三维设计跨平台联合应用研究与实践

寂静天花板

e6 z4 k8 t+ f
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，采用目前主流三维设计平台软件Bentley公司的MicroStation三维设计系列软件其他厂商的三维设计软件对传统水利工程进行三维协同设计。

6 n% T8 W _3 z- o* ?“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得最好，而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得最好。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利用价值。
在部分工程项目设计和开发中，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，在此对三维设计跨平台联合应用的经验进行总结，以供从事三维设计的同行借鉴。
" D& t$ q( d2 B1 w
4 z2 W9 g; b# A, C' K（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。
3 |$ A! G( u9 u
. k0 k% {8 h: A9 x) e

图1 前坪水库工程三维信息模型

（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。
+ {+ F) _! i1 F, S& V
/ b9 d( i/ \1 z- w0 K

图2 前坪水库工程场地开挖模型

（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。
$ S" g% U6 r: h7 ^- ]4 Z
5 o4 r3 W' z" U1 c

图3 采用GEOPAK开挖后的三维地形在MIKE中作为底图剖分的计算网格

（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。
; M' s Z0 t) A3 _! r; P

图4 采用DHI公司的Mike平台计算的溃堤洪水演进结果图

（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8。
6 W3 R* K( J- C' n& s
4 v( ], x7 O; U1 Y0 m. C" n; r

图5 将开挖后的场地模型和各建筑物三维模型在MIKE Animator中整合起来

?, t" G0 ]- `% c
3 g% n4 |" D- [4 |3 v

图6 将三维模型和洪水计算结果在MIKE Animator平台中整合起来

1 D5 Y6 C% \- N, R# G+ }
1 j3 n, L# b, R2 w& V; l

图7 在MIKE Animator平台中进行洪水演进动态演示(一)

* }/ @/ _! j# L, _: G
$ H- x- W& y; s R: l

图8 在MIKE Animator平台中进行洪水演进动态演进(二)

' {! \% p0 Y3 Y4 W. bBentley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，其中包括：1）覆盖面广，几乎涵盖所有专业；2）拥有自己的一套严格的坐标定位体系，为精确建模和模型定位组装奠定坚实的基础；3）参数化建模和信息化模型体系，即提升了工作效率，又能充分发挥三维模型的价值，并便于后期的管理；4）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。而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。

（6）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9、图10。
" e8 B" f+ W* M0 K0 v" w6 m

图9 利用ArcGIS从航拍影像图中提取公路、河流和房屋轮廓

/ @1 ^$ b/ m. N* b

图10 利用ArcGIS从地势图中提取的低精度等高线和生成的DEM灰度图

# K" `# B, i5 ^+ T( d( H（7）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11~图13。
; `+ T0 l8 f" P1 y
: ]3 p4 K' s+ R3 r, |* H

图11 地形制作平台-World Machine结点设备网

! g8 a4 o! x8 p: g' ^4 o- T

图12 通过World Machine平台雕刻的高精度逼真地形模型

9 U0 M5 w/ d, r- s6 [6 P+ Z: |
0 `3 y/ s3 @$ c. ]

图13 通过World Machine平台生成的高精度地形纹理图

（8）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14、图15。

图14 在MicroStation三维设计平台里制作的公路三维场景渲染图

7 h/ @; i Q4 S2 ]4 H9 L3 b

图15 在MicroStation三维设计平台里制作的涵洞泄洪渲染图

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，为此需要借助于类似于ArcGIS和World Machine这样的平台通过间接手段获取资料，前者提供了强大了信息提取、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。
! z5 @- v4 y7 i# [9 [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里进行三维设计打下基础。
! g8 o' o. n: o/ b
) Y' \5 D" r1 y4 t$ `

我走更远

图片很漂亮，原来是高端论文啊。如果以后都应用了，城市规划就更好了，不会一下大雨就水浸了，还淹死人。

没有这个人

这么神奇吗，