曹順，陳一飛，李芳，柳志丹，張志增

（1.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.玉溪市江通高速公路有限公司，云南 玉溪 653100）

0 前言

隨著我國(guó)城市地下空間工程的發(fā)展，非開挖技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，頂管法作為非開挖技術(shù)的一種，是進(jìn)行城市隧道管線開挖的一種重要方法。頂管隧道施工工藝復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的平面圖紙作為媒介很難對(duì)隧道的設(shè)計(jì)、施工進(jìn)行表達(dá)，施工動(dòng)畫技術(shù)的發(fā)展為這個(gè)問(wèn)題提供一個(gè)良好的解決方案。運(yùn)用3Dmax[1]動(dòng)畫技術(shù)將頂管施工工藝展現(xiàn)出來(lái)，以可視化的形式呈現(xiàn)施工方案，不但可以對(duì)施工工法進(jìn)行普及，而且簡(jiǎn)化了施工技術(shù)交底的難度，也提升了施工企業(yè)的形象。

1 施工動(dòng)畫制作前的準(zhǔn)備

1.1 相關(guān)軟件介紹

1.1.1 平面繪圖軟件AutoCAD

在施工動(dòng)畫的制作中，AutoCAD[2]主要用來(lái)處理平面施工圖紙，為三維制作提供底圖和參考。

1.1.2 平面圖像處理軟件Photoshop[3]

在施工動(dòng)畫中用來(lái)處理與工程相關(guān)的模型貼圖。

1.1.3 三維制作軟件3Dmax

用來(lái)完成施工動(dòng)畫建模、材質(zhì)、燈光、動(dòng)畫、渲染等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.1.4 影視特效軟件After Effects[4]

在施工動(dòng)畫的制作中主要被用來(lái)與3Dmax相銜接，進(jìn)行特效處理。

1.1.5 后期編輯軟件Vegas

Sony Vegas[5]是一款專業(yè)影像編輯軟件，主要用于對(duì)視頻文件和音頻文件的剪輯和整合。

1.2 硬件設(shè)施的配置

①操作系統(tǒng)可選用Windows7。

②主板使用S2466或者是TYAN的S2462。

③CPU使用AMD公司的Athlon系列CPU，也可以根據(jù)實(shí)際情況配置多個(gè)CPU以增加工作效率。

④顯卡建議采用3D Labs的wildcat系列，這款顯卡是專門針對(duì)三維軟件開發(fā)的。

⑤內(nèi)存前期制作至少選用2GB，后期制作最少選用4GB。

1.3 施工資料的分析

施工動(dòng)畫的目的就是為了對(duì)現(xiàn)實(shí)的施工工藝進(jìn)行仿真，所以其真實(shí)性和準(zhǔn)確性極為重要。為了達(dá)到仿真的目的，需要工作人員既要熟悉施工工藝流程又要掌握三維動(dòng)畫制作技術(shù)。

下面是做施工動(dòng)畫常用的重點(diǎn)施工資料：

①施工組織設(shè)計(jì)部分所涉及的工法工藝和施工流程，根據(jù)需要掌握相關(guān)報(bào)價(jià)、工期、工程概況；

②施工圖紙；

③現(xiàn)場(chǎng)圖片資料。

2 施工動(dòng)畫制作要領(lǐng)

2.1 建模

建模[6]是進(jìn)行三維動(dòng)畫的第一步，3Dmax提供了強(qiáng)大的建模工具例如標(biāo)準(zhǔn)基本體、擴(kuò)展基本體、復(fù)合對(duì)象、基本幾何圖形、可編輯樣條線、可編輯多邊形、面片建模、可編輯網(wǎng)格、NURBS建模以及基于多邊形的石墨建模工具和運(yùn)用動(dòng)力學(xué)的建模等，通過(guò)這些建模工具的綜合使用并配合3Dmax眾多的修改器就可以做出自然界中存在的大多數(shù)模型。

