孫 健

(中鐵城市規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，安徽蕪湖 241000)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維輔助設(shè)計(jì)越來(lái)越多地應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，它體現(xiàn)了新的工程設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)設(shè)計(jì)水平。在工程實(shí)踐中，三維手段顯示出優(yōu)越性和高效性，成為工程設(shè)計(jì)的趨勢(shì)和方向?，F(xiàn)階段地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段為主。本人在從事地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，嘗試著引入三維手段，實(shí)現(xiàn)了三維建模、施工模擬、立體漫游，取得了較好的效果。

1 三維設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1)三維設(shè)計(jì)使所想即所得，設(shè)計(jì)成果直觀清晰，并且立時(shí)可見(jiàn)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段因?yàn)榧垙埡彤嫻P的局限性，要將對(duì)象轉(zhuǎn)化成平面的表現(xiàn)形式，產(chǎn)生大量圖、表和說(shuō)明;施工過(guò)程把這些紛繁復(fù)雜的圖表建造成實(shí)體。而三維設(shè)計(jì)是把對(duì)象直接構(gòu)建成三維模型，它能完全反映建筑物的所有要素和建成的實(shí)際效果，在施工之前將工程狀貌直觀、清楚、準(zhǔn)確的表達(dá)出來(lái)。2)三維手段具有強(qiáng)大的自動(dòng)檢查、糾錯(cuò)和修改功能。與形成那些無(wú)關(guān)聯(lián)性的設(shè)計(jì)文件相比，直接建立三維模型可以排除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中常有的錯(cuò)誤、遺漏、差異的主要來(lái)源，節(jié)省時(shí)間，使得項(xiàng)目的傳遞過(guò)程更有效率。3)三維建模過(guò)程能進(jìn)行大量結(jié)構(gòu)計(jì)算。比如CATIA軟件，結(jié)構(gòu)計(jì)算是其建模功能的一部分。4)三維手段利于實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)。設(shè)置并通過(guò)改變參數(shù)，就可以建立同一類型的模型。不同專業(yè)的多人可以在一個(gè)模型文件上進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的協(xié)同配合。5)三維模型是集成化模型，除了模型本身的所有內(nèi)容，還能包括與模型有關(guān)的整個(gè)項(xiàng)目信息，包括管理、造價(jià)、變更等信息。6)三維模型通用性、移植性好，可以導(dǎo)入很多應(yīng)用軟件，用途廣泛。7)三維手段成果表現(xiàn)形式多樣，可以輸出立體模型，導(dǎo)出平面圖，生成圖表，做成多媒體文件。

2 三維手段在地道方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 概況

地道處于十字路口，平面呈平行四邊形布置。周圍環(huán)境要求地道施工不能影響周邊商業(yè)運(yùn)行和交通通暢。主通道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制矩形鋼筋混凝土管節(jié)，非開(kāi)挖頂管施工，頂管井及出入口采用明挖順筑法施工，開(kāi)挖深度12.0 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系。頂管工作井雙向頂進(jìn)，頂管接收井雙向接收。頂管法施工就是在工作坑內(nèi)借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力，克服管道與周圍土壤的摩擦力，將機(jī)頭和管道頂入土中。一節(jié)管子完成頂入土層之后，再下第二節(jié)管子繼續(xù)頂進(jìn)。機(jī)頭自工作坑內(nèi)穿過(guò)土層一直推進(jìn)到接收坑內(nèi)吊起。采用的矩形頂管技術(shù)系在當(dāng)?shù)厥状尾捎?，工作原理和施工方法及?duì)環(huán)境的影響和要求與一般頂管有很大不同。在方案設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用三維手段的目的是結(jié)合地道方案，建立地道三維模型，演示矩形頂管工作和方案施工過(guò)程及其對(duì)周圍環(huán)境的影響，將工程建設(shè)全過(guò)程像放電影一樣生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái)，以闡明方案理念和頂管工作原理，展示建成效果，充分體現(xiàn)方案優(yōu)勢(shì)。筆者選擇了達(dá)索系列軟件(包括 CATIA V5，3DVIA Composer，3DVIA Studio)，輔以其他軟件以提高設(shè)計(jì)效率，美化效果。應(yīng)用思路是:用CATIA V5建模，用Google sketchup建立周圍環(huán)境模型，用3DVIA Composer進(jìn)行施工模擬，用3DVIA Studio進(jìn)行三維漫游，用“會(huì)聲會(huì)影”后期制作施工模擬和三維漫游展示視頻。

