lái)更好的體驗(yàn)，從而為整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)全方位監(jiān)控、保駕護(hù)航。以下為唐鋼新區(qū)兩個(gè)機(jī)械設(shè)備處理模型，圖3為原煤倉(cāng)堆取料機(jī)，面數(shù)減少了83%，圖4為封閉料庫(kù)刮板取料機(jī)，面數(shù)減少了92%。

圖3 原煤倉(cāng)堆取料機(jī)優(yōu)化后效果圖

圖4 封閉料庫(kù)取料機(jī)優(yōu)化后效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

建設(shè)數(shù)字化工廠是鋼鐵行業(yè)未來(lái)發(fā)展方向。本文針對(duì)唐鋼數(shù)字化工廠建設(shè)要求和應(yīng)用情況，提出了一種基于3dsMax的BIM模型輕量化處理方法，該方法可同時(shí)滿足不同BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)的文件格式要求，有效解決了BIM模型體量大、不同平臺(tái)兼容性差等問(wèn)題。將輕量出處理后的模型導(dǎo)入數(shù)字化工廠平臺(tái)，可滿足數(shù)據(jù)展示、線上培訓(xùn)、模擬檢修、設(shè)備拆解等各種功能需求，從而為實(shí)現(xiàn)唐鋼新區(qū)數(shù)字化工廠奠定了基礎(chǔ)。