刍议水工结构工程与三维可视化技术

刍议水工结构工程与三维可视化技术

覃学毅

许昌方圆勘测设计有限公司广西分公司 广西河池市 547000

摘 要：最近几年以来，在经济社会高速发展的现代化背景下，各种水利工程在经济社会领域发挥着越来越重要的作用。在水工建筑物施工中，由于环境的特殊性，整个施工作业相对复杂。随着科技的发展，传统的二维设计逐渐被三维可视化技术所取代。三维可视化技术具有仿真和可视化的特点，可以使整个水工结构工程的设计和施工保持良好的协调性，提高整个工程结构的可靠性。

关键词：水工结构；三维可视化；工程设计

前 言

最近几年以来，在经济社会高速发展的现代化背景下，当代我们国家的水利建筑大多体积大，功能复杂。目前，由于经济快速发展和人们对材料需求的不断增加，人们对水资源这一清洁可再生资源的发展需求不断增加，水利工程建设正在并将继续大规模开展。由于水利工程建筑类型繁多，内部各部分相互关联，相互制约。这一关系错综复杂，往往涉及到工程建设的各个方面，这很难用简单的图表或数学模型来描述。目前，我国水利水电工程勘察设计行业还处于信息化程度和自动化水平较低的传统设计模式和二维设计阶段。所以说，如何采用科学有效的设计方法来提高设计效率，最终能够达到直观、明快地描述工程建设的动态过程，这才是提高工程设计管理现代化水平的关键。

最近几年以来，随着信息化社会的飞速发展，对于计算机的计算速度也得到了快速提高，在这样的背景下，实现了计算机网络功能的增强，以及硬件的使用，实现了许多重要的图形生成和图像处理算法，所以说，视觉化模拟技术广泛应用于结构工程领域的发展。这是为了抽象复杂的实际操作系统，简化系统模型，基于分析执行模型，获得系统的一系列统计性能而使用计算机。该方法的实质是利用图形或图像跟踪和控制仿真计算过程和结果的后处理，同时实现仿真软件界面的可视化，具有建模快速、高效、直观、生动的特点。结合计算机输入和计算过程，结合计算机输入和计算过程，对n数据（位置、形状、几何、材料性质、时间、温度、应力、应变等）等复杂空间的复杂工程规划、设计和施工过程进行了新的手段，直观、客观的实时计算机图形技术，准确、生动地表现了计算过程中的变化和最终结果，通过灵活的人与计算机的相互处理模式，可以控制整个分析处理过程，容易发现隐藏在数据中的科学规律，了解复杂数据之间的空间关系，实现附加值。因此，三维可视化技术在水利工程中的应用，将有助于水利建设数字化、可视化和智能化的发展，为我们国家的水利工程未来发展前景提供一个良好的条件。

1三维可视化技术的概念与特点

1.1概念

三维可视化技术是在传统二维技术的基础上发展起来的。它是一种理论与技术交叉的新型技术。在建筑工程领域，三维可视化技术应用最为广泛。它可以整合三维信息空间，在这个空间中呈现建筑结构的直观特征和真实情况。三维可视化技术包括计算机技术、多媒体技术、传感技术、人机界面技术等，在这些技术的作用下，设计者和施工人员可以通过计算机形成一种人工的虚拟三维空间。三维可视化技术在水工结构工程中应用的建模过程如图1所示。

图1 三维可视化技术下的水工结构工程建模流程

1.2特点

1.2.1沉浸感

沉浸感又称在一定条件下的存在感，主要反映用户在三维虚拟环境中作为主体在环境中所享受的真实感受。一般来说，最理想的可视化环境是当用户处于特定的环境中时，能够沉浸其中，很难分辨真假环境，从而使用户在可视化的虚拟环境中所呈现的感觉与真实环境是一样的。

1.2.2交互性

交互性是三维可视化技术的一个显著特点，主要是指用户对视觉环境中物体的操作程度，用户从视觉环境中得到反馈的自然过程，如果用户对物体在虚拟环境中的操作水平较高，反馈的信息，更全面，意味着三维可视化环境具有更好的交互性。

