萬里洋

(西南電力設計院電網(wǎng)分公司 ，四川 成都 610000)

三維設計是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設計平臺的基礎讓設計目標更立體化，更形象化的一種新興設計方法。三維設計已經(jīng)應用于軍事，航天多個高科技領域，變電設計也跟時代一起進步，一起共同摸索專研這門新興的技術。

傳統(tǒng)的設計方法，我們是在一個平面的二維空間內(nèi)考慮布局，也就是上下左右四個方向。如果我們把每個模塊抽象成為一個平面，從三維的角度來看，有了前后的關系，一個頁面就可以看做N個層的重疊，通過層之間的互相透視，二維上形成一個頁面。這種抽象只是在設計頁面布局的角度，和最終呈現(xiàn)給用戶的二維視覺沒有影響。二維布局越復雜，制作難度越大，在三維空間內(nèi)，再復雜的布局也就是更多層面的疊加，同時根據(jù)瀏覽器解析代碼自上而下的特性，可以隨意調(diào)整各模塊的顯示順序，很多存在于二維布局方法的難題迎刃而解。 三維設計中最常見的問題是自身的美術感和空間想象，以及是自己對軟件熟練掌握。3DMAX就是三維設計中常用軟件之一。

變電站是一個轉(zhuǎn)換電壓的樞紐，可以把高電壓轉(zhuǎn)化成低電壓或把低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓，從而達到轉(zhuǎn)換和傳輸電壓的目的。電廠發(fā)出來的電，經(jīng)過線路傳輸、變電站、線路傳輸?shù)竭_目的地。變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，繪制一個虛擬變電站不僅真實美觀，更是讓設計人員和甲方對工程一目了然，后期對于保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)運行具有十分重要的意義。

因此，建立一個與實際變電站狀況相似的三維變電站是十分必要的。

1 三維圖形在變電設計中帶來的作用

傳統(tǒng)變電設計中都是二維設計，在表達一個較為復雜的電氣設備或者平面布置圖不僅麻煩而且容易出錯。

二維只能做到輔助設計,三維是最真實的設計表達當計算機里有了三維模型,加工中心可以被設計為直接由計算機驅(qū)動,圖紙也不再是現(xiàn)在意義上的平面圖紙了,而是一種通用的交換模型。

三維的意義是讓計算機來試驗你的想像,一旦零部件物理特性設置之后,計算機可以幫你做計算,復核,出料單等等。設計者應用三維化設計可以對實際考察到的變電站環(huán)境和已選擇的高壓電氣設備進行三維化描述，便可了解三維實體的空間特征，以及相鄰實體在空間上的位置關系。在三維化設計完成后，可以從計算和實際觀察兩方面檢驗設計的合理性，并根據(jù)實際需要選用符合實際情況的電力器件。

2 3DMAX是什么，有什么優(yōu)點

3DMAX（簡稱max）軟件，由國際著名的Autodesk公司的子公司Discreet公司制作開發(fā)的，它是集造型、渲染和制作動畫于一身的三維制作軟件。從它出現(xiàn)的那一天起，即受到了全世界無數(shù)三維動畫制作愛好者的熱情贊譽，max也不負眾望，屢屢在國際上獲得大獎。當前，它已逐步成為在個人PC機上最優(yōu)秀的三維動畫制作軟件。所謂三維動畫，就是利用計算機進行動畫的設計與創(chuàng)作，產(chǎn)生真實的立體場景與動畫。

3DMAX三維建模軟件具有功能強大、擴展性好、兼容性強、容易上手等特點。以3DMAX三維建模軟件為開發(fā)平臺，對變電站及其器件做了簡要概述，分析應用3DMAX進行變電站三維設計以及提升設計效率和細節(jié)的方法?？梢詫崿F(xiàn)變電站設計從虛擬到現(xiàn)實的映射。

3.3DMAX渲染能在變電站設計中實現(xiàn)什么功能

3DMAX三維設計軟件有著強大的后期渲染功能，在變電站設計后期渲染中，真實的模擬光線，相片貼圖等功能可以實現(xiàn)接近真實的模擬變電站效果圖。讓設計人和甲方對工程任務都有個直觀的認識同時透過3DMAX的多個視口觀察變電站模型，不僅設計意圖清晰明朗，檢查錯誤（例如碰撞，設備是否布置等）也是一目了然。配合上渲染后的效果圖更是讓原本生硬難懂的變電站設計變的色彩絢麗，栩栩如生。

