水利工程設計三維動畫技術應用
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《水利水電工程水力機械設計技術研究》一書針對水利水電工程中水力機械設計進行研究，論述了引水徑流式水電站混流式機組、河床式水電站燈泡貫流機組、引水式電站沖擊式機組水力機械主機選型和水力機械輔機系統(tǒng)設計;對中高揚程水泵站和低揚程水泵站主泵選型與輔機系統(tǒng)設計的經(jīng)驗及技術進行了研究;針對多泥沙水電站水力機械磨蝕情況，提出了抗磨蝕的解決辦法及技術建議，還對水利工程設計中計算模型的建立與方法進行了研究。全書分為五個章節(jié)，分別為水電站主機選型及水力機械系統(tǒng)設計、水泵站主泵選型及水力機械系統(tǒng)設計、水電站水輪機抗磨蝕、水電站技術改造以及水電站、泵站過渡過程技術研究?！端姽こ趟C械設計技術研究》一書提出，水利工程設計是一項極其復雜的工作，其中涉及海量數(shù)據(jù)信息，因此水利工程設計需要較高的規(guī)劃設計水平和先進的技術手段。在水利工程設計中，單純依靠人力對數(shù)據(jù)、信息進行測量、采集、計算，則必然無法在工期內(nèi)完成。
因此，基于提高水利工程設計所需數(shù)據(jù)信息的采集速度與質(zhì)量，保證水利工程設計能夠符合檢驗標準，在水利工程設計中運用計算機技術勢在必行。為了獲得更加可靠的數(shù)據(jù)，且利用數(shù)據(jù)分析得出更加準確的結(jié)果，可以運用三維動畫技術來開展設計。三維動畫技術在水利工程設計中的運用，不僅能夠使得水利工程設計符合標準，還能夠有效提升設計效率與質(zhì)量?！端姽こ趟C械設計技術研究》一書提出，在工程建設行業(yè)中三維動畫設計是其發(fā)展的必然趨勢，只有直觀生動的三維動畫設計才能夠讓缺乏工程技術知識、不熟悉平面布置結(jié)構的人通過三維動畫模型來交流設計理念，溝通設計思路，打造更理想的設計方案?；谌S動畫設計的工程設計能準確表達工程設計人員的設計意圖與目的，且符合人們的思維習慣，讓設計人員可以全神貫注于設計本身，而不是二維圖紙的繪制。三維動畫技術能夠生成用于開展有限元分析的數(shù)據(jù)，從而進行幾何形狀設計優(yōu)化，進而實現(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件的集合。三維動畫設計可以利用設計成果的三維模型投影自動生成二維設計圖，若對三維模型進行修改，則二維工程圖可自動更新。且三維動畫設計可以利用著色與渲染功能來獲得水利工程的三維效果圖，不需要額外制作模型就可以使人全面、準確地了解水利工程外觀，有助于設計方案的調(diào)整與決策，從而加快水利工程設計審批速度，推動水利工程建設順利開展。三維動畫設計還能夠根據(jù)設計需求快速得出水利工程的體積、質(zhì)量、重心等參數(shù)，對水利工程成本進行預算，實現(xiàn)設計、預算一體化，全面推動水利工程設計改革。三維動畫之所以能夠在建筑工程設計中普及應用，是因其擁有傳統(tǒng)二維平面設計難以比擬的優(yōu)越性。三維動畫技術應用在水利工程設計中的主要價值在于能夠充分參與到水利工程設計的各個環(huán)節(jié)中去，便于開展密切的溝通交流與協(xié)調(diào)，避免因展示不全面、溝通不暢而導致的設計問題，且能提高水利工程設計的質(zhì)量與效率。傳統(tǒng)二維設計形式在水利工程設計中無法實現(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件一體化輸出，無法保證設計周期，且在設計過程中難以進行全面徹底的檢查，如需要變更設計，難度較大。