2.2 材質(zhì)貼圖

3Dmax提供了眾多的材質(zhì)類型，但是3Dmax的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)以其使用方便，占用內(nèi)存小，渲染速度快，并且能夠滿足使用要求等特點(diǎn)為廣大使用者所喜愛。標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)基本可以制作出自然界90%的材質(zhì)類型，只要抓住物體的物理屬性就可以制作出優(yōu)秀的材質(zhì)效果。

2.3 燈光

3Dmax中的燈光[7]包括標(biāo)準(zhǔn)燈光和光度學(xué)燈光，光度學(xué)燈光是真實(shí)的燈光，常用來(lái)表現(xiàn)室內(nèi)場(chǎng)景。一般來(lái)說(shuō)施工動(dòng)畫屬于室外場(chǎng)景，所以常用標(biāo)準(zhǔn)燈光進(jìn)行表現(xiàn)，常用的標(biāo)準(zhǔn)燈光有泛光、目標(biāo)聚光、目標(biāo)平行光。對(duì)于燈光的布置可分為太陽(yáng)光、天光和室內(nèi)光，太陽(yáng)光常用一盞目標(biāo)平行光進(jìn)行表現(xiàn)，天光常用一組目標(biāo)聚光組成燈光陣列進(jìn)行表現(xiàn)，對(duì)于室外場(chǎng)景的室內(nèi)燈光通常用泛光燈進(jìn)行表現(xiàn)。

2.4 動(dòng)畫

3Dmax有一個(gè)龐大的動(dòng)畫系統(tǒng)[8]，功能也相當(dāng)?shù)呢S富，在施工動(dòng)畫的制作中常用的有以下幾種。

2.4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)和Biped、CAT動(dòng)畫

運(yùn)動(dòng)學(xué)分為正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)，這類動(dòng)畫在施工動(dòng)畫中較為常見，主要用來(lái)制作機(jī)械動(dòng)畫如挖掘機(jī)、推土機(jī)、吊車的動(dòng)畫等。

Biped骨骼動(dòng)畫配合蒙皮修改器主要用來(lái)制作人物動(dòng)畫，在施工動(dòng)畫中較為常見的有施工現(xiàn)場(chǎng)施工員的動(dòng)畫和周圍人群的動(dòng)畫。CAT動(dòng)畫主要用來(lái)制作多足動(dòng)物動(dòng)畫，比如說(shuō)貓、狗等的動(dòng)畫。

2.4.2 動(dòng)力學(xué)動(dòng)畫

動(dòng)力學(xué)基于真實(shí)的物理引擎對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的物理行為進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，動(dòng)力學(xué)在施工動(dòng)畫中主要用來(lái)構(gòu)建物體的真實(shí)物理屬性和物理環(huán)境來(lái)對(duì)工程事故進(jìn)行描述，比如塌方、滑坡、隧道的巖爆等。

2.4.3 粒子動(dòng)畫

3Dmax提供了龐大的粒子系統(tǒng)，配合力和導(dǎo)向板的使用可以產(chǎn)生各種復(fù)雜的效果，在施工動(dòng)畫中主要用來(lái)描述水的流動(dòng)、混凝土的澆筑、焊接產(chǎn)生的火星、燃燒、雨雪天氣等。

2.4.4 參數(shù)動(dòng)畫

在3Dmax中任何一種參數(shù)變化都可以被記錄成動(dòng)畫，并且可以通過(guò)曲線編輯器進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)整，在施工動(dòng)畫中占有重要的位置。比如通過(guò)材質(zhì)參數(shù)的調(diào)整可以記錄物體的明暗變化，通過(guò)切片修改器參數(shù)的調(diào)整可以生成建筑的生長(zhǎng)動(dòng)畫，通過(guò)擠出修改器參數(shù)的調(diào)整可以生成混凝土澆筑動(dòng)畫等。

2.4.5 約束動(dòng)畫

約束動(dòng)畫屬于控制器動(dòng)畫的一類，包括位置約束、鏈接約束、注視約束、方向約束、路徑約束等，在施工動(dòng)畫中常用的約束動(dòng)畫是路徑約束、鏈接約束，經(jīng)常被用來(lái)制作汽車、飛鳥、游魚的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。

