分析三维可视化技术与水工结构工程

摘要:本文章对三维可视化主要内容及其在水工结构应用方面的关键技术进行了分析,并由此推出了水工结构工程三维可视化系统的基本框架,指出数字化、可视化、智能化的三维可视化技术将有很大的应用潜力和空间,可为水工结构工程的建设提供新的设计手段。

关键词:水工结构,三维可视化,基本框架

在当代的中国,水利类建筑物多数体积较大且功能复杂。目前由于经济快速发展和人民对物质的需求不断加大,人们对于水这种清洁、可再生资源的开发需求越来越大,各地的水利工程建设正在而且还将继续大规模展开。由于水利工程建筑物类型多,其内部各部分之间既相互联系又相互制约,关系错综复杂,常常牵涉到工程施工的各个方面,难以用简单的图表或数学模型来描述。当前我国水利水电工程勘察设计行业仍停留在传统设计模式和二维设计阶段,信息化和自动化水平不高。因此,如何采用科学有效的设计方法提高设计效率,怎样直观清晰地描述工程建设的动态过程,是提高工程设计和管理现代化水平的关键。

近年来由于计算机的计算速度迅速提高、网络功能日益增强,并可用硬件来实现许多重要的图形生成及图像处理算法,可视化仿真技术在结构工程领域得到了广泛应用和巨大发展。它是应用计算机对复杂的现实运作系统进行抽象和简化以形成系统模型,然后在分析的基础上运行此模型,从而得到系统一系列的统计性能。其实质是采用图形或图像方式对仿真计算过程的跟踪、驾驭和结果的后处理,同时实现仿真软件界面的可视化,具有迅速、高效、直观、形象的建模特点。这一新型的手段把复杂工程规划、设计及与施工过程等复杂的空间n维数据(几何位置、形状、时间、温度、应力、应变材料特性、外部影响)结合起来,计算机输入和计算过程拟人化、形象化,采用直观和客观的计算机图形显示技术实时、准确和形象地表达计算过程中的变化和最终成果,通过灵活的人机交互处理方式,可以驾驭整个分析处理过程,容易发现隐藏于数据中的科学规律,领会复杂数据间的空间关系,实现附加价值。因此,在水工结构中应用三维可视化技术,将有助于推动水利建设向数字化、可视化和智能化的方向发展。

1可视化仿真技术主要内容

可视化仿真技术通常包括以下两个方面的内容:

1)软件开发阶段的可视化,即可视化编程。在开发软件过程中,开发人员所进行的编辑、运行、管理等操作不再只是一些抽象的命令序列,它们都被简化成一系列小图标(操作按钮),每个图标上有与相关命令含义一致的图形,每个图标按下去就对应一段过程,而且给出每个过程必备的公用程序段。当前比较流行的可视化编程软件有:VisualBasic,Delphi,VisualC++,VisualFoxpro等。

2)计算机图形技术和方法,对大量的数据进行处理,并用图形、图像的形式形象而具体地显示出来。目前主要有3DMax,Photoshop等。

2水工结构工程三维可视化关键技术

2.1三维空间模型

2.1.1地表数字地形模型

地表数字地形模型(DigitalTerrainModel,DTM)不仅是整个模型建立过程中所有运算操作的受体,同时也是极其重要的组成部分。地形表面的模拟,采用较多的是不规则三角网模型(TriangulatedIrregularNetwork,TIN)和规则格网模型(GRID)。在建立整体地表三维DTM时,首先利用地形等高线原始数据在GIS环境中按一定的算法(如Delaunay三角剖分算法)生成TIN模型,注意要遵循TIN模型的3条生成原则,即TIN具有唯一性、力求使每个三角形尽可能接近等边形状、保证最邻近的点构成三角形。然后对于生成的初始TIN,应消除由于等高线数据过于密集或采集信息缺乏所造成的细小、狭长三角形,然后内插生成高精度的TIN模型[1]。

2.1.2􀀁实体模型

在大型水利工程中,三维实体包括主体工程建筑物、相关土建工程建筑物、附属工程建筑物等。三维实体模型属静态空间数据模型,包括空间位置、形状和空间拓扑关系等信息。研究中,应针对不同类型的建筑物,分别采用有针对性的建模技术,建立相应的三维可视化数字模型。

1)参数化实体建模方法,该方法的思想是根据一定的几何参数及几何关系建立一系列约束方程,然后由这些方程求解图素的形状、位置以及相互间的组合关系。参数化设计中,将表现设计对象所有图素的尺寸及位置与一定的约束条件相关联。当某一图素的尺寸和位置发生改变时,系统依据它与周围图素之间的约束条件,自动修改这些图素的尺寸和位置来更新整个图形。在水利枢纽建筑物中有一部分建筑物,如围堰、溢洪道等,适合使用参数化实体建模技术建立三维仿真数字模型[2]。

2)实体建模方法,是利用AutoCAD三维绘图工具,构建各部件的三维图形,然后将这些模型进行取交、取差及合并等处理,使孔洞等特殊部位的结构表现出来,通过这种方法建立与设计要求相符的地物实体模型。

2.1.3地表数字地形模型与实体模型的整合

地形模型与实体模型建立之后,并不能立即构成整个施工场地模型,需要对它们进行整合。由于地形模型较为复杂,改变地形模型进行整合的难度也相应较大,因此采用改变三维实体模型的办法来进行模型的整合。在与地形模型的匹配中,首先找到实体模型在地形模型上的某一投影点,使该点的高程与实体对应点的高程相同。此时有可能遇到实体模型的尺寸、位置较设计中的实际模型有所改变,可采用缩放、旋转等操作使其尽可能与设计模型达到一致[3]。

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