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三维设计跨平台联合应用探索与实践

文/ 屈志刚

  随着计算机软、硬件技术的飞速发展,三维协同设计、BIM技术逐渐成为主流,不断引领包括水利工程在内的各传统行业向前发展。为顺应时代发展潮流,国内各设计公司均纷纷成立数字工程中心,采用三维设计系列软件对传统水利工程进行三维协同设计。
  从2012年底至今,通过采用Bentley公司的MicroStation系列平台软件,河南省水利勘测设计研究有限公司先后完成了前坪水库、南水北调沙河渡槽工程等近20个水利工程项目。在项目进行的过程中,通过思考怎样才能更好的利用三维协同设计完成工程项目、取得最好的设计效果并发挥三维设计成果的最大利用价值,总结了很多有用的经验,其中很重要的一条就是要善于跨平台联合应用。
  “术业有专攻”,任何一家科技公司,无论多么强大,也无法在各方面都做到最好。在水利工程设计领域,涉及到方方面面的技术问题非常多,比如工程位置和线路规划、建筑物选型、水力计算、结构计算、水文、地质、特殊土处理等等,采用单一平台软件往往无法满足工程设计要求,也不可能在各方面都做到最好。为此,在进行三维协同设计时,跨平台联合应用就显得尤为重要,通过发挥不同平台的优势,取长补短,可高效、高质量的完成工程设计,发挥三维设计成果的最大价值。
  在部分工程项目设计和开发中,河南省水利勘测设计研究有限公司尝试通过以Bentley公司的MicroStation系列三维设计平台为核心,联合Esri公司的ArcGis地理信息系列平台、DHI公司的Mike洪水分析平台、World Machine地形制作平台以及Epic公司的Unreal Engine三维开发平台,共同完成了从前期工程三维设计到后期运用管理各阶段的工作,充分发挥了三维设计的优势。
 
前坪水库溃坝分析工程中跨平台联合应用实例
 
  在前坪水库工程设计及溃坝分析工程设计中,首先采用了Bentley公司的三维设计平台对前坪水库工程进行三维设计,利用了包括基础平台MicroStation (SS3)、场地开挖GEOPAK Civil以及建筑设计AECOsim Building Designer等模块,其后联合DHI公司的Mike洪水分析平台,包括Mike 11、Mike 21、Mike Flood等模块完成了前坪水库工程溃坝分析,并通过洪水分析,进一步改善了工程设计。
  项目设计过程
  (1)采用Bentley公司的MicroStation (SS3)和AECOsim Building Designer进行三维设计,得到各建筑物精确三维信息模型,见图1。
  (2)以工程三维模型为参考,采用Bentley公司的场地开挖模块GEOPAK Civil进行三维开挖,包括各建筑物地基开挖和河道治理扩挖,最后得到开挖后的地形场景,见图2。
  (3)将开挖后的场地以.xml格式导出,并在DHI公司的Mike洪水分析软件中作为基础DEM地形进行网格剖分和高程插值,以便进行洪水分析计算,见图3。
  (4)采用DHI公司的Mike 11、Mike 21和Mike Flood模块构建溃坝洪水分析计算模型,得到各时刻洪水要素,包括水深、流速、流向、水位等在二维空间中的分布数据,见图4。
  (5)将MicroStation平台得到的各建筑物三维模型、开挖后的场地模型以及洪水计算结果在DHI公司的MIKE Animator模块中整合起来,制作前坪水库三维溃堤洪水模拟场景,实现洪水的动态演示、洪水要素实时查询等功能,见图5、图6。
 
项目经验总结
Bentley公司以MicroStation为核心的三维设计平台系列软件具有很多独特的优点,包括覆盖面广,几乎涵盖所有专业;拥有自己的一套严格坐标定位体系,为精确建模和模型定位组装奠定坚实的基础。参数化建模和信息化模型体系,既提升了工作效率,又能充分发挥三维模型的价值,并便于后期的管理;以ProjectWise为核心的多专业协同设计平台,真正实现了多专业在线协同设计。
同时,DHI公司的Mike洪水分析平台软件则是目前世界上最为先进成熟的洪水分析计算软件,可构建包括湖泊、海洋、河流等各类型水力分析计算模型,得到洪水演进过程中任意时刻和位置的洪水要素,包括水位、水深、流速、流向等。本项目通过跨两个平台的联合应用,既解决了工程设计过程中的重要难题,也充分发挥了三维协同设计的优势,让三维信息化模型在各阶段均发挥了更大的利用价值。
 
