水利水电工程的三维建模与可视化模拟技术发展研究与现状分析

近年来，随着我国水利水电事业的快速发展，一批大型水利水电工程相继开工建设，如长江三峡、溪洛渡、锦屏、小湾、水布垭、瀑布沟等。传统的水利水电工程设计方法和手段已无法满足大型水利水电工程所提出的高效、直观的设计要求，用现代先进的计算机技术来改造传统的水利水电行业，实现水利水电工程建设的数字化、可视化、智能化转变，是工程设计者和决策者的共同愿望。

从20世纪80年代开始，计算机辅助设计（Comp uter-Aided Design，简称CAD）技术在水利水电工程设计领域得以成功应用，使传统的水电工程设计摆脱了图板，实现了二维CAD设计，但是并没改变设计成果不直观的状况。近年来，计算机三维图形技术的发展与应用，尤其是在水利水电工程上的应用，已逐步引发该领域设计与决策技术的革命，水利水电工程设计已经开始由二维CAD设计逐步向三维CAD设计转变。计算机三维建模与可视化模拟技术已开始应用于水利水电工程的设计、施工等各个阶段，如枢纽布置、施工总布置、导截流施工、地下洞室开挖等，成为水利工程设计与施工组织安排强有力的决策辅助手段。计算机三维建模技术和施工过程模拟技术为工程设计和施工管理提供了先进的技术手段和科学的理论方法。

国外CAD技术的研究较早，基本上是伴随计算机软硬件技术的发展而展开的，在理论研究、软件开发和实际应用方面已非常成熟，出现一大批CAD软件，广泛应用于机械、电子、医学、国防和工程等领域。在工程设计领域，常用的CAD软件有AutoCAD、Microstation等，这些软件都属于通用软件，并不是针对水利水电工程而开发的。水利水电工程的复杂性和多样性决定了其勘测设计任务的艰巨性，通用CAD软件不能完全胜任水利水电工程的设计任务。在国内，20世纪90年代以来出现了大量针对水利水电工程设计领域的CAD软件，如：土石坝CAD、拱坝CAD、重力坝CAD、厂房CAD、枢纽布置CAD、隧洞CAD、ZDM软件包等，这些软件大多由AutoCAD二次开发而来，能充分发挥AutoCAD已有的二维和三维图形功能，但依赖于AutoCAD图形环境。这些软件对于优化设计、提高设计质量、加快设计进度、减轻设计人员的劳动强度发挥了积极的作用，但整体上还属于二维CAD设计。为了满足水利水电行业对三维CAD设计的日益需求，近年来国内各勘测设计单位、高等院校、科研院所等逐渐投入到水利水电工程三维可视化设计方面的研究，如天津大学、武汉大学、北京大学、成都勘测设计研究院等，其中天津大学钟登华等对工程可视化辅助设计（VCAD）理论的构成体系和实现方法进行了研究。(www.xing528.com)

可视化模拟也叫可视化仿真（Visual Simulation），是计算机三维建模技术和三维图形技术相结合所形成的一种新型技术，虚拟现实技术是其最新发展方向。三维可视化模拟技术已在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、军事模拟等领域得到了广泛的应用，在水利水电工程领域主要用于对施工进度、施工过程和施工工艺的模拟，其三维可视化模拟的方式有两种。一种是“静态”模拟，如三维动画模拟，主要借助三维动画制作软件（如3DS Max、Maya等）来实现，优点是模拟效果逼真，对计算机硬件要求较低，缺点是无法实现三维交互。另一种是动态交互式模拟，如借助各种三维图形驱动（如OpenGL、Direct3D、VRML等）来实现，其依赖于计算机硬件的配置，模拟效果通常较差，但可以实现实时交互操作和可扩展的信息查询，例如，武汉大学申明亮等结合OpenGL三维图形驱动技术，开发了水利水电工程地下洞室群施工模拟系统，天津大学钟登华等提出了基于GIS技术的水利水电工程三维可视化模拟方法。

综上所述，从国内所开展的一系列研究和应用看来，水利水电工程三维设计和可视化模拟已得到国内专家、学者越来越多的重视，并取得了一定的成果，但目前还没形成一个完善的理论体系和软件成果，整体上仍处于探索阶段。本书针对水利水电工程三维建模和施工过程模拟，开展了相关理论方法、关键技术和工程应用研究，对水利水电工程三维可视化设计和可视化模拟方法进行了有益探索。