2.2 建立三維模型

根據(jù)地道建設(shè)方案特點(diǎn)，本工程的建模分為三部分:1)地道結(jié)構(gòu)本身，包括通道、出入口和圍護(hù)結(jié)構(gòu);2)頂管機(jī)等施工機(jī)械和汽車模型;3)地道周邊環(huán)境，包括周圍商業(yè)建筑物、道路、樹(shù)木等。CATIAV5建立了一個(gè)針對(duì)產(chǎn)品整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的工作環(huán)境，對(duì)產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程分析、成品定義和制造乃至成品的各個(gè)方面進(jìn)行仿真及整個(gè)生命周期中的使用和維護(hù)。它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車工業(yè)、造船工業(yè)等領(lǐng)域。用CATIA V5建立精確的地道結(jié)構(gòu)模型，建模過(guò)程如圖1所示。

圖1 CATIA V5建模示意圖

圖2 梯道模型

首先，打開(kāi)CATIA程序界面，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)模塊，從此處進(jìn)入草圖設(shè)計(jì)模塊，繪制地道構(gòu)件的輪廓線，完成后點(diǎn)擊圖標(biāo)回到零件模塊，拉伸、旋轉(zhuǎn)輪廓曲線等命令形成構(gòu)件模型。如在構(gòu)件上進(jìn)行開(kāi)槽、分割、開(kāi)洞，可選中欲操作的平面，回到草圖模塊繪制切割輪廓，然后再進(jìn)入零件設(shè)計(jì)模塊，選擇輪廓在模型上執(zhí)行切割命令?？梢栽诹慵K中修改模型參數(shù)，或者進(jìn)入草圖模塊修改草圖參數(shù)，模型會(huì)自動(dòng)相應(yīng)更新。零件設(shè)計(jì)是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，直到模型符合設(shè)計(jì)要求。零件設(shè)計(jì)模塊的建模成果是part文件。打開(kāi)零件組裝模塊。導(dǎo)入各構(gòu)件模型的part文件，按照構(gòu)件之間的相互約束關(guān)系，比如接觸、對(duì)齊、平行等將構(gòu)件安裝在一起，建立完整的構(gòu)筑物模型。在組裝過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)構(gòu)件模型錯(cuò)誤或者設(shè)計(jì)更改，可以在相應(yīng)的part文件里修改并保存，然后再回到組裝模塊，執(zhí)行更新命令。組裝模塊的成果是product文件。建立的三維模型如圖2～圖8所示。獲得施工機(jī)械(如頂管機(jī)、千斤頂、吊車、貨車)和汽車模型有兩條途徑:1)在達(dá)索官網(wǎng)上查找，那里有大量的三維模型資源，合適的模型直接拿來(lái)用，比如載重汽車、推土機(jī)等;2)在網(wǎng)絡(luò)上找不到合適的模型的，如頂管機(jī)模型，可根據(jù)相關(guān)資料，用CATIA V5軟件建立模型，如圖9所示。這樣做既滿足了需要，又提高了效率。用Google sketchup建立輔助構(gòu)筑物和周圍環(huán)境模型。主要考慮以下三點(diǎn):1)Google sketchup里有豐富的環(huán)境模型，它建立的環(huán)境模型美觀、逼真;2)環(huán)境建模不需要精確的尺寸和嚴(yán)格的約束關(guān)系，用Google sketchup建模效率高、速度快，節(jié)省了不少時(shí)間。3)Google sketchup和CATIA V5建立的模型可以互通互用。周圍環(huán)境如圖10所示。經(jīng)過(guò)上述工作，就建立了完整的地道三維模型。

圖3 電梯模型

圖4 頂管管節(jié)模型

圖5 通道模型

圖6 出入口模型

圖7 地道結(jié)構(gòu)模型

圖8 地道整體模型

圖9 頂管機(jī)模型

圖10 地道和周邊環(huán)境模型

2.3 施工模擬

3DVIA Composer使用CATIA V5建立的模型信息，通過(guò)3D動(dòng)畫和創(chuàng)建交互產(chǎn)品文檔更好地傳達(dá)產(chǎn)品信息，功能豐富，靈活多樣。

