Sketchup与Lumion在工程设计中的联合运用
——以东台子水库为例

吴 旺

(辽宁省水利水电勘察设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

近年来，随着科学技术的革新，三维设计和BIM(Building Information Modeling)逐渐运用在水利工程设计中，三维设计和BIM凭借着其可视化、协调性、模拟性、优化性等卓越性能，凌驾于传统二维设计之上[1]。尤其是现今水利工程布置和结构愈发复杂，同时整个项目对设计工作的质量、精度和效率要求越来越高，三维设计和BIM已然成为现代水利工程设计的必然趋势。据水利部水利水电规划设计总院2017年调研显示，BIM技术的应用已从概念普及过渡到项目试点阶段[2]。

本次工程设计对象为东台子水库，其坝址位于内蒙古自治区赤峰市西拉木伦河，水库任务以防洪、供水为主，兼顾灌溉和水力发电，为大(2)型水库，主要由堆石坝段、混凝土坝段、鱼道、电站、预处理厂、增殖放流站等组成，工程的三维可视化设计主要由Sketchup软件联合Lumion软件完成。三维可视化设计为BIM技术中的重要组成部分，为工程结构优化调整、设计精细化、工程效果展示等打下了坚实基础。

1 软件简介及特点

1.1 三维建模软件Sketchup

Sketchup软件是一款3D模型设计软件，为BIM生态体系中的核心建模软件之一，是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，可以极其快速和方便地对三维模型进行创建、观察和修改[3]。Sketchup软件界面简洁、易于掌握、适用范围广，同时亦不乏强大的建模功能，软件兼容性好，能同AutoCAD、Revit、3DMAX、Lumion等软件结合使用。

1.2 三维表现软件Lumion

Lumion软件是近年来出现的新一代实时3D可视化工具，配合三维软件创建的模型，成为当今建筑、景观、规划和设计行业的最佳动画表现平台。Lumion软件采用GPU渲染技术，大大降低了CPU的占用率，能够在短时间内创造惊人的建筑可视化效果[4]。相对于BIM其他三维渲染和漫游工具，Lumion软件更具专业性、高效性和优异性，因此也常用于BIM成果的渲染和效果表现。

2 设计流程

本次东台子水库三维可视化设计流程如图1所示。

图1 东台子水库三维可视化设计流程

2.1 模型创建

模型创建和修改均由Sketchup软件完成，主要包括前期准备、CAD图纸导入、三维建模、地形创建、模型材质赋予等部分。

(1)前期准备。通过现场查勘，并借助无人机航飞拍摄，了解项目区地形地貌、植被、气候等基本情况，结合Google earth对项目所在地理位置有一个全局的认识，为后期建模、地形创建及场景模拟提供参考依据。

(2)CAD图纸整理及导入。整理CAD平面图、断面图，清除多余线条和图层，避免对后期建模造成干扰。之后将CAD文件导入Sketchup软件，选择单位为mm，模型实际比例为1∶1，保证了模型的真实准确[5]。

(3)三维建模。依据CAD平面图、断面图等资料，选择适当的建模方式，如块体推拉、路径放样、布尔运算等[6]。Skechup软件绘图工具简便快捷，极大地提高了三维建模效率。由于东台子水库建设规模庞大，包含多个坝段、鱼道、电站、厂房等，模型结构复杂多样，因此采取分步建模，并将独立工程结构创建成组，方便模型的修改和使用。三维建模成果如图2所示。

图2 东台子水库三维建模

(4)地形创建。Sketchup软件中的地形可根据等高线生成，也可以通过网格创建，结合东台子水库工程具体情况，本次地形创建采用两种形式结合的方法，形成优势互补。工程范围附近地形采用实测等高线生成，工程范围以外地形采用网格模拟。

(5)材质赋予。三维建模及地形创建完成后，对模型赋予材质，使模型更加真实，同时也方便下阶段Lumion软件进行材质区分。东台子水库工程模型材质主要包括混凝土、块石护坡、水面、沥青路面、金属、玻璃、岩石、地面铺砖、屋顶、地被层等。材质赋予完成后成果如图3所示。