4 3DMAX在變電站模型后期渲染中注意事項

在沙州750kV變電站設計中，變電站的地形、電氣設備、接線、構架圍墻等，已經(jīng)全部布置完成。需要用到3DMAX渲染表示全站效果需要注意以下。

4.1 文件導入格式注意

由于工程是由各個不同專業(yè)組合起來完成的。完成的工作也是由不同軟件完成的文件格式各有不同，一般最好模型集中統(tǒng)一參考后使用一種文件格式后在導入3DMAX。例如在沙州750kV變電站設計工程中分別有很多不同的專業(yè)軟件組成。電氣設備（DGN）,導線（DGN）,建筑模型（RVT）我們合并且統(tǒng)一了所有文件格式為DGN并且已經(jīng)全部合并了參照文件。我們在導入3DMAX時不能直接打開DGN文件,導入也不行。我們把可把所有模型在參考整合為DGN模型，在轉(zhuǎn)換為DWG格式即可 。文件格式統(tǒng)一后導入時沒有出現(xiàn)其他專業(yè)的模型有丟失或者不兼容的情況。可以看出3DMAX的兼容性非常好，這在多個專業(yè)一起設計時非常重要。

4.2 如何優(yōu)化模型的面和點

沙州750kV變電站工程中模型一共有4486021個點 8532768個多邊形 是相當龐大的數(shù)據(jù)。

我全選模型然后加載優(yōu)化修改器然后選擇優(yōu)化面閾值和邊閾值。模型的頂點數(shù)變?yōu)?894449個，多邊形變成7330923個。

如果模型過于龐大一般優(yōu)化無法勝任時可以選擇修改器中的ProOptimeizer(超級優(yōu)化)他們的工作原理都是一樣的優(yōu)化模型的面閾值但是效果更加明顯，但是過于優(yōu)化有時會讓模型發(fā)生變樣需要特別注意。

塌陷在max當中的意義是：把所有附加在立體模型上修改器，貼圖，形態(tài)等特征全部固化到立體模型上，其在max中的特點是：可以是節(jié)約出大量的內(nèi)存，同時在調(diào)整立體模型時，其跟隨在立體模型上的特點例如：貼圖都可以跟隨模型的改變而改變。一般使用塌陷是在所有對立體模型上的操作都完成了，不打算在改變了，才做最終的塌陷。有點像photoshop中的合層的概念，但其缺點是，原來加載上面的修改器，將不能在做調(diào)整了。所以使用塌陷命令最后是確定模型無誤時最后渲染前使用的命令。

我在模型導入后進行一系列的優(yōu)化工作，模型的優(yōu)化非常明顯，給電腦計算渲染的壓力減小不少，我們可以看見3DMAX在給沙洲750kV工程的模型優(yōu)化時非常的智能方便。

4.3 賦予材質(zhì)

在模型剛導入時候由于沒有賦予材質(zhì) 模型一般顯示為黑色底圖樣。推薦轉(zhuǎn)換為線框模式方便查看同時線框模式占用顯存更少。

材質(zhì)的設置一般主要為顏色，質(zhì)地，紋理，透明度和光澤等特性。

材質(zhì)和貼圖是有區(qū)別的，材質(zhì)是滲透到3D對象中的一種效果，但大多數(shù)貼圖是2D圖像，可以包裹在對象表面。貼圖的最大好處就是不浪費過多的系統(tǒng)資源，在利用照相設備采集電氣設備和現(xiàn)場照片后貼到三維模型上的表現(xiàn)效果也相當逼真。同時，材質(zhì)可以包含貼圖，貼圖可以由幾種材質(zhì)組成。

在3DMAX中，所有的材質(zhì)效果設置都是在材質(zhì)編輯器中完成的。在材質(zhì)編輯器中可以為對象編輯材質(zhì)，并將編輯好的材質(zhì)賦予場景中的對象，材質(zhì)的效果顯示在樣本槽中，可以隨時對編輯的材質(zhì)進行修改。在3DMAX中，材質(zhì)參數(shù)的設定主要由：基本著色參數(shù)卷展欄、基本參數(shù)卷展欄、擴展參數(shù)卷展欄、貼圖卷展欄、動力學屬性卷展欄組成。