2可视化仿真技术的主要内容

目前，三维可视化技术已成为水工结构工程中不可缺少的技术。该技术的关键是三维仿真，主要包括以下几个方面：

（1）软件开发阶段的可视化，这就是编程可视化。在软件开发过程中，开发人员在软件的编辑、操作和管理等方面对一些操作过程不再局限于抽象命令的执行顺序，而被简化为各种动作按钮，按钮在每个操作中都有相应的命令图形，只需点击每一个图标，就是相对应的进程，对每一个进程都给出了必要的公共程序段。目前应用最广泛的可视化编程软件是VisualC++和visualbasic。

（2）计算机图形技术与方法，这个过程可以通过对各种数据的采集和整理，最终将这些结果以图形、图像的形式显示出来。

3水工结构工程三维可视化关键技术

3.1三维空间模型

3.1.1地表数字地形模型

地表数字地形模型有一个极为明显的特点，其既是整个模型建立过程中所有操作的接受者，其也是其中极其重要的组成部分。地形表面模拟主要采用三角网和规则网格模型。在构建全地表三维dtm时，首先使用地形等高线的原始数据，通过gis环境下的特定算法（delaunay的三角分割算法等）来创建tin模型，注意遵循三代TIN模型的原则，即TIN具有唯一性，力求使每个三角形尽可能接近等边三角形的形状，保证相邻点的三角形。然后，对于初始生成的TIN，剔除由于等高线数据过于密集或采集信息不足而导致的小、窄、长三角形，然后通过插值生成高精度的TIN模型。

3.1.2实体模型

在大型水利工程中，三维实体包括主体工程建筑、相关土木工程建筑、附属工程建筑等。三维实体模型是包括空间位置、形状和空间相位三者之间密切关系的静态空间数据模型。在实际研究的过程中，为了制作与不同类型建筑物相对应的3d可视化数字模型，必须使用针对目标的建模技术。

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和几何关系建立一系列的约束方程，然后用这些方程求解图形元素之间的形状、位置和组合关系。在参数化设计中，表示设计对象的所有元素的大小和位置都与某些约束相关联。当某个像素的大小和位置发生变化时，系统会根据该像素与周围像素之间的约束条件，自动改变这些像素的大小和位置来更新整个图形。一些建筑物，如围堰、溢洪道等，适合采用参数化实体造型技术建立三维仿真数字模型。

2)实体建模方法,是利用AutoCAD三维绘图工具，对构件进行三维图形的构造，然后对这些模型进行交叉、取差和合并处理，使孔等特殊部位的结构表现出来，通过这种方法建立了符合设计要求的地物实体模型。

3.1.3地表数字地形模型与实体模型的整合

地形模型和实体模型建立后，不能立即构成整个施工现场模型，需要进行整合。由于地形模型比较复杂，很难改变地形模型进行集成，因此采用改变三维实体模型的方法进行模型集成。与地形模型匹配时，首先找到实体模型在地形模型上的投影点，该点的高程与实体对应点的高程相同。此时，实体模型的尺寸和位置可能会在设计中与实际模型相比发生变化，因此可以采取缩放和旋转等操作，使其与设计模型尽可能一致。

3.2人机交互技术

三维人机交互是视景仿真系统中不可缺少的一部分，许多图形特征只能通过交互来观察，主要的交互功能包括与数据的交互、与图形的交互和与视觉参数的交互。

3.2.1与数据的交互

与数据的交互包括数据集的分割、数据范围的设置、数据的计算和统计。

3.2.2与图形的交互

图形交互包括传统的图形交互，如用户可以对虚拟场景进行平移、旋转、无限缩放等操作，从任何角度观察虚拟环境的任何部分。此外，与图形的交互还包括场景的漫游。通过控制视点的漫游路线、观察角度、观察距离、观察角度和移动速度，用户可以在场景中自由漫游，从任意位置、不同角度进行观察。

3.2.3与可视化参数的交互

与视觉参数的交互包括选择和组合适当的显示参数。

结 语

综上所述，近年来，水工结构工程设计与施工过程中，三维可视化技术已成为关键技术，应用该技术克服了传统设计与施工技术的局限性，使设计、施工过程协调一致，仿真性和交互性更加突出，保证了水工结构工程的整体质量，在水利工程快速发展的过程中，三维可视化技术在水工建设中仍有广阔的发展空间。

参考文献

[1]胡紫航,潘福营.基于三维可视化技术的水电工程施工案例[J].电子技术,2021,50(05):116-117.

[2]张楠楠.水工结构挡土墙设计和应用[J].中国水运,2020(11):89-90.