三维动画技术在水利闸站工程中的应用

三维动画技术在水利闸站工程中的应用

曹扬 1 陈兴涛 2 马以宏 3

中亿丰建设集团股份有限公司 江苏苏州 215000

[摘 要]当前社会正处于一个飞速发展的时期，信息化、智能化等高新科技是这个时代的主题。而三维动画作为信息化技术的重要组成部分，在建设工程领域的应用已经成为一种趋势。本文探讨了三维技术的制作流程，介绍了三维动画技术在苏州市城市中心区排水防涝完善工程陆步桥闸改造工程的相关应用。该技术的成功应用不仅能为水利闸站工程提供全面的可视化、直观的影像资料，还可结合新兴的信息技术为项目提供更优质的服务。

[关键词]三维动画；闸站；可视化；直观；应用

1.引言

随着科技的进度与发展，建设行业的技术水平在不断提高，三维动画技术在房建、市政等领域的应用越来越广泛。但在水利闸站工程中，应用范围相对较少，特别是在施工阶段，二维方式仍然为主流，例如施工方案的介绍和汇报，普遍采用口述、文字报告的形式，要求较高的场合可能采用计算机加投影仪的形式。这些方式有个共同的特点就是缺乏直观性，特别是对于水利闸站、大型枢纽等涉及的专业多、施工工艺复杂的项目，难以对建筑物的各个部位及工程整体进行可视化的模拟，工艺流程和施工难点很难直观的展示出来，不利于项目的成果推广运用。因此亟需一种能够生动、逼真展现各项工程、技术的方式方法。苏州市城市中心区排水防涝完善工程陆步桥闸改造工程进行了技术创新，投入并推广使用了三维动画技术，借此提升公司品牌形象和服务水平，展现公司对外的竞争力，也让参加者们能够多角度、多维度对整个工程进行了解和把控。

2.技术简介

三维动画是在计算机上利用专业的软件，对所表现对象的尺寸、形状建立模型和场景，为模型赋予相应的材质，设定模拟灯光和阴影，再根据要求在场景中设置模型的运动路径、相机的位置、目标点的位置和其他动画参数，通过电脑的自动运算生成一组静态图片。将这些静态图像全部导入到视频编辑软件中合成，进行动态特效处理。之后添加文字、标注、颜色、图像及音频等效果，最后得到完整地视频格式动画。

实现三维动画流程的Bentley软件模块主要有maya、3D Max、Architecture、Structural、GEOPAK 、MicroStation的渲染模块以及后期处理软件After Effects等，可根据需要，结合各软件的优势综合利用。

¹作者简介：曹扬（1987-），男，本科，现从事水利技术管理工作

图1 三维动画制作的基本流程图

2.1模型构建

模型构建就是从一个基本几何物体开始，通过使用不同的建模命令与建模方法来创建最终模型物体的过程。利用MicroStation软件，建筑、结构、金属结构、机电设备、管道等各个专业能够同时进行模型建造并实时协同。相较于传统建模软件，如Sketchup，能更精准、更快速地完成模型建造。水工建筑物的模型可采用细分建模技术和基础投影建模技术两种方式构建。

2.2材质赋予

在三维建模完成后，得到的是一个基本的3D模型，但还欠缺实际的视觉效果，为使真实感和说服力进一步加强，需对建立好的三维模型进行材质的贴图。但在三维动画制作中，与水利闸站相关的材质种类很少，主要有石材、钢筋、混凝土等。闸站工程的结构较为复杂，一般包括闸室段、泵室段、海漫、消力池、上下游翼墙及导流墩等，真实场景中不同结构的材质的色调基本相同，在三维展示中运用会显得很单调，且建筑物各部分的衔接情况很难清晰地表现出来。因此，对同一种材质也需收集多种颜色或纹理不同的样本。

2.3灯光布设

灯光可对模型的形与色起到装饰作用。利用MicroStation中的渲染模块功能可对太阳光源、片面光源、线光源、点光源等多种光源进行模拟。水利闸站工程对灯光的要求并不是很高，采用两点布光法技术即可满足要求。照亮场景、投射阴影可采用主光源，主光源使用时应注意从物体的侧面布光。对主光源照射不到的阴暗部位可采用辅助光源补光，以丰富暗部细节。

2.4关键帧动画

帧是动画中最小单位的单幅影像画面，相当于电影胶片上的每一格镜头。在动画软件的时间轴上帧表现为一格或一个标记。关键帧相当于二维动画中的原画。指物体运动或变化中的关键动作所处的那一帧。关键帧与关键帧之间的动画可以由软件来创建，叫做过渡帧或者中间帧。

2.5渲染输出与后期合成

建模、材质赋予、灯光布设和动画制作等步骤完成后，需要对场景模型进行渲染转化为图像或视频。渲染器的选择对渲染输出的图像质量有关键性的影响，目前最适应建筑物三维动画制作常用的渲染器Vray，具有渲染速度快、效果好等特点。

后期合成一般采用软件After Effects对TGA图片序列进行合成，该软件可制作出天衣无缝的合成效果，并可以完成一些3D MAX中无法完成的特效，且高效的视频处理系统确保高质量视频的输出。

3.三维动画在施工中应用实践

3.1案例工程概况

苏州市城市中心区排水防涝完善工程陆步桥闸改造工程位于姑苏区境内，建设内容拆除原有老闸，新建10m防洪闸和10m3/s的泵站。现状老闸位于陆步桥浜与黄花泾交汇处向东约130m处，拆建闸站位于陆步路北侧，介于城际路与城北西路之间，其南侧紧临富强集贸市场，北侧为高层住宅区。