在基本著色參數(shù)卷展欄中，可以選擇不同的材質(zhì)渲染明暗器類型及渲染方式來加強三維模型的外在表現(xiàn)特征如：

(1)Anisotropic(各向異性)：在物體表面產(chǎn)生橢圓形的狹長高光，適用于頭發(fā)、油漆、玻璃、金屬等物體。在設計虛擬變電站場景中的建筑物窗戶、電腦桌桌面以及金屬把手時都需要用到該參數(shù)。

(2)Metal(金屬)：專用于表現(xiàn)金屬物體和一些有機材料，可以表現(xiàn)金屬表面的反光效果。它對于眾多的電氣設備具有很大的用處，電纜、三角鋼架、斷路器底座等等都需要用到該參數(shù)。

(3)Oren.Nayar.Blinn(明 暗 處 理 )：是Blinn類型的一種拓展，但它對物體的表面色具有更強的控制，可以在物體表面產(chǎn)生粗糙的效果，適用于表現(xiàn)布、陶器等物體。該參數(shù)主要用來設計絕緣陶瓷的材質(zhì)，如斷路器的絕緣部分、變壓器的絕緣部分、高塔上的絕緣子等等。

在沙洲750kV變電站中的電氣設備總數(shù)就超過數(shù)百個，再加上若干室內(nèi)物體模型，室外場景模型，模型總數(shù)是一個異常龐大的數(shù)目。

但是我通過利用VRay渲染引擎和貼圖烘焙技術能夠渲染出逼真而精簡的模型，同時利用3DMAX自帶的內(nèi)存堆棧塌陷技術大大優(yōu)化了模型，3DMAX的VRay材質(zhì)器專門預留的工程材質(zhì)類型也為我的工作時間節(jié)約不少。

4.4 燈光處理

在3DMAX中給沒有提供燈光效果時模型賦予的材質(zhì)并不能直接看見披上材質(zhì)的真實效果。需要加上燈光效果才能看見真實的渲染效果。在沙州750kV變電站設計中模型是室外模型，并不需要像室內(nèi)設計那樣設置復雜的燈光參數(shù)。我們只需要加上一個天然太陽光光源，配上一個藍天白云背景圖在設置下發(fā)光參數(shù)就能達到很好的燈光效果。在變電站設計中我們需要特別注意燈光反射的設置。他直接影響著電氣設備的金屬材質(zhì)表現(xiàn)效果。例如斷路器部分的材質(zhì)設置的是Metal(金屬)是油漆材質(zhì)反光效果我們需要在材質(zhì)界面和燈光界面同時設置材質(zhì)的反光系數(shù)。設備的基礎都為混泥土材質(zhì)我們還需要特別設置燈光陰影參數(shù)，因為變電設計中彼此設備距離較近會出現(xiàn)陰影擋住后方設備的情況。

4.4 攝影機設置

攝影機是場景中不可缺少的組成單位，最后完成的靜態(tài)，動態(tài)圖像都要在攝影機圖中表現(xiàn)。攝影機功能在變電站設計后期渲染工作中非常重要。因為單一的透視圖我們雖然可以看見全站模型，但是變電站很多細節(jié)部分我們無法看見（比如導線的連線，部分細小設備的連接等）因此我們需要加入攝影機從各個不同的角度表現(xiàn)變電站設計。

在確定攝像機的位置時，總是考慮到大眾的視覺習慣，在大多數(shù)情況下視點不應高于正常人的身高，也會根據(jù)室內(nèi)的空間結構，選擇是采用人蹲著的視點高度、坐著的視點高度或是站立時的視點高度，這樣渲染出來的圖像就會符合人的視覺習慣，看起來也會很舒服。在使用站立時的視點高度時，目標點一般都會在視點的同一高度，也就是平視。這樣電氣設備和建筑的垂直輪廓線才不會產(chǎn)生透視變形，給人穩(wěn)定的感覺，這種穩(wěn)定感和舒適感就是靠攝像機營造出來的