基于二維設計下的水利工程設計流程是線性的，如其中任意部分改動都會導致其他部分的變動，因此只有等所有部門都完成設計改動后才能完成最后的設計工作。二維平面設計呈現(xiàn)出明顯的平面性與間接性，主要是通過平面視圖與投影等方式來展現(xiàn)水利工程的外形與內(nèi)部建筑結(jié)構，無法得到水利工程的三維軸測圖紙、開挖圖紙等。而三維動畫應用在水利工程設計中優(yōu)勢較為明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:一是三維動畫設計在宏觀上簡化了水利工程設計與建設過程中的繪圖與讀圖過程，能夠有效節(jié)約生產(chǎn)成本，且能夠?qū)崿F(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件的一體化輸出。二是三維動畫設計過程中能夠在短時間內(nèi)掌握設計意圖，較為便捷，可以提高水利工程設計效率，且三維動畫設計軟件可以進行全面的檢查，降低設計出錯的概率。后期修改也較為便捷，能夠有效提升設計質(zhì)量。相比二維設計來說，三維動畫設計流程為交互并行狀態(tài)，如某部分出現(xiàn)改動，則最終設計成果會自動更改，且設計數(shù)據(jù)與成果均為多部門共享，能夠有效提升三維設計效率。三是三維動畫設計成果是立體的，人們可以通過三維動畫立體造型來直觀感受水利工程建筑的外觀與內(nèi)部結(jié)構，所見即所得。三維動畫設計下的圖紙可視性較強，可以直接通過三維模型獲得二維圖紙。整體來看，三維動畫設計在水利工程設計中對結(jié)構與外觀的描述更加真實準確，能夠展現(xiàn)出強大的設計優(yōu)勢。三維動畫設計能夠?qū)崿F(xiàn)可視化設計，可以顯著減少設計校對時間與工作量。三維動畫設計克服了二維平面設計中的各種缺陷，是計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術進步背景下水利工程設計的必然發(fā)展趨勢。水利工程設計在選擇設計軟件的過程中需要從自身實際需求入手，選擇與自身實力相匹配，能夠高質(zhì)量、高效率完成設計的軟件，主要需要考慮以下幾個方面:一是水利工程的性質(zhì)、規(guī)模;二是水利工程的系統(tǒng)性與集成性，要考慮水利工程數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構特點等;三是工程化、實用化;四是開放性，用戶操作界面友好，擁有齊全的外部接口并支持工業(yè)標準。對于大多數(shù)水利工程來說，所需的三維動畫設計軟件需要綜合CAD、CAE、CAM為一體。
在眾多軟件中，CATIA較為適用于水利工程設計，其具有良好的開放性與兼容性。現(xiàn)以CATIA軟件為例分析三維動畫在水利工程設計中的運用。CATIA是法國達索公司設計產(chǎn)品，擁有先進的混合建模技術，其中所有模塊都具有相關性，所營造的并行工程設計環(huán)節(jié)能夠有效縮短設計周期，且能夠覆蓋水利工程設計的整個過程。第一，CATIA的主要模塊。CATIA的應用功能十分強大，可以分為曲面設計、內(nèi)部結(jié)構設計、施工工程與知識工程四大部分。一是曲面設計模塊。曲面設計模塊在水利工程設計中應用，主要可以實現(xiàn)以下幾個功能:對水利工程設計中涉及的各類地形、地質(zhì)問題進行合理解決或處理，如水利工程設計中較為復雜的曲面、曲面變形、逆向工程等處理;在應用過程中還可以對三維建模過程中的地質(zhì)數(shù)據(jù)進行導入處理，以形成地質(zhì)建模數(shù)據(jù);利用水利工程地質(zhì)建模的相關數(shù)據(jù)進行計算分析，以保證水利工程設計中地質(zhì)、水工等方面信息數(shù)據(jù)得以平衡，具有較高的應用價值。