图3 东台子水库Sketchup模型成果

2.2 模型渲染及表现

模型渲染及表现均由Lumion软件完成，主要包括对Sketchup模型的处理、地形优化、模型相关场景布置等部分。

(1)模型导入及转换。Sketchup模型建立完成后以*.skp文件格式保存，并导入Lumion软件中进行参数调整和材质置换。Lumion软件除了拥有出色的材质库，还能够对材质的RGB值、光泽度、反色率、凹凸度等进行实时编辑，模型材质所见即所得[7]。若遇到Sketchup模型后期修改，在Lumion软件里更新加载即可与修改后的模型重新匹配，且在Lumion软件中已经完成的场景、效果、动画均不变，避免了重复工作，相比其他可视化软件更加便捷高效。

(2)地形处理。Lumion软件真实地形一般是通过导入灰度图进行模拟和生成，本次东台子水库工程在三维建模阶段已经创建地形，因此在Lumion软件中只用地形推拉工具对模型地形的细节进行修补和完善，提升地形表层纹理的层次感。

(3)场景布置。Lumion软件自带丰富的3D素材库，包括人物、车辆、动植物、水体、基础设施等，素材仿真度高，动态效果甚至达到影视级别[8]。同时，Lumion软件还能将光线、阴影、云彩、风向、风速等场景参数化。在东台子水库项目中，水库泄洪的动态水流、库区内的波光粼粼、鱼道内的穿梭游戈等均能得到很好的展示。Lumion软件中水流的动态效果逼真，这也是选择将Lumion软件运用于水利工程的重要原因之一。模型场景完成后成果如图4—5所示。

图4 东台子水库Lumion泄洪场景展示

图5 东台子水库Lumion全场景展示

2.3 动画制作与输出

动画制作与输出均由Lumion软件完成，主要包括对摄像机的设置、关键帧捕捉、镜头特效设置、成果输出等部分。

(1)摄像机设置。进入视频模式后，根据画面角度以及目标的表现诉求，如水库全景鸟瞰、大坝泄洪俯视、鱼道人视、道路漫游等形式，不同场景合理设置镜头焦距，并利用鼠标方向及移动键控制摄像机角度和高度。Lumion软件中视角移动和转换与第一人称3D游戏类似，操作简便，兼具体验乐趣。

(2)关键帧。相比其他繁杂的三维视频编辑软件，Lumion软件动态视频生成采取“傻瓜式”一键操作，只需控制摄像机角度和高度，捕捉关键帧，即可依靠关键帧之间的转场实现自动连接，从而达到动画效果。同时，可通过设置拍摄参数调节单次镜头的动画时长。

(3)镜头特效。为突出表现东台子水库可视化成果，加大模型及场景的表现力，增强画面的感染力，通过Lumion软件镜头特效具体表现了远景虚化、云彩浮动、日照变化、气候变化、季节交替、镜头切换等[9]。Lumion软件镜头特效设计在模型的基础上进行，与三维模型形成独立的操作空间，同时又相互关联，保障了三维可视化设计工作的协同性。

(4)成果输出。在完成对模型的场景布置和动画制作后，即可将成果导出，Lumion软件输出类型包括视频短片和静帧图片。Lumion软件渲染输出速度惊人，输出成果品质高，基本无需后期修饰，极大提升了三维可视化设计效率。视频输出界面和效果如图6所示。

图6 东台子水库Lumion动画制作与输出

3 结语

Sketchup软件和Lumion软件的共同点表现为简单、快捷、高效，2款软件的联合运用极大降低了项目投入的时间成本和劳动成本。这2款软件在建筑及景观设计领域运用相对较多，凭借着其优越的综合性能得到了众多设计单位和个人的认可。相对而言，水利传统行业的三维可视化设计起步较晚，近年来随着BIM水利专业平台的搭建，才渐渐有了一些实质性的投入产出。

笔者接触过其他三维及可视化设计软件如3ds Max、Maya、Rhino、VRay、Quest3D等，在通过对比运用后，总结出一套Sketchup软件和Lumion软件联合运用的三维可视化设计路线，极大地缩短了设计周期。就本次东台子水库三维可视化设计而言，Sketchup软件和Lumion软件联合运用的生产效率至少是其他三维可视化设计软件的数倍。单纯从客观的计算机物理工作时间来看，Lumion软件渲染成果输出只需几分钟，相比之下，其他普通三维视频渲染软件则需要十数小时以上，效率已然得到了质的提升。