水利工程設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)模式應(yīng)用

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【摘要】本文從設(shè)計(jì)需求變化入手，引入BIM概念并對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)軟件作了簡(jiǎn)要的介紹。以界面簡(jiǎn)潔，容易上手的SketchUp（草圖大師）軟件建立一個(gè)簡(jiǎn)單的涵閘為例，說(shuō)明三維模型的建立和優(yōu)化，最后再由三維模型生成平面圖紙這一過(guò)程，從設(shè)計(jì)成果呈現(xiàn)方式上說(shuō)明了二維設(shè)計(jì)到三維設(shè)計(jì)模式的巨大轉(zhuǎn)變。

【關(guān)鍵詞】BIM;SketchU;三維模型;涵閘

1BIM軟件概況

以往水利工程設(shè)計(jì)師們一直用圖紙來(lái)表達(dá)自己對(duì)工程設(shè)計(jì)理念、工程外觀和結(jié)構(gòu)，結(jié)合自己所學(xué)習(xí)掌握的專業(yè)知識(shí)和設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出既能讓建設(shè)方滿意，又能充分利用現(xiàn)場(chǎng)地形特點(diǎn)、造價(jià)較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、建設(shè)方對(duì)時(shí)間的要求不斷的提高，平面制圖來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)效果就有了明顯的不足：一是不夠直觀，二是時(shí)間上不能夠滿足建設(shè)方的要求，三是由于時(shí)間緊造成各專業(yè)配合容易造成失誤，造成后期施工過(guò)程中的變更或返工。故迫切需要一種新的工具來(lái)適應(yīng)工程建設(shè)領(lǐng)域更高的要求，這就是BIM軟件。BIM即建筑信息模型（BuildingInformationModeling）的英文簡(jiǎn)稱，通過(guò)構(gòu)建三維模型并在模型上明確各種材質(zhì)、數(shù)量、顏色等各種信息來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方案。它比簡(jiǎn)單的二維圖紙更為直觀、清晰、高效。BIM模型支持碰撞檢查，在建模過(guò)程中就可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)沖突和沖突點(diǎn)位置，有效避免工程施工過(guò)程中的變更和返工問題。創(chuàng)建BIM的軟件多種多樣，其中比較有代表性的有Autodesk公司的Revit系列、BentleyArchitecture系列、GehryTechnologies等，理論上可以憑借一個(gè)模型就可以完成工程建設(shè)的全過(guò)程，基本不需要圖紙。但這些專業(yè)的軟件上手都需要一定的時(shí)間，短時(shí)間不容易掌握。本文主要介紹Google旗下LastSoftware公司的SketchUp軟件（又名草圖大師），顧名思義，它可以簡(jiǎn)單、快速地建立起工程的三維模型來(lái)直觀的表達(dá)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念和成果，從外觀上來(lái)看可以基本做到“所見即所得”。雖然不能對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確描述，但可做到初步設(shè)計(jì)階段。而且后期還可以利用Revit等軟件繼續(xù)對(duì)模型進(jìn)行深化、添加信息，達(dá)到模型可以用于工程管理和施工的要求。

