水利工程设计三维设计模式应用

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【摘要】本文从设计需求变化入手，引入BIM概念并对相关设计软件作了简要的介绍。以界面简洁，容易上手的SketchUp（草图大师）软件建立一个简单的涵闸为例，说明三维模型的建立和优化，最后再由三维模型生成平面图纸这一过程，从设计成果呈现方式上说明了二维设计到三维设计模式的巨大转变。

【关键词】BIM;SketchU;三维模型;涵闸

1BIM软件概况

以往水利工程设计师们一直用图纸来表达自己对工程设计理念、工程外观和结构，结合自己所学习掌握的专业知识和设计理念，设计出既能让建设方满意，又能充分利用现场地形特点、造价较优的设计方案。但随着我国经济的高速发展、建设方对时间的要求不断的提高，平面制图来表达设计师的设计思想和设计效果就有了明显的不足：一是不够直观，二是时间上不能够满足建设方的要求，三是由于时间紧造成各专业配合容易造成失误，造成后期施工过程中的变更或返工。故迫切需要一种新的工具来适应工程建设领域更高的要求，这就是BIM软件。BIM即建筑信息模型（BuildingInformationModeling）的英文简称，通过构建三维模型并在模型上明确各种材质、数量、颜色等各种信息来表达设计师的设计方案。它比简单的二维图纸更为直观、清晰、高效。BIM模型支持碰撞检查，在建模过程中就可以发现设计冲突和冲突点位置，有效避免工程施工过程中的变更和返工问题。创建BIM的软件多种多样，其中比较有代表性的有Autodesk公司的Revit系列、BentleyArchitecture系列、GehryTechnologies等，理论上可以凭借一个模型就可以完成工程建设的全过程，基本不需要图纸。但这些专业的软件上手都需要一定的时间，短时间不容易掌握。本文主要介绍Google旗下LastSoftware公司的SketchUp软件（又名草图大师），顾名思义，它可以简单、快速地建立起工程的三维模型来直观的表达设计师的设计理念和成果，从外观上来看可以基本做到“所见即所得”。虽然不能对工程结构进行精确描述，但可做到初步设计阶段。而且后期还可以利用Revit等软件继续对模型进行深化、添加信息，达到模型可以用于工程管理和施工的要求。

2设计方式的改变

SketchUp软件同样可以在构建完成三维模型的基础上生成二维的平立剖面图，比直接用CAD作二维图纸具有快速高效的优点，不会出现重复的工作量，且经过碰撞检查的三维图转成二维的图纸不会出现各专业打架的情况。工程设计一般分为方案的构思和细化阶段、成果呈现阶段。传统的设计方法由于设计师把时间和精力大量的花在成果呈现方面，特别是时间紧、任务重的项目。创作和构思时间不足可能会导致整体方案的不足和疏漏，在和建设方沟通后又会陷入频繁修改最初的构思——重新画图来呈现成果这个恶性循环中。同时二维图这种碎片化的表达方法会割裂设计师的思路，造成设计效率低下。利用SketchUp建模给工程设计带来了全新的变化和体验：设计师可以专注于方案的整体表达，在建模的时候一边构思一边不断修改模型，这种“所见即所得”的创作方式能够使设计师们在创建或修改模型时不会因为画图而打断原有思路，并且可以根据呈现的模型不断完善自己的方案细节。工程师可以根据现场情况任意创建立体模型，在创作的过程中随时全方位、多角度的观察自己的模型，不断修改和完善，在形成初步的成果时可以加以简单的渲染、漫游，辅以动画效果向建设方进行全方位的展示。根据建设方的意见再对模型进行优化，形成最终的成果。需要出二维图纸时可以通过SketchUp的导出功能很方便的创建平立剖等各个角度、各个部位的细节。从成果呈现过程可以看出，这种“所见即所得”的成果呈现方式有着巨大的优势：一是使设计师们能专注于设计方案的表达和完善，模型创建完成即是设计成果完成的时候，出图所占用的时间几乎可以忽略；二是这种设计方式不会打断设计师的设计思路，直观的模型反而会使设计师的思路更为清晰，可以及时发现原来构思阶段的不足而加以完善；三是与建设方沟通时由于是立体的模型，可以全方位、多角度的观察，建设方更容易理解设计师的设计意图与自己需求之间的差距，从而及时的沟通和完善，进而减少工程施工期变更和返工。

