孟若轶MENG Ruo-yi；姚人臣 YAO Ren-chen；徐力宁 XU Li-ning；曹静 CAO Jing
（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032）
（CCCC Shanghai Sanhang science Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200032，China）
摘要：本文介绍了三维技术在工程行业中的发展现状及可行性，并通过结合一些工程项目的成功应用案例指明了该技术在行业中的研究方向。文中也提到了在工程中进一步应用所需解决的一些问题，同时也对该项技术未来的发展前景和研究方向进行了阐述。
Abstract： This paper introduces development situation and feasibility of the three-dimensional technology in engineering industry， and points out the research direction of this technology in the industry through the successful application of some project cases. The paper also mentions the problems solved by the further application in the engineering and expounds the development prospects and research direction of this technology in the future.
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关键词 ：三维技术；工程；应用研究
Key words： three-dimensional technology；engineering；application research
中图分类号：TU12 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）19-0218-03
作者简介：孟若轶（1983-），男，上海人，工程师，本科，研究方向为三维技术与工程技术的结合应用；姚人臣（1986-），男，上海人，助理工程师，本科，研究方向为三维技术与工程技术的结合应用；徐力宁（1987-），女，上海人，助理工程师，本科，研究方向为三维技术与工程技术的结合应用；曹静（1988-），女，上海人，助理工程师，本科，研究方向为三维技术与工程技术的结合应用。
0 引言
随着计算机软硬件及其外围设备的不断发展，计算机图形学也取得了突飞猛进的进步，已步入了三维可视化的应用。用计算机来模拟现实中的各类物理特性，处理一些实际问题变得十分便捷，因而使其在社会各领域中都发挥了重要的作用。近年来，三维技术发展迅猛，在影视和广告领域，该项技术的应用效果显得尤为突出，强烈的真实感已让人分辨不出真假，成为了与人们日常生活密不可分的一种技术。同时，由于其模拟的真实度较高，在军事、工业制造、医疗、教育等领域也已不同程度地使用了该技术。在工程行业，该项技术的需求日益迫切，具有良好的应用前景。随着工程技术的不断发展，各种新工程技术的诞生使得一些原先较难实施的工程项目变得可行。然而，新技术的推广需要一定的适应过程，需要使设计方了解该项技术，认同该项技术才能够得以实施。因而在技术推广的过程中，用三维技术来展示新技术具有良好的效果，有助于深入了解新技术的优势。同时，对施工方来说，运用新的工程技术对传统的施工工艺也是一次改进的过程，三维技术的运用有助于使施工人员统一认识。如今，一些工程项目对安装的精度要求也越来越高，利用三维技术所特有的空间特性来进行施工模拟，各类物体的预拼装模拟，将提早发现现场施工中可能产生的问题，避免耽误工期，有效地降低了施工投入。对于设计类的项目来说，所见即所得的优势可以提前解决许多内部构件之间的干涉问题，提高准确性。目前，三维技术在工程行业中的应用还十分有限，相对来说，工程投标中运用的较多，但其它方面的运用基本上都是各自为战，没用统一的规划，因为使得投入的成本较高，资源的重复利用率较差。产生这种情况一方面是技术上的标准有待于进一步明确，另一方面则是认识上的原因，三维技术在工程中的应用范围还不够清楚。本文将从一些实际应用案例来介绍三维技术在工程中可以运用的主要方面。