2.4.6 關(guān)聯(lián)參數(shù)

關(guān)聯(lián)參數(shù)將物體自身的屬性與其它物體的屬性相關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到控制與制約的目的。在施工動(dòng)畫中常用的是變換參數(shù)的互相關(guān)聯(lián)，比如說(shuō)閘門的開關(guān)動(dòng)畫。

2.4.7 其它動(dòng)畫

在施工動(dòng)畫中常用的動(dòng)畫還有燈光動(dòng)畫、材質(zhì)動(dòng)畫等一些其它類型的動(dòng)畫。

2.5 渲染

常用的渲染器[9]有3Dmax自帶的線性掃描渲染器和Vray渲染器，Vray渲染器以其簡(jiǎn)單易用和渲染質(zhì)量高為廣大制作者所青睞，但是其對(duì)電腦的配置要求相對(duì)較高，渲染用時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。線性掃描渲染器雖然有其自身的局限性但是其渲染速度一直以來(lái)為廣大用戶所稱贊，對(duì)電腦的配置要求也相對(duì)較低。針對(duì)施工動(dòng)畫這種重在表現(xiàn)施工流程的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，在基本渲染質(zhì)量能夠保證的前提下線性掃描渲染器不失為一種不錯(cuò)的選擇。

3 施工動(dòng)畫的制作流程

以“鄭州市軌道交通四號(hào)線貨站街站管線遷建工程”為依托全面展示施工動(dòng)畫的制作流程。

3.1 項(xiàng)目分析

接到一個(gè)項(xiàng)目后首先要進(jìn)行的是資料收集，而后進(jìn)行項(xiàng)目分析。通過(guò)與施工技術(shù)人員的交流和圖紙圖片資料的收集大致可以確定以下幾個(gè)方面的信息。

3.1.1 工程概況

擬建的“鄭州市軌道交通四號(hào)線貨站街站”位于鄭州市青年路和隴?？焖偻ǖ乐g，中州大道西側(cè)。擬建地鐵站位置有市政污水管線通過(guò)，為不影響地鐵車站的施工決定對(duì)原污水管線進(jìn)行遷建。管線遷建布置如圖1所示。

3.1.2 施工方案

圖1 工程概況圖

分鏡表

通過(guò)查閱資料了解到施工方?jīng)Q定采用頂管法進(jìn)行遷建工程的施工，工程量涉及到三個(gè)工作井施工、三個(gè)接收井施工、五段管段頂進(jìn)施工和原管道封堵施工。其中施工井決定采用沉井和懸掛式豎井兩種施工方法進(jìn)行施工，管段頂進(jìn)決定采用土壓平衡頂管機(jī)施工。

該工程屬于地下暗挖工程，施工難度大，施工過(guò)程復(fù)雜，需要進(jìn)行表現(xiàn)的細(xì)節(jié)多。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的分析決定按照施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工動(dòng)畫的分鏡制作，根據(jù)對(duì)關(guān)鍵施工方法的確定制作了如下鏡頭分鏡表：

3.2 文件管理

施工動(dòng)畫制作過(guò)程中所生成的各類文件眾多，如果不能有一個(gè)良好的文件管理辦法就會(huì)導(dǎo)致制作過(guò)程的混亂，也不利于后期的修改。在制作前需要對(duì)不同的文件進(jìn)行統(tǒng)一的分類管理對(duì)號(hào)入座。

就施工動(dòng)畫的制作而言一般會(huì)產(chǎn)生的文件有3Dmax源文件、maps文件、3Dmax序列幀文件、AE源文件、AE序列幀文件、Vegas源文件、合成輸出文件、音樂文件等，在制作前可以對(duì)這些文件進(jìn)行統(tǒng)一的分類。文件分類如圖2所示。

