水工结构工程与三维可视化技术

牛超群 张楠 水发规划设计有限公司南京分公司

近年来，水利类建筑物逐年增多，这些建筑的规模庞大、结构复杂，设计施工难度系数大。各种类型、规模的水工结构工程实施过程中，其内部结构的复杂性使得对于设计、施工技术的要求相对较高，只有充分利用了三维可视化技术，才能够理清水工结构工程内部各个部分的错综复杂关系，使得整个的设计、施工过程通过可视化来达到理想的效果。因此，三维可视化技术的信息化、自动化程度较高，使得参与到水工结构中的各个部门、人员之间可以保持良好的协调性，提升设计施工水平。

1.三维可视化技术的概念与特点

1.1 概念

三维可视化技术是在传统二维技术的基础上发展而来的，其具有理论与技术交叉性，属于一种新型的技术。在建筑工程领域，三维可视化技术的应用最多，可以集成三维信息空间，在此空间内呈现出建筑结构的直观特征、真实情况。三维可视化技术中包含了计算机技术、多媒体技术、传感技术、人机接口技术等，在这些技术下，设计与施工人员可以通过计算机形成一种人为的虚拟三维空间。在水工结构工程中应用三维可视化技术的建模流程如图1所示。

图1 三维可视化技术下的水工结构工程建模流程

1.2 特点

1.2.1 沉浸感

沉浸感在一些条件下又被称为临场感，主要体现在用户作为三维虚拟环境中的主体在环境中所享受到的真实感受。通常情况下，最为理想的可视化环境就是当用户处于特定环境下时，能够身临其境、难以分辨周围环境的真假，使得用户在可视化的虚拟环境下所呈现的感觉与真实环境是一样的。

1.2.2 交互性

交互性是三维可视化技术的突出特征，主要指的是用户在可视化环境下物体的可操作程度、用户从可视化环境中得到反馈的自然过程，如果用户在虚拟环境下对物体的可操作程度越高、得到的反馈信息越全面，就说明三维可视化环境中具有更好的交互性。

2.可视化仿真技术的主要内容

当前，在水工结构工程中，三维可视化技术已经成为了不可或缺的技术，这一技术的关键是三维仿真，主要包含了以下方面的内容：

（1）软件开发阶段的可视化，也就是编程的可视化。在软件的开发过程中，开发人员在软件中所进行的编辑、运行与管理等一些利的操作过程不再局限于抽象的命令序列执行，而被简化成了各种的操作按钮，在每个操作按钮上都有与其相对应的命令图形，只要点击每个图标，就会对应其与之相对应的过程，并给出每个过程所必须的公用程序段。现阶段，应用较多的可视化编程软件主要为Visual C++、Visual Basic。

（2）计算机图形技术与方法，这一过程可以通过对各种数据的收集与整理，将这些最终的结果以图形、图像的呈现加以显示。

3.三维可视化技术的关键技术

3.1 三维空间模型

3.1.1 地表数字地形模型

三维可视化技术应用时，地表数字地形模型是整个模型中的关键组成，是所有运算操作的受体。对地形表面的模拟而言，一般多以不规则三角网模型、规则格网模型为主，在地表数字地形模型的建立过程中，需利用地形等高线原始数据，在GIS环境中根据一定的算法来生成相应的TIN模型。此模型生成以后，要消除由于等高线数据过于密集或者信息匮乏所造成的特殊三角性，随后内插生成新的TIN模型，此模型的精度较高。

3.1.2 实体模型

水工结构工程项目中，三维实体主要为主体结构、土建工程、附属工程，三维实体模型的构建过程中，主要需要进行空间位置、形状与空间拓扑关系等各类静态信息的整体。在模型构建的过程中，针对不同类型的工程结构，存在着建模方式的差异。（1）参数化实体建模方法方面，在模型构建时，相关人员需根据一定的几何参数与关系来进行约束方程的构建，随后根据这些方程的求解来了解图素的形状、位置与组合关系等各种信息。参数化设计的过程中，必须要将表现设计对象所有图素尺寸、位置与特定的约束条件之间建立一定的关联，而当关联关系建立以后，一旦某一图素的尺寸与位置信息发生了变化，系统会自动根据其与周边图素的约束条件与关联关系，来自动进行相应的尺寸、位置信息更改与修正。水工结构工程中，围堰、溢洪道等多采用的是这种实体建模方法。（2）实体建模方法，这一建模过程中，重要是利用AutoCAD绘图软件来完成相应的模型构建，利用这一绘图软件，可以来进行水工结构各个部件三维模型的构建，随后将这些模型加以取交、取差与合并处理，使得孔洞等一些特殊部位的结构能够在模型中呈现出来。

3.1.3 地表数字地形模型与实体模型的结合

水工结构工程中，如果要保障所建立的三维模型能够与实际的工程结构相符合，就必须要将地表数字地形模型与实体模型充分结合起来。根据前期所建立的地表数字地形模型、实体模型，在两个模型基础上进行整合，在整合以后方可构成整个水工结构工程现场的具体情况。由于水工结构工程多处于相对复杂的水文条件下，地形地质结构复杂，使得所最终形成的地形模型也具有复杂性，如果通过改变地形模型来实现两个模型的整合，其整合的技术难度非常大。因此，在整合过程中多采用的是改变三维实体模型的方式。在地形模型与三维实体模型的整合与匹配过程中，专业人员需在地形模型中找出实体模型在该模型中的某一个投影点，这一投影点需符合高程与实体对应点的高程相同的要求。而在此过程中，有可能存在实体模型中的尺寸、位置等与实际不相符合的情况，在这种情况下，如果要提升三维可视化模型构建的质量，就需要通过缩放、旋转等方式，来使得实体模型与实际模型相符合。

3.2 人机交互技术

由于在三维可视化技术下具有明显的交互性特征，这就使得在水工结构工程模型的构建过程中，必须要加强人机交互技术的应用。人机交互是三维可视化技术下的关键技术，在模型中的很多图形特征往往只有通过交互才能够直接呈现。根据交互的类型，主要包含了与数据、图形与可视化参数的交互，再进一步细分，与数据交互包含了数据集的分割、数据范围确定、计算统计；与图形的交互是在传统图形学交互基础上的扩充，用户可以对三维可视化环境进行平移、旋转与缩放处理，当然还包含了场景漫游等；与可视化参数的交互主要是现实参数的选择与组合。

4.结束语

近年来，水工结构工程设计与施工过程中，三维可视化技术成为了关键性的技术，这一技术的应用克服了传统设计施工技术的局限性，使得在设计、施工过程中的协调性、模拟性与交互性更为突出，保障了水工结构工程的整体质量，在水利事业的快速发展过程中，三维可视化技术在水工建筑中还有着广阔的发展空间。