3SketchUp建模方法

3.1准备建模环境

首先对建模环境进行简单的设置，比如模型的字体、单位、精度、引线的形式、尺寸线设置等，方便建模以及二维图纸的导出。

3.2建立实体模型

这是三维和平面制图的最大区别，模型是基于对象的，通过建立简单的几何体，对模型的线和面进一步拉伸、修改、旋转、镜像等操作使之符合自己的设计构图。它不再像平面作图的方式考虑平立剖等画法生成一张一张的图纸，再由读图人在脑中想象出一个形状，而是各个小三维体的堆砌和组合，生成一个立体的“所见即所得”的模型。比如涵闸模型涵洞部分建模。首先在XY平面画出底板的轮廓，然后通过推拉工具向上拉伸形成柱体，拉伸高度即为底板的厚度。再在底板上面画出涵洞和水闸的边墩和隔墙，将其向上拉伸一个涵洞内孔的高度。复制底板底部平面至上面作为涵洞的顶面，修改顶面向外伸出的尺寸后向下推拉和墩墙、隔墙相交。最后删除推拉后形成的多余线条，完成涵洞部分的建模，如图1。再进行涵闸胸墙和闸墩部分的建模：在涵洞顶部划分出胸墙的底边线，把胸墙底部以及在涵洞部分建模时生成的水闸边墩、中墩运用推拉工具向上推拉至设计高度，同时清理模型中多余的线条，完成了水闸上部胸墙以及闸墩部分的建模。从上面简单的建模过程可以看出其建模过程为：平面图——推拉成为立体形状——线或面的旋转修正形状这个过程。平面图可以直接在SketchUp中利用其绘图工具完成，也可以利用现有的CAD图纸导入到SketchUp中生成平面。在建模的过程中充分利用创建组或者组件的功能，可以对模型进行更为有效的编辑和控制。

3.3模型优化处理

模型的优化处理主要是指将模型的关键部位或需要详细表现的重点构件进行细节上的处理，类似平面制图中的大样图或详图，与之不同的是模型优化处理的内容更为丰富但在操作上却相对简单。比如赋与模型材质、光照效果、整体修饰和渲染等操作均可以很轻松的完成。像本例中涵闸以及城市建筑等对于需要结合地形的模型，优化处理还包括与现场结合的整体合理性和总体风格的一致性问题。就涵闸的外观样式、建筑风格等进行进一步的沟通，根据建设方反馈的意见可以进一步的细化，甚至推倒重新来过也花费不了多少时间（约1小时左右），这将大大减化设计师的设计工作量，有效提高效率，和建设方的沟通也会更为顺畅，既缩短了工程的设计周期、又进一步提高了设计质量。

3.4模型的二维化

对于全阶段采用BIM管理的工程来说，基本不需要对模型进行二维化处理，因为所有的工程信息都已经反映在模型上，可在任一位置剖切观察详图。对于现阶段很多不具备BIM管理的工程来说，返回二维的图纸是一项必不可少的工作。以SketchUp为例，简单介绍在三维模型中建立一个剖切面并导出为二维图型的操作：首先利用剖切面工具，在合适的位置建立剖切面，如果位置不满意还可以点移动工具来移动调整剖切面，直到满意为止；最后通过文件菜单中的导出功能将图形导出为二维图形dwg或者dxf格式即可，打开效果如图2所示。如果在SketchUp中标注了尺寸，在导出到CAD中时也会一并导出。但通常要遵循制图规范，会对导出的图形进行必要的加工，但这部分工作量相对于传统作图来说是相当少的一部分，基本可以忽略。至于平面图和立面图的导出则更为方便，只要在相机中选择平行投影、顶视图、左视图或前视图，然后再导出为二维dwg图形就可以了。

4结语

随着Revit、BentleyArchitecture、GehryTechnologies、Lumion等软件的不断更新和成熟，三维设计必将成为未来工程设计的主流，目前一些较大的工程已经要求要BIM投标。SketchUp作为简洁方便、高效丰富的建模表现，在工程设计行业也必将有着更为广阔的前景。

作者：易宁 吴波 孙金凤 丁晓丽 单位：宿迁市水务勘测设计研究有限公司