圖2 文件管理圖

在進(jìn)行文件管理的同時(shí)也要對(duì)文件的單位、尺寸、坐標(biāo)進(jìn)行規(guī)定，比如說(shuō)本項(xiàng)目的3Dmax文件單位統(tǒng)一使用“米”，坐標(biāo)采用世界坐標(biāo)統(tǒng)一歸零，幀率采用25幀/s、圖像格式統(tǒng)一采用png、圖像尺寸統(tǒng)一采用720像素×400像素。

這種文件管理方式通過(guò)幾次使用均取得了不錯(cuò)的效果，一個(gè)良好的文件管理方法將使制作過(guò)程變得簡(jiǎn)潔、流暢、高效，起到事半功倍的效果。

3.3 分鏡制作

3.3.1 片頭

片頭奠定了整個(gè)工程動(dòng)畫的基調(diào)，一個(gè)好的片頭能夠給觀看者帶來(lái)強(qiáng)大的視覺沖擊和強(qiáng)烈的心靈震撼。一般來(lái)說(shuō)作為工程動(dòng)畫的片頭應(yīng)力求沉穩(wěn)大氣，與工程形象相吻合。本片片頭采用3Dmax結(jié)合AE進(jìn)行制作，如圖3所示以衛(wèi)星環(huán)繞地球引出本片題目進(jìn)入主題的闡述，簡(jiǎn)潔干練符合本工程的工程形象。

3.3.2 項(xiàng)目介紹

圖3 片頭

項(xiàng)目介紹力求簡(jiǎn)潔明了，本片采用AE對(duì)項(xiàng)目的地理位置、基本施工流程在平面地圖上進(jìn)行了展示，讓觀看者對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的輪廓有了清晰的認(rèn)識(shí)，為下節(jié)具體工藝流程的展開奠定了基礎(chǔ)，最終的效果如圖4所示。

圖4 項(xiàng)目介紹

3.3.3 沉井施工

首先對(duì)沉井的施工工藝[10]進(jìn)行分解，沉井的施工工藝流程如圖5所示。

圖5 沉井施工工藝流程圖

沉井施工所用到的模型主要為鋼筋網(wǎng)、墊木、混凝土井壁、挖掘機(jī)、推土機(jī)、塔吊、混凝土車等。其中鋼筋網(wǎng)、墊木、混凝土井壁通過(guò)多邊形建模技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建并為其賦予標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，挖掘機(jī)、推土機(jī)、塔吊、混凝土車可以從相關(guān)網(wǎng)站下載或者自己構(gòu)建簡(jiǎn)模，一般來(lái)說(shuō)常用的機(jī)械模型可以事先構(gòu)建模型庫(kù)以備需要隨時(shí)調(diào)用。沉井的施工過(guò)程所涉及到的動(dòng)畫知識(shí)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，混凝土的澆筑可以通過(guò)3Dmax粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，井壁的下沉和接高可以通過(guò)位移動(dòng)畫和切片修改器實(shí)現(xiàn)，最終效果如圖6所示。

3.3.4 懸掛豎井施工

懸掛豎井施工[11]所用施工機(jī)具模型與沉井施工所用施工機(jī)具模型有眾多雷同，動(dòng)畫種類與沉井施工也差不多，只需注意按施工流程制作即可，懸掛豎井的施工流程如圖7所示。

最終效果如圖8所示。

圖6 沉井施工

圖7 懸掛豎井施工工藝流程圖

3.3.5 頂管施工

頂管施工[12]是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行著力表現(xiàn)。頂管施工的工藝流程如圖9所示。

圖9 頂管施工工藝流程圖

在制作時(shí)大部分場(chǎng)景可利用沉井施工的場(chǎng)景，不需要重新進(jìn)行構(gòu)建，而只需要構(gòu)建頂管機(jī)械設(shè)備即可。頂管機(jī)械設(shè)備在進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)可采用標(biāo)準(zhǔn)基本體加多邊形建模的綜合建模技術(shù)進(jìn)行建模并為其賦予標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)和相關(guān)貼圖。其涉及到的動(dòng)畫部分主要是管節(jié)吊裝、管節(jié)頂進(jìn)、刀盤切土。管節(jié)吊裝中吊車梁的移動(dòng)可采用位移動(dòng)畫，管節(jié)吊運(yùn)可采用鏈接約束，管節(jié)頂進(jìn)可采用運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)畫和位移動(dòng)畫，刀盤切土可采用旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫和粒子系統(tǒng)進(jìn)行制作。