將建立的地道三維模型導(dǎo)入3DVIA Composer，根據(jù)方案中的施工方法、流程與進(jìn)度安排，將施工到不同階段時(shí)的模型狀態(tài)安排在時(shí)間軸上，形成3DVIA Composer程序中特有的關(guān)鍵幀。關(guān)鍵幀包括整個(gè)模型的所有元素，可以設(shè)定隱藏/顯示功能安排各元素出現(xiàn)的先后順序，設(shè)定不同位置模擬元素的移動(dòng)和動(dòng)作，設(shè)定模型屬性模擬狀態(tài)的漸變、突變。點(diǎn)擊播放后，3DVIA Composer就可以按照時(shí)間軸上關(guān)鍵幀的順序連續(xù)的放映，和放映電影的原理一樣。比如矩形頂管機(jī)，在關(guān)鍵幀中安排它從隱藏狀態(tài)轉(zhuǎn)為顯示，位置處在坑邊、坑底，鉆頭在特定時(shí)間的狀態(tài)，放映時(shí)動(dòng)畫中就表現(xiàn)出頂管機(jī)出現(xiàn)、從坑邊向坑底移動(dòng)、鉆頭旋轉(zhuǎn)挖土的連續(xù)動(dòng)作。地道處于熱鬧繁華的商業(yè)中心地帶，施工臨時(shí)設(shè)施的布設(shè)和交通組織對(duì)周圍的商業(yè)活動(dòng)影響很大。方案設(shè)計(jì)對(duì)此提出了解決辦法，用3DVIA Composer模擬了施工期間臨時(shí)設(shè)施布設(shè)對(duì)周圍建(構(gòu))筑物及商業(yè)的影響及對(duì)十字路口人流、車流的組織、分流等。

2.4 三維漫游

3DVIA Studio以完全的可視化模式，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境仿真到3D互動(dòng)操作，制作流程全面、靈活，渲染能力出色，使人身臨其境。

將三維模型導(dǎo)入3DVIA Studio，利用libraries菜單中預(yù)設(shè)的天空、燈光、貼圖等渲染地道周圍的自然環(huán)境。對(duì)地道內(nèi)部進(jìn)行修飾，把出入口蓋板設(shè)置成透明玻璃效果。用貼圖功能給通道地面賦予材質(zhì)，給側(cè)墻增加粉刷效果，導(dǎo)入壁畫裝飾通道，對(duì)頂板增加天花板圖案和光源。

從達(dá)索官網(wǎng)上下載人物模型和控制人物動(dòng)作的behaviors塊導(dǎo)入模型，設(shè)置控制人物漫游路線的curves，實(shí)現(xiàn)從用鍵盤控制人物或者設(shè)置自動(dòng)行走模式漫游，可以在地道外大街上散步，漫游整個(gè)地道周圍環(huán)境。從地道出入口進(jìn)入通道，在地道漫游，從通道穿越道路，走到另一個(gè)出口，演示地道建成運(yùn)行情況。在3DVIA Studio中的漫游是地道建成后的切身體驗(yàn)。

3 效果

通過(guò)展示三維模型，直觀的表現(xiàn)形式，使不懂工程也不懂設(shè)計(jì)圖紙的人，也能從三維成果中體會(huì)和理解設(shè)計(jì)意圖，提出各領(lǐng)域自己的意見(jiàn)。播放模擬動(dòng)畫演示頂管施工過(guò)程，及施工期間臨時(shí)設(shè)施布設(shè)及對(duì)十字路口人流、車流的組織疏導(dǎo)，使在該地首次運(yùn)用的矩形頂管工法得到當(dāng)?shù)貥I(yè)主認(rèn)可。虛擬場(chǎng)景的漫游，形象逼真地展現(xiàn)了地道建成后的運(yùn)行效果。三維設(shè)計(jì)手段的應(yīng)用顯示出新的工程設(shè)計(jì)理念、先進(jìn)設(shè)計(jì)水平和表現(xiàn)效果上的巨大優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

將三維手段應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還處于探索階段。采用達(dá)索系列軟件CATIA V5對(duì)地道精確建模，成果直觀，立時(shí)可見(jiàn);設(shè)計(jì)差錯(cuò)少，效率高;能進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算;模型通用性強(qiáng);能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化、集成化設(shè)計(jì)，協(xié)同設(shè)計(jì);采用3DVIA Composer模擬地道施工及對(duì)周圍環(huán)境的影響，采用3DVIA Studio進(jìn)行三維漫游，使三維成果表現(xiàn)形式多樣，使地道的方案設(shè)計(jì)獲得了良好評(píng)價(jià)。

［1］董甲甲，楊 磊，杜燕林，等.基于CATIA的重力壩可視化設(shè)計(jì)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2010，30(5)：57-60.

［2］張 麗，郭 菲，董 甲，等.基于 CATIA的三維配筋技術(shù)研究［J］.人民黃河，2013，35(3)：82-83.