1 三维技术在工程技术展示上的应用
将三维动画技术融入于工程技术展示中具有很强的视觉冲击力，施工过程虽然可以通过录像的方式记录下来，但由于受到拍摄角度和环境等因素的限制，还是有不少画面是无法通过录像记录下来的。三维动画的表现则不受这些因素的限制，动画能够将许多抽象的内容以某种具体的形式表现出来，尤其是用于解释一些技术原理的时候，更是发挥出了其独特的优势。近年来，随着动画渲染引擎的不断发展，动画的渲染质量也在不断的提高，画面也变得更具真实感。如今工程领域的各种新技术也随着社会的需求在不断的涌现，实现了许多以前无法完成的目标。然而新技术由于实际应用案例较少，人员的认同度不高，因而推广的过程比较困难。运用三维动画对该类技术进行展示，可使相关人员全面了解技术的原理及其先进性，扩大影响力，为新技术的推广运用做好铺垫。我们对水下挤密砂桩技术的推广就是运用三维动画和视频拍摄相结合的表现方式，运用动画技术将砂桩施工的整个工艺流程以及地基施工后的加固机理进行展示，明确了挤密砂桩的作用。我国是一个地域辽阔，地质条件和地质形态复杂多样，同时也是世界上海岸线最长的国家之一，东部沿海地区地层表面普遍赋存着大范围、深厚的海岸与近海沉积软土层。水下挤密砂桩作为水下软土地基加固的主要手段，其成功应用将成为大量交通运输基础设施的建设不断向外海、深水海域发展的关键要素。
在工程竞标阶段，三维动画用于技术投标方案展示也有着较好的效果。通常，我们会对一些重大项目或者施工技术创新的工程使用三维动画来进行方案的阐述，可视化的施工方案让原本煞费口舌还会一头雾水的施工过程很直观地展现在业主面前，使业主对方案的理解更加深刻，在众多的方案中脱颖而出。当项目中标后进入施工阶段，三维动画又起到了技术培训的作用，使施工人员有了统一的认识，增加了技术交底的质量。
2 三维技术在施工方案设计和验证中的应用
海上风电作为一种清洁能源具有良好的发展前景，国家能源局对外公布《全国海上风电开发建设方案（2014—2016）》，总容量1053万千瓦的44个海上风电项目列入开发建设方案，这标志着我国海上风电开发将进一步提速。与陆上风电场建设相比，海上风电场的施工难度更大，三维技术应用到该领域发挥了很大的作用，从第一个东海大桥海上风电场运输及安装项目起，在方案设计阶段就用其进行了大量的模拟。之后参与的国内各个海上风电场安装项目投标，方案的可行性均在制定阶段就通过三维软件进行了验证。
纵观国内和国外的各种风机安装工艺，海上风机安装方式主要分为两种：海上整体安装法和海上分体安装法。海上整体安装法用于深海区域，海上分体安装法一般用于浅海及潮间带地区。风机海上整体安装法就是将风机的所有组件以整机的形式安装到海上平台之上。因此它需要在风电场的附近有一块陆上拼装场地，并配有出运码头，风机的整体组装都在码头边完成。这时，在码头边配置的吊机位置就显得尤为重要。既要保证吊机的起吊重量和工作半径能满足所有风机组件的安装，又要保证在安装过程中，所有物件不发生碰撞。东海大桥100兆瓦风电场项目就是采用了海上整体安装法，方案设计阶段通过三维模拟及时发现了方案规划中陆上吊机吊臂与带风叶、轮毂的机仓可能发生的相碰。风机下塔筒为15米，中塔筒为33米，上塔筒为32米，风机机仓高4.5米，风机单叶片长43米，当安装带风叶、轮毂的机仓时，整个组件横向最大宽度为80米，竖向最大高度为69米，长度为15米，带风叶、轮毂的机仓吊装重心位置在机仓侧，从轮毂头部往机仓方向8米处，在进行该组件吊装时，吊机最低起吊高度需在85米以上，因而吊机的位置十分重要，既要保证在吊机的工作半径内，又要保证能起吊相应的重量，同时还要保证吊机臂不与机仓相碰，因而在选择吊机位置时，多次通过三维进行空间模拟，排除空间上的干扰，最终确定了吊机的摆放位置，为正式施工提供了理论依据，节省了实际施工时的投入。风机整体运输和安装时，为保证风机整体平衡，需安装平衡梁，通过三维模拟，降低了原先平衡梁支撑风机塔筒的高度位置，同样也达到了保持风机整体平衡的目的，从而也降低了在运输过程中平衡梁搁置在运输驳上的井字架高度，节省了材料。（图1）