最終效果如圖10所示。

3.3.6 截污封堵

在新舊管道的連接需要進(jìn)行截污封堵施工，先將新舊管道打通，然后關(guān)閉舊管道閘門，使舊管道的水不再流經(jīng)廢棄管道，最后在廢棄管道兩段進(jìn)行封堵以完成施工。

圖10 頂管施工

圖11 截污

截污封堵細(xì)節(jié)豐富，僅通過(guò)三維不利于表現(xiàn)，故采用二維加三維的方式進(jìn)行處理。如圖11所示先在AE中用平面圖的形式對(duì)工程截污的總體流程進(jìn)行描述，再采用三維對(duì)封堵的細(xì)節(jié)進(jìn)行表達(dá)，如圖12所示。采用三維對(duì)封堵的細(xì)節(jié)進(jìn)行表達(dá)時(shí)通過(guò)放樣技術(shù)構(gòu)建管道、水體，所用到的動(dòng)畫主要為材質(zhì)動(dòng)畫、Bpied骨骼動(dòng)畫、切片動(dòng)畫，其中材質(zhì)動(dòng)畫用于描述水體的流動(dòng)、Bpied骨骼動(dòng)畫用于描述潛水員的運(yùn)動(dòng)、切片動(dòng)畫用于描述墻體的砌筑過(guò)程。

圖12 封堵

3.3.7 項(xiàng)目完工

項(xiàng)目完工時(shí)再次總攬全局，展示項(xiàng)目完工時(shí)的工程情形。與項(xiàng)目介紹階段的工程概況形成對(duì)比，展現(xiàn)出工程施工的最終成果。該部分的制作用AE以平面圖的形式開展，如圖13所示。

3.4 后期特效處理

一部?jī)?yōu)秀的施工動(dòng)畫離不開后期處理，在此階段將前面產(chǎn)生的各3Dmax序列幀文件逐一導(dǎo)入到AE中進(jìn)行后期校色并添加相應(yīng)的特效，后期處理工作完成后輸出AE序列幀到AE序列幀文件夾中并以其工序名稱命名，同時(shí)保存相應(yīng)的AE源文件到AE文件夾中并以其工序名稱命名。

3.5 剪輯輸出

圖13 項(xiàng)目完工

剪輯輸出是施工動(dòng)畫制作的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，需要在Vegas軟件中進(jìn)行。制作時(shí)將AE序列幀文件夾中的各序列幀文件統(tǒng)一導(dǎo)入到Vegas中進(jìn)行排序剪輯并為其添加轉(zhuǎn)場(chǎng)配制字幕和解說(shuō)詞，其中解說(shuō)詞的錄制速度控制在3字/s[13]。最后渲染出最終成品，輸出格式可以選擇通用的MP4、MPEG等常用格式，尺寸可根據(jù)需要選用720像素×400像素、1024像素×576像素、1280像素×720像素等。

4 結(jié)語(yǔ)

利用施工動(dòng)畫技術(shù)研發(fā)了頂管法施工全過(guò)程的仿真模擬，展現(xiàn)了該工法的重點(diǎn)和難點(diǎn)。并結(jié)合研發(fā)過(guò)程探討了施工動(dòng)畫的制作流程和技術(shù)要領(lǐng)。

相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，施工動(dòng)畫技術(shù)不僅會(huì)在大項(xiàng)目中普遍應(yīng)用，在中小型項(xiàng)目中也會(huì)推廣開來(lái)，為推動(dòng)土木工程領(lǐng)域的信息化發(fā)展注入新的活力，成功的為建設(shè)項(xiàng)目增值服務(wù)。