尼日尼亚菲利亚公路项目中跨平台联合应用实例
 
在尼日尼亚菲利亚公路项目中,河南省水利勘测设计研究有限公司首先采用Esri公司的ArcGIS对航拍影像图提取了公路、房屋、河流等特征地形地物轮廓,生成了低精度DEM高程灰度图.其后采用World Machine地形制作平台重新修饰了地形,生成了逼真的河流、山脊地形模型及地形纹理图;最后将地形场景、地物轮廓、地形纹理图等成果导入以MicroStation为核心的三维设计平台里进行工程三维设计,顺利完成了该公路的三维设计工作,取得了较好的视觉效果,说服业主使得工程最终得以实施。
尼日尼亚菲利亚公路项目由于处于早期立项阶段,缺乏实测资料,仅有的资料是从Google 地图上得到的航拍图和低精度高程数据。为使业主对工程充分了解,掌握工程全貌,促进工程尽早实施,河南省水利勘测设计研究有限公司联合了ArcGIS地理信息平台、World Machine地形制作平台以及以MicroStation为核心的三维设计平台共同完成了工程的前期三维协同设计。
项目设计过程为:采用ArcGis从航拍影像图、地势图中提取了等高线、公路、房屋、河流等特征地形地物轮廓,生成低精度地形等高线和DEM高程灰度图(高程点间接60m),见图7、图8。
由于等高线和DEM精度较低,无法描绘河流、公路、冲沟形态,以此建立的地形模型将无法满足工程三维设计需要。为此,在保证地形整体高程不变的情况下,通过采用World Machine地形制作平台,以低精度DEM数据为基础,通过导入公路、河流轮廓走向,并设置相应高程和形态参数,逐步将低精度地形雕刻成包含河流、冲沟、雨水冲刷与侵蚀痕迹的高精度逼真地形,最终生成高精度地形模型(以.obj格式导出)和地面纹理图(以分瓦片.jpg格式导出),以供三维设计平台使用,见图9~图11。
将高精度地形模型、公路居民房屋等地物轮廓、地形纹理图等导入以MicroStation为核心的三维设计平台里进行工程三维设计,建立公路、跨河桥梁、居民房屋等地面附属物的精确三维模型,顺利完成三维设计,见图12、图13。
 
项目经验总结
对于处于前期阶段的工程设计来说,由于缺乏实测资料,无法采用传统的方法进行三维协同设计,为此需要借助类似于ArcGIS和World Machine这样的平台通过间接手段获取资料。前者提供了信息提取、数据处理及空间分析功能,而后者可以混合不同的地形要素制作各种逼真的地形地貌效果。
尼日尼亚菲利亚公路项目由于缺乏实测地形资料,首先通过采用ArcGis平台从航拍影像图、地势图中提取了等高线、公路、房屋、河流等特征地形地物轮廓,生成了低精度地形等高线和DEM高程灰度图;然后再通过采用World Machine雕刻修饰地形,最终得到包含河流、冲沟、雨水冲刷与侵蚀痕迹的高精度逼真地形模型和纹理图,为后续采用以MicroStation为核心的三维设计平台进行三维设计打下基础。
在该项目中,河南省水利勘测设计研究有限公司通过采用多平台联合应用,实现了无资料的三维协同设计,满足了工程早期设计阶段各方面的要求。在不影响工程布置准确度的前提下,得益于World Machine的强大地形处理功能,得到了非常逼真的三维地形场景。而要做到这些,仅靠单一的平台将无法做到。
 
其他拟开发项目跨平台联合应用探索
 
目前,河南省水利勘测设计研究有限公司正着力于水利工程信息化系统的开发,其主要路径有两条:一是基于ArcGIS等GIS平台,采用B/S架构进行的水利信息化系统开发,比如智慧沙颍河项目;二是基于Unreal Engine等三维引擎平台,采用C/S架构进行的水利信息化系统开发,比如前坪水库仿真项目。而无论是基于GIS平台的水利信息化系统开发还是基于Unreal Engine等三维引擎平台的水利信息化系统开发,均需要与以MicroStation为核心的三维设计平台联合,且需要专业计算软件的支持,将三维设计成果应用于水利信息化系统中,在后期运行管理阶段发挥三维设计成果的最大价值。
 