二是內(nèi)部結(jié)構設計模塊。內(nèi)部結(jié)構設計模塊在水利工程設計中主要針對水利工程部件選擇與運用的合理設計，可以實現(xiàn)難度較大的曲面設計工作。另外，還能夠完成數(shù)據(jù)的模板化設計，為水利工程的建模打造直觀形象的環(huán)節(jié)。對于水利工程設計的過程與方法能夠進行捕捉與重建，從而提高水利工程設計效率與質(zhì)量。三是施工工程模塊。施工工程模塊在水利工程設計中主要用于解決水利工程整體布置問題，可以完成曲面、地質(zhì)設計等運算，能夠?qū)λこ淘O計進行全面計劃，并對各個結(jié)構之間的關系進行平衡。四是知識工程模塊。
知識工程模塊在水利工程設計中主要用于對模板化的問題進行處理，在CATIA中加入設計規(guī)則，為后續(xù)水利工程設計奠定基礎，使得水利工程設計更加科學合理。第二，CATIA在水利工程設計中的應用。一是零部件設計。水利工程的零部件設計就是對水利工程內(nèi)部的各模塊進行實體化的造型設計。首先，需要對水利工程中的模塊進行初步繪制，即在掌握水利工程設計要求的基礎上對內(nèi)部各個模板進行二維圖繪制;其次，運用CATIA中預設的零件設計模塊來對模塊進行造型設計，且根據(jù)零件外形之間存在的拓撲關系明確其相應特點，進行模型制作;最后，根據(jù)水利工程設計要求對模塊的輔助特點進行加工處理，從而完成零部件的設計工作。二是裝配設計。裝配設計流程首先是利用CATIA中的對稱工具來對零部件進行復制，以加快模型導入速度;其次，在明確各零部件裝配關系的基礎上對零部件進行細節(jié)處理，如對零部件的角度、間距等進行細節(jié)處理，這一過程需要對零部件的位置與細節(jié)進行細致的校對、檢查，以保證零部件的適用性;最后，對零部件組裝過程中存在的缺陷進行校驗，保證零部件在裝配過程中不會出現(xiàn)矛盾與沖突，如在校驗過程中發(fā)現(xiàn)問題，則需要及時進行調(diào)整與處理。三是數(shù)據(jù)管理。CATIA中的VPM模塊可以對水利工程設計中的相關數(shù)據(jù)進行管理，其主要作用在于將水利工程數(shù)據(jù)源存儲至數(shù)據(jù)庫與電子倉庫的服務器中，并根據(jù)數(shù)據(jù)的屬性、類別與命名進行統(tǒng)一歸類管理，對水利工程設計的模型版本進行更新、規(guī)劃等。VPM模塊能夠為不同用戶設置訪問權限與角色，針對不同數(shù)據(jù)設置相應的訪問權限，以保護數(shù)據(jù)安全。整體來看，VPM模塊猶如數(shù)據(jù)庫，對水利工程設計中的數(shù)據(jù)進行管理。最初VPM是獨立運行的，但伴隨著CATIA的廣泛應用，VPM模塊便與CATIA相結(jié)合，一同開展水利工程設計。VPM模塊可以快速查詢CATIA中的各項數(shù)據(jù)，還能夠?qū)λこ痰慕Y(jié)構與零部件設計進行分析。
不論是結(jié)構簡單亦或是復雜的數(shù)據(jù)項目，均可以運用VPM模塊進行分析，掌握CATIA中存儲的關于水利工程設計的數(shù)據(jù)聯(lián)系。綜上所述，水利工程設計作為三維立體空間結(jié)構設計，雖然在初期設計中采用的是平面投影圖、剖面圖等工程圖紙，但設計人員腦海中所構思的是三維結(jié)構。在水利工程設計中運用三維動畫設計，直接生成三維結(jié)構模型，能夠更加全面、直接地展現(xiàn)水利工程結(jié)構的空間狀態(tài)，展示水利工程建筑結(jié)構中的空間關系，對水利工程施工量進行更加準確、更加全面的計算，且可以按照相應的規(guī)則來明確結(jié)構面的形狀，減少不必要的參數(shù)錄入，使得水利工程設計更加高效、更加便捷。
作者：黃鋅 彭嫣 單位：湖南大眾傳媒職業(yè)技術學院