本工程采用闸泵站一体结构，新建闸室为开敞式的钢筋混凝土整体结构，垂直水流方向和顺水流方向的长度分别为15.80m、12.0m。北侧布置启闭机室，闸室上、下游側分别设置C25钢筋砼护坦和消力池。新建泵站设置2台1500ZWB5.65－2.7单向卧式轴流泵。2台水泵共用1个泵室，泵室上、下游侧分别设置C25钢筋砼护坦。本项目施工区域临近农贸市场、高档住宅区，施工场地狭小、临时设施布置、材料运输、机械设备进退场难度较大。闸站工程沿高度方向施工层次多，先后顺序的逻辑性强，沿水流方向上施工点多、线长、量大、工期紧。

3.2三维动画的应用

该项目施工包括土建结构、房屋建筑、金属结构安装、水泵设备安装、电气设备安装等多个不同的专业，各专业之间存在相互联系又相互制约的关系，且各专业的二维平面图纸表达抽象，管理人员和现场施工作业人员较难理解非本专业的图纸。在本工程中采用三维动画技术有以下几点意义：

（1）推进征迁工作进度

本项目施工区域紧邻农贸市场、高档住宅区，施工场地狭小，征迁工作压力大，开工后征迁工作一度停滞，通过三维动画的应用，可直观的获得施工区附近的地况、环境和障碍物等所有信息，项目管理人员根据立体效果图查找突破口，有针对性的开展征迁工作，各个击破，提高了征迁工作效率。

图2 施工现场周边环境立体效果图

（2）优化现场平面布置

公司对该项目极为重视，要求创建市级文明工地和优质工程，但现场场地狭窄，增加了临时设施布置难度。通过三维动画对施工场地占地面积、运输线路、施工区域划分、临时设施和施工主场地的相对位置等进行模拟，项目部可对现场平面做出直观的判断，优化临时设施的布局。

图3 临时设施搭建模拟效果图

（3）直观展示水利闸站的工作原理及施工过程

为了说明复杂的原理过程常使用简单的、示意性的平面图，但会有两个局限性，一方面三维空间上的真实内容很难清楚的反映出来，另一方面要求识图人员具备扎实的专业知识和良好的空间想象力。而三维动画则可直观的表现闸站的工作原理，让人更很容易理解。

图4 液压启闭机施工原理模拟图

（4）清晰的展示工程建筑物主体结构

三维动画可将工程建筑的场景布置、结构、材质等多角度的展示出来，通过模型便能任意观察水闸建筑的细部结构，比用工程图纸加说明的形式，更能让人真实地感受到建筑物的形态，实现了二维到三维的突破。

图5 闸站部分主体结构施工模拟图

（5）明确展示各专业的设备布置，提高安装精度。

水利闸站工程设备安装包括金属结构、机电及电气等个专业，设备安装质量的好坏关系到整个闸站的功能，因此需要高标准、严要求控制设备的安装精度。利用三维模型可精确把握设备的安装过程，提高精度。另外三维技术还能清楚地表达各专业不同设备在真实场景中相互交错的关系，将各类构件的预拼装模拟，并进行碰撞检查，可提早发现现场施工中可能产生的问题，避免返工，有效地降低了施工投入。

图6 S型轴流泵输水管道安装模拟图

（6）提前预警，降低施工安全风险

三维工程施工动画可提前有效地实现安全演示、危险预警，让施工人员提前了解施工工艺和安全常识，提高施工人员的安全防范意识，避免危险事故的发生，降低施工风险，保障施工项目更加安全顺利地进行。

图7 轨道吊车梁安装模拟图

（7）提高技术交底效果

三维动画技术的可视化效果，让闸站工程复杂的施工工艺很直观地展现出来，让人更容易理解接受。在技术交底或培训时，向现场作业人员播放三维动画，可使缺乏专业知识的人员对施工工艺有更直观的认识，提高技术交底的质量。

图8 利用三维动画对管理人员交底

（8）助力宣传，提升企业形象

三维动画在现场施工、工作汇报、项目宣传等方面发挥着积极的作用。在现场设置电子显示屏，无论是应对政府部门的检查巡视还是公司组织的观摩学习，都可让大家对项目的施工概况一目了然。

图9 现场显示屏播放的三维动画

4.结论与展望

三维动画技术在苏州市城市中心区排水防涝完善工程陆步桥闸改造工程的成功应用，为项目建设提供了便捷优质的服务，同时为项目的宣传提供了生动形象的材料保障。近年来，水利行业主管部门加快利用新兴科技的步伐，积极推动由传统建造模式向知识密集型的智慧建造方式的转型。2019年，水利部明确提出将深化新兴信息技术与水利业务的融合，加快信息化基础设施的改造升级，强化行业监管信息支撑，做好智慧水利的顶层设计。三维动画可结合当前快速发展的BIM技术、无人机技术、3S技术、施工机器人等信息技术，在水利行业中推广应用，将有助于推动水利水电工程向智慧化方向转型。

参考文献

[1] 李琳琪.三维技术在工程设计中的应用及发展前景[J].中国勘察设计,2014（09）

[2] 魏倩,任必穷,田家宾.三维动画技术在水利工程中的应用[J].内蒙古水利,2013（03）

[3] 石静泊.建筑漫游动画的制作思路和流程[J].科技资讯,2011（23）

[4] 中华人民共和国水利部.鄂竟平在2019年全国水利工作会议上的讲话[R].2019

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