海上分体安装法一般采用自升式平台或半潜驳坐底，以形成固定的平台。通过安置在固定平台上的起重设备驳上，逐一将各种风机组件吊装到风机基础上。响水2兆瓦风电样机安装项目就是采用的海上分体安装法，运输驳的选型，各个风机组件在运输驳上的摆放位置、摆放方向也很有讲究，这关系到运输驳进场后是否能够较为顺利的完成所有安装，节省施工时间。通过三维模拟后，适当调整了各个风机组件落驳时的位置及摆放方向，避免在风机分体安装时，各个组件相互间的干涉，优化了安装的效率。
3 三维技术在工程产品设计中的应用
钢桩作为码头的重要结构，其在海洋环境下的腐蚀情况十分严重，运用专用涂料进行涂层防腐是当前主要防腐技术方案之一。我院研制了钢管桩防腐修复水下机器人用以修复已建的码头钢桩，通过为码头下方暴露在空气和水中的钢桩重新喷上防腐涂层来实现延长码头寿命的目的。在该设备的具体设计阶段，三维技术也发挥出了不小的作用，为设备的整体布局提供了空间的依据。该设备包括作业井主体、内部行走机构、控制系统、液压系统及外围配套设备。在一个设计形长3800mm，形宽2830mm，总高5500mm的空间内要包含压载舱、泵舱、砂舱、螺旋桨、左右推进舱、活动瓣以及排水管道、气管、内部圆周和上下行走机构的空间是十分紧凑的，在设备进行防腐修复工作时，还要保证内部机构在进行圆周和上下运动时，不与各种管线发生干涉问题。
4 三维技术在工程行业的应用前景
随着三维技术发展的日趋多样化，工程行业的应用领域也将更加广泛。首先，用于工程技术的三维表现方式将变得多样化。首先，三维动画在一定的时间内仍将作为工程技术的主要展现方式，使不同需求的人都能从中了解到相关的信息。其次，基于虚拟交互的三维技术已逐渐运用到许多行业，也将逐步进入到工程行业中。与三维动画的不同之处在于可以和受众产生互动，同时其画面是实时渲染的，且画面质量近似于三维动画的效果，使得其在未来的应用具有良好的前景。如进一步和专业分析软件结合，并利用计算机显卡上GPU的强大运算能力进行各种动力学的计算，则可实现实时的仿真模拟功能。如与互联网相结合，通过网络收集传感器从施工现场发回的各类检测数据，通过交互式三维平台实时的将现场的变化以三维的画面显示，有助于加强施工过程的管控。另外，随着BIM技术在工程行业的推广，工程模型的三维模型精准度更高了。在进行各类施工方案的模拟时，可达到图纸级的精确性，对于那些精度要求高，拼装较多的工程，通过该技术进行预检查，有助于提前解决实际问题，避免返工而耽误了工期。如今，三维扫描已取得了较大的进步，未来，可结合三维扫描建立实际施工后的三维模型，通过与设计时的模型进行对比，有助于施工中的质量管控，并为投产后的运营管理维护留下了较为全面的数据。三维技术在工程行业中的应用前景是十分广阔的，因而如何最大效率地整合和利用三维技术来降低投入成本是企业所面临的问题，对于各种三维应用来说，三维模型是最基本的要素，因而在建立三维模型时，就需要考虑使用通用性较强、精准度较高的三维数字模型标准，以供不同专业的人员使用。同时，建立一些标准化的三维技术解决方案来应对工程中产生的实际问题，有助于其在工程行业中的推广应用。
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参考文献：
[1]计算机图形学在视觉特效领域的应用.
[2]浅析计算机图形学的应用及技术发展趋势.
[3]王纯祥，白世伟.三维地层信息系统在岩土工程中应用研究[J].岩土力学，2003（04）.