基于ArcGIS平台的水利信息化系统开发
目前国内水利信息化系统开发多是基于GIS平台,其中又以基于Esri公司的ArcGIS平台开发居多,一般采用B/S架构模式,即浏览器+服务器的模式,其优点是无需安装客户端,使用方便快捷,更新容易。但也带来制约,如浏览器无法承载大体量的三维模型,使得三维设计成果无法完整的移植到采用B/S架构的水利信息化系统中。
经多方调研,目前国内各公司开发的水利信息化系统中,三维地形模型直接通过ArcGIS的ArcScene模块基于DEM渲染而成,可叠加航拍影像或分色渲染,而其他三维模型则通过3ds MAX等第三方建模软件建模后,以.3ds格式导入。见图14、图15。
基于Bentley公司的MicroStation系列三维设计平台制作的三维模型是高精度信息模型,各专业模型组装在一起,体量很大,如果不加优化直接导出,将无法在ArcGIS平台中应用。目前河南省水利勘测设计研究有限公司的做法是,首先将采用GEOPAK Civil开挖后的场地数据以XML格式导入ArcGIS,并采用ArcGIS工具转换为DEM,以便在ArcScene中渲染成三维地形;然后在MicroStation平台里对各建筑物三维模型进行优化精简,之后将各模型全部转换为mesh体(在此过程中通过设置mesh参数模型面片量可极大简化),并以FBX格式导出模型;随后在3ds MAX里转换后以3ds格式导出;最后,在ArcGIS平台里将三维地形和各模型进行组装。
此外,各模型的信息需要在模型转换格式前优先导出,整理后录入信息化系统后台数据库,以备模型信息查询时使用。最终结果见图16。
 
基于Unreal Engine平台的水利信息化系统开发
Unreal Engine (简称UE)是一款专业开发高质量三维游戏和虚拟仿真场景的平台软件,在过去的15年中,成千上万的个人和团体围绕UE开发技术建立了公司,成为了一种职业。其主要用于三维游戏开发、工程虚拟现实和仿真场景的开发、电影特效的开发等。
UE是目前世界最顶级的三维开发引擎,凭借着强大的功能、“以假乱真”的视觉效果、包容千万级面片的体量、开放的开发体系一跃成为行业内公认最强大的三维引擎。采用UE开发的室内外效果见图17、图18。
基于Bentley公司的MicroStation系列三维设计平台制作的三维模型是高精度信息模型,可不加精简地直接以FBX格式导出在UE平台中使用。目前河南省水利勘测设计研究有限公司拟开发的前坪水库三维仿真项目,拟直接将前坪水库三维设计成果模型导入UE4引擎,开发基于C/S架构的三维水利信息化系统。
 
后台专业应用服务的开发
无论是基于GIS平台采用B/S架构进行的水利信息化系统开发,还是基于Unreal Engine等三维引擎平台采用C/S架构进行的水利信息化系统开发,要充分发挥其实用价值,必须要有专业应用服务的支持,这是系统的灵魂所在,比如洪水计算、结构计算等水利工程中常见的专业分析计算。
目前国内各水利信息化系统或多或少均内嵌有自己开发的专业计算模块,可实现简单的在线洪水计算等专业应用。然而,为了得到更专业的应用服务支持,必须使用诸如MIKE之类的世界顶级专业计算软件,这类软件往往只提供PC桌面端应用,并不提供后台服务,为此需要再额外编制后台应用服务系统,通过解析生成软件所需要的基本输入资料,根据用户在线发送消息来调用专业软件进行计算,并将计算结果实时导入专业数据库,以备前台实时查询调用。
笔者从事水利工程行业BIM设计三年以来,经历了从新奇到茫然再到如今路径逐步清晰的过程,在此过程中,通过采用Bentley公司的MicroStation系列三维设计平台,先后完成了前坪水库、南水北调沙河渡槽工程等近20个大中型水利和市政工程项目。通过在各个项目中对BIM技术的探索和价值的挖掘,确立了目前跨平台联合应用的方向。也许只有这样,才能取长补短,充分发挥三维设计的优势,并在各个阶段发挥三维设计成果的最大价值。
(作者单位:河南省水利勘测设计研究有限公司)


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