2設(shè)計(jì)方式的改變

SketchUp軟件同樣可以在構(gòu)建完成三維模型的基礎(chǔ)上生成二維的平立剖面圖，比直接用CAD作二維圖紙具有快速高效的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的工作量，且經(jīng)過(guò)碰撞檢查的三維圖轉(zhuǎn)成二維的圖紙不會(huì)出現(xiàn)各專業(yè)打架的情況。工程設(shè)計(jì)一般分為方案的構(gòu)思和細(xì)化階段、成果呈現(xiàn)階段。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法由于設(shè)計(jì)師把時(shí)間和精力大量的花在成果呈現(xiàn)方面，特別是時(shí)間緊、任務(wù)重的項(xiàng)目。創(chuàng)作和構(gòu)思時(shí)間不足可能會(huì)導(dǎo)致整體方案的不足和疏漏，在和建設(shè)方溝通后又會(huì)陷入頻繁修改最初的構(gòu)思——重新畫圖來(lái)呈現(xiàn)成果這個(gè)惡性循環(huán)中。同時(shí)二維圖這種碎片化的表達(dá)方法會(huì)割裂設(shè)計(jì)師的思路，造成設(shè)計(jì)效率低下。利用SketchUp建模給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了全新的變化和體驗(yàn)：設(shè)計(jì)師可以專注于方案的整體表達(dá)，在建模的時(shí)候一邊構(gòu)思一邊不斷修改模型，這種“所見即所得”的創(chuàng)作方式能夠使設(shè)計(jì)師們?cè)趧?chuàng)建或修改模型時(shí)不會(huì)因?yàn)楫媹D而打斷原有思路，并且可以根據(jù)呈現(xiàn)的模型不斷完善自己的方案細(xì)節(jié)。工程師可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況任意創(chuàng)建立體模型，在創(chuàng)作的過(guò)程中隨時(shí)全方位、多角度的觀察自己的模型，不斷修改和完善，在形成初步的成果時(shí)可以加以簡(jiǎn)單的渲染、漫游，輔以動(dòng)畫效果向建設(shè)方進(jìn)行全方位的展示。根據(jù)建設(shè)方的意見再對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，形成最終的成果。需要出二維圖紙時(shí)可以通過(guò)SketchUp的導(dǎo)出功能很方便的創(chuàng)建平立剖等各個(gè)角度、各個(gè)部位的細(xì)節(jié)。從成果呈現(xiàn)過(guò)程可以看出，這種“所見即所得”的成果呈現(xiàn)方式有著巨大的優(yōu)勢(shì)：一是使設(shè)計(jì)師們能專注于設(shè)計(jì)方案的表達(dá)和完善，模型創(chuàng)建完成即是設(shè)計(jì)成果完成的時(shí)候，出圖所占用的時(shí)間幾乎可以忽略；二是這種設(shè)計(jì)方式不會(huì)打斷設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思路，直觀的模型反而會(huì)使設(shè)計(jì)師的思路更為清晰，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)原來(lái)構(gòu)思階段的不足而加以完善；三是與建設(shè)方溝通時(shí)由于是立體的模型，可以全方位、多角度的觀察，建設(shè)方更容易理解設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖與自己需求之間的差距，從而及時(shí)的溝通和完善，進(jìn)而減少工程施工期變更和返工。

3SketchUp建模方法

3.1準(zhǔn)備建模環(huán)境

首先對(duì)建模環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置，比如模型的字體、單位、精度、引線的形式、尺寸線設(shè)置等，方便建模以及二維圖紙的導(dǎo)出。

3.2建立實(shí)體模型

這是三維和平面制圖的最大區(qū)別，模型是基于對(duì)象的，通過(guò)建立簡(jiǎn)單的幾何體，對(duì)模型的線和面進(jìn)一步拉伸、修改、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作使之符合自己的設(shè)計(jì)構(gòu)圖。它不再像平面作圖的方式考慮平立剖等畫法生成一張一張的圖紙，再由讀圖人在腦中想象出一個(gè)形狀，而是各個(gè)小三維體的堆砌和組合，生成一個(gè)立體的“所見即所得”的模型。比如涵閘模型涵洞部分建模。首先在XY平面畫出底板的輪廓，然后通過(guò)推拉工具向上拉伸形成柱體，拉伸高度即為底板的厚度。再在底板上面畫出涵洞和水閘的邊墩和隔墻，將其向上拉伸一個(gè)涵洞內(nèi)孔的高度。復(fù)制底板底部平面至上面作為涵洞的頂面，修改頂面向外伸出的尺寸后向下推拉和墩墻、隔墻相交。最后刪除推拉后形成的多余線條，完成涵洞部分的建模，如圖1。再進(jìn)行涵閘胸墻和閘墩部分的建模：在涵洞頂部劃分出胸墻的底邊線，把胸墻底部以及在涵洞部分建模時(shí)生成的水閘邊墩、中墩運(yùn)用推拉工具向上推拉至設(shè)計(jì)高度，同時(shí)清理模型中多余的線條，完成了水閘上部胸墻以及閘墩部分的建模。從上面簡(jiǎn)單的建模過(guò)程可以看出其建模過(guò)程為：平面圖——推拉成為立體形狀——線或面的旋轉(zhuǎn)修正形狀這個(gè)過(guò)程。平面圖可以直接在SketchUp中利用其繪圖工具完成，也可以利用現(xiàn)有的CAD圖紙導(dǎo)入到SketchUp中生成平面。在建模的過(guò)程中充分利用創(chuàng)建組或者組件的功能，可以對(duì)模型進(jìn)行更為有效的編輯和控制。