3DMAX有兩種攝影機種類分別是目標攝影機和自由攝影機

自由攝影機：用于觀察攝影機方向內(nèi)的場景內(nèi)容。多用于軌跡動畫，本次渲染沙洲750kV模型較為龐大計算機配置不適合做漫游動畫處理因此沒有使用自由攝影機。

目標攝影機：用于觀察目標點附近的場景內(nèi)容。它有攝影機，目標兩部分，可以很容易地單獨進行調(diào)整。因此本次渲染任務使用目標攝影機最合適。

下圖是本次工程的一些攝影機角度。

4.5 渲染器的選擇

使用3DMAX時我們一般遵循"建模-燈光-材質(zhì)-渲染的步驟，其中渲染步驟渲染器的設置參數(shù)尤為關鍵下面重點介紹本次渲染器的設置。如何保持高質(zhì)量的效果也不過于花費大量時間。

本次渲染中我選擇了 Vray渲染器，VRay渲染器是保加利亞的Chaos Grpup公司開發(fā)的一款高質(zhì)量渲染引擎，主要以插件的形式應用在3dsMax,Maya,SketchUp等軟件中。由于VRay渲染器可以真實地模擬現(xiàn)實光照，并且操作簡單，可控性也很強,因此被廣泛應用于建筑表現(xiàn)，工業(yè)設計和動畫制作等領域。

VRay的渲染速度與渲染質(zhì)量比較均衡，也就是說在保證較高渲染質(zhì)量的前提下也具有較快的渲染速度，所以它是目前效果圖制作領域最為流行的渲染器。

結論

在變電三維設計中3Dmax不但具有后期渲染功能。而且還可以幫助設計人員更加便利地設計出符合需求的三維立體模型。同時，該軟件還獨有人工智能優(yōu)化的調(diào)整功能，具有操作便捷、自動化集成度高、實時修改模型屬性值等優(yōu)點。另外，3Dmax的三維渲染功能可為設計的模型帶來更加真實逼真的效果。 在龐大的變電站渲染中我們按照先把模型轉(zhuǎn)換為線框，使用修改器優(yōu)化，賦予合適的材質(zhì)和貼圖，加上合適的燈光和渲染器設置的步驟即可大大優(yōu)化渲染中所花費的時間和工作量。最后我們需要詳細的設置渲染器的各個參數(shù)才能保證一個出色的作品。在這些系列工作完成后我們可以看見變電站已經(jīng)變的真實美觀，變電站看起來幾乎是以假亂真的地步。

三維設計就像一場革命風暴一樣為變電設計帶來全新的一面，新的方法，新的思維，新的技術。而3DMAX正是這場革命的尖刀一般。在變電設計工作中可以說3DMAX渲染工作不僅是簡簡單單把一個作品做的真實美觀。更加重要的是他能反應出各個設計人員的意圖。當各個專業(yè)人員設計時不能或者不是很清晰知道和其他專業(yè)配合的模型是什么情景，在3DMAX整合后的模型可以直觀反應的各個專業(yè)配合的模型是否會出現(xiàn)碰撞，外立面的顏色搭配是否合適等等問題。甲方看3DMAX渲染圖更是幫助巨大，無需自己翻閱繁多的平面圖紙，無需自己還要思考與其他圖紙聯(lián)想模型。3DMAX渲染圖就能最直觀表達設計方的意圖和布置，省時又省力。并且可以在最快最短的時間內(nèi)和設計方交換自己的意見和意圖，設計方也能通關渲染圖清晰明白知道甲方想要表達的意思。

所以3DMAX不僅是強大的后期制作軟件，他更是架起了設計方和甲方交流溝通的一個新橋梁。

[1]賈子維.3Dmax技術在虛擬變電站設計中的研究與應用 [J].農(nóng)業(yè)科技與裝備 ,(2010)04-0040-03.

[2]曹茂鵬.3DMAX2012完全自學教程[M].人民郵電出版社.

[3]侯俊，李蔚清，林昌年.變電站三維交互場景仿真關鍵技術研究 [J].電網(wǎng)技術，2005，29(9)，70-75.

[4]龐可.三維設計技術應用及前景展望[J].電力建設，2003,24(5):4-7.

[5]孫國凱，王亮，王劍委.變電工程的三維化設計[J].農(nóng)村電氣化 2008 1（11）10-11.