3.3模型優(yōu)化處理

模型的優(yōu)化處理主要是指將模型的關(guān)鍵部位或需要詳細(xì)表現(xiàn)的重點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行細(xì)節(jié)上的處理，類似平面制圖中的大樣圖或詳圖，與之不同的是模型優(yōu)化處理的內(nèi)容更為豐富但在操作上卻相對(duì)簡(jiǎn)單。比如賦與模型材質(zhì)、光照效果、整體修飾和渲染等操作均可以很輕松的完成。像本例中涵閘以及城市建筑等對(duì)于需要結(jié)合地形的模型，優(yōu)化處理還包括與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合的整體合理性和總體風(fēng)格的一致性問題。就涵閘的外觀樣式、建筑風(fēng)格等進(jìn)行進(jìn)一步的溝通，根據(jù)建設(shè)方反饋的意見可以進(jìn)一步的細(xì)化，甚至推倒重新來(lái)過(guò)也花費(fèi)不了多少時(shí)間（約1小時(shí)左右），這將大大減化設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工作量，有效提高效率，和建設(shè)方的溝通也會(huì)更為順暢，既縮短了工程的設(shè)計(jì)周期、又進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.4模型的二維化

對(duì)于全階段采用BIM管理的工程來(lái)說(shuō)，基本不需要對(duì)模型進(jìn)行二維化處理，因?yàn)樗械墓こ绦畔⒍家呀?jīng)反映在模型上，可在任一位置剖切觀察詳圖。對(duì)于現(xiàn)階段很多不具備BIM管理的工程來(lái)說(shuō)，返回二維的圖紙是一項(xiàng)必不可少的工作。以SketchUp為例，簡(jiǎn)單介紹在三維模型中建立一個(gè)剖切面并導(dǎo)出為二維圖型的操作：首先利用剖切面工具，在合適的位置建立剖切面，如果位置不滿意還可以點(diǎn)移動(dòng)工具來(lái)移動(dòng)調(diào)整剖切面，直到滿意為止；最后通過(guò)文件菜單中的導(dǎo)出功能將圖形導(dǎo)出為二維圖形dwg或者dxf格式即可，打開效果如圖2所示。如果在SketchUp中標(biāo)注了尺寸，在導(dǎo)出到CAD中時(shí)也會(huì)一并導(dǎo)出。但通常要遵循制圖規(guī)范，會(huì)對(duì)導(dǎo)出的圖形進(jìn)行必要的加工，但這部分工作量相對(duì)于傳統(tǒng)作圖來(lái)說(shuō)是相當(dāng)少的一部分，基本可以忽略。至于平面圖和立面圖的導(dǎo)出則更為方便，只要在相機(jī)中選擇平行投影、頂視圖、左視圖或前視圖，然后再導(dǎo)出為二維dwg圖形就可以了。

4結(jié)語(yǔ)

隨著Revit、BentleyArchitecture、GehryTechnologies、Lumion等軟件的不斷更新和成熟，三維設(shè)計(jì)必將成為未來(lái)工程設(shè)計(jì)的主流，目前一些較大的工程已經(jīng)要求要BIM投標(biāo)。SketchUp作為簡(jiǎn)潔方便、高效豐富的建模表現(xiàn)，在工程設(shè)計(jì)行業(yè)也必將有著更為廣闊的前景。

作者：易寧 吳波 孫金鳳 丁曉麗 單位：宿遷市水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司