安秀欣
(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司,湖南 長沙410100)
模塊化設(shè)計(jì)(Modular Design)是為了取得最佳效益,從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā),研究產(chǎn)品(或系統(tǒng))的構(gòu)成形式,用分解和組合的方法建立模塊體系,并運(yùn)用模塊組合為成品(或系統(tǒng))的全過程[1]。模塊的大批量特性可以降低成本,提高效率,模塊的快速組合特性可以形成多樣性的產(chǎn)品[2]。
盾構(gòu)機(jī)是集開挖、出渣、支護(hù)、導(dǎo)向等工序?yàn)橐惑w的大型隧道施工成套裝備。盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫,是通過運(yùn)用三維動(dòng)畫仿真技術(shù)構(gòu)建盾構(gòu)機(jī)虛擬施工場景,模擬其工作原理及各項(xiàng)功能特性,主要用于產(chǎn)品推廣、技術(shù)交流、項(xiàng)目投標(biāo)、重大項(xiàng)目驗(yàn)收及重大獎(jiǎng)項(xiàng)申報(bào)等用途,已成為盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品推廣及營銷的重要手段。
盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫在設(shè)計(jì)制作過程中也存在很多弊端:
(1)盾構(gòu)機(jī)為定制化、非標(biāo)產(chǎn)品,其工業(yè)動(dòng)畫內(nèi)容針對性強(qiáng)、適用范圍小。
(2)盾構(gòu)機(jī)因系統(tǒng)龐大、施工過程復(fù)雜,使得其工業(yè)動(dòng)畫模擬難度大、制作周期長。
(3)為滿足不同機(jī)型、不同用途的盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫需求,需投入大量的人工成本與時(shí)間成本。為解決這些問題,在盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫設(shè)計(jì)制作過程中引入模塊化設(shè)計(jì)方法,通過對各工業(yè)動(dòng)畫進(jìn)行相似性分析,綜合考慮其作業(yè)模式與制作流程,從而得到適用于盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的模塊化設(shè)計(jì)方法。
由于盾構(gòu)機(jī)是地下隧道施工裝備,因其作業(yè)環(huán)境惡劣,空間狹小,難以實(shí)地觀測和拍攝其施工狀態(tài)。為了更直觀、更全面地介紹設(shè)備特性,一般情況下,施工原理是盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的必展內(nèi)容。
以土壓平衡盾構(gòu)機(jī)(見圖1)為例,其施工原理為:盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí),刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體,渣土通過刀盤開口進(jìn)入開挖倉,螺旋輸送機(jī)將開挖倉內(nèi)渣土輸送至后配套皮帶機(jī)上,渣土經(jīng)皮帶機(jī)傳送至后配套系統(tǒng)尾部并被卸放到下方的渣車內(nèi),由渣車運(yùn)出洞外。推進(jìn)油缸頂推管片使盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn),當(dāng)推進(jìn)距離為一環(huán)管片寬度時(shí),停止掘進(jìn),進(jìn)行管片拼裝,拼裝機(jī)依次進(jìn)行管片塊的抓取和拼裝,當(dāng)封頂塊拼裝完畢后,即完成整環(huán)管片的拼裝。之后盾構(gòu)機(jī)再次進(jìn)入推進(jìn)模式,推進(jìn)油缸全部撐緊在管片環(huán)上繼續(xù)向前推進(jìn)。在推進(jìn)的同時(shí),注漿系統(tǒng)通過盾尾的注漿管對管片與開挖直徑之間的空隙進(jìn)行同步注漿來使周圍土體獲得及時(shí)的支撐。二次注漿一般滯后于盾尾幾環(huán)管片,通過管片的吊裝孔注入到管片壁后。
盾構(gòu)機(jī)的施工原理展示可以簡要概括為開挖、出渣、支護(hù)三大主要施工環(huán)節(jié),不同機(jī)型的功能實(shí)現(xiàn)方式或者功能結(jié)構(gòu)會有所不同,通過歸納分析不同機(jī)型盾構(gòu)機(jī)施工原理的相似性和通用性,梳理出具備常用化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)畫內(nèi)容,作為模塊化設(shè)計(jì)的范圍。
圖1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)
盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的制作內(nèi)容主要有模型、材質(zhì)、渲染、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、特效、施工場景,以及后期剪輯合成七個(gè)方面?;诙軜?gòu)機(jī)的施工原理,模塊布局規(guī)劃是按照動(dòng)畫制作的內(nèi)容逐項(xiàng)展開分類梳理。其中,運(yùn)動(dòng)關(guān)系是依托產(chǎn)品模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的,難以從模型中剝離出來,所以,運(yùn)動(dòng)關(guān)系這一部分內(nèi)容不納入梳理范圍,但在通用模型中須建立完善的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。最終得出模塊布局框架圖(見圖2),包含模型預(yù)設(shè)、材質(zhì)預(yù)設(shè)、渲染預(yù)設(shè)、特效預(yù)設(shè)、場景預(yù)設(shè)和后期預(yù)設(shè)六項(xiàng)模塊內(nèi)容。
圖2 模塊布局框架圖
模型預(yù)設(shè)模塊,一般分為兩個(gè)部分,一是盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品的通用模型預(yù)設(shè)模塊,這部分的預(yù)設(shè)模塊參照盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)品模塊化的結(jié)構(gòu)單元模塊進(jìn)行劃分,主要包括盾構(gòu)機(jī)的一些非關(guān)鍵展示的通用部件模型;二是動(dòng)畫場景中其他輔助展現(xiàn)的通用模型預(yù)設(shè)模塊,其中包括人物骨骼模型、作業(yè)工具模型(扳手、螺絲刀等)、輔助工程機(jī)械(吊車、挖掘機(jī)等)、施工環(huán)境模型(植物、城市建筑、交通工具等)。
材質(zhì)預(yù)設(shè)模塊,是為盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫預(yù)制的不同特性的材料及表面紋理的材質(zhì)集合。材質(zhì)預(yù)設(shè)模塊基本上可劃分為金屬類材質(zhì)(不銹鋼、銹蝕金屬等)、油漆類材質(zhì)(各類顏色油漆)、地質(zhì)類材質(zhì)(軟巖、硬巖等1-8級地質(zhì))、其他材質(zhì)(油液、橡膠、玻璃、皮革等),以及特殊表現(xiàn)材質(zhì)(發(fā)光材質(zhì)、線框材質(zhì)等),其中油漆類材質(zhì)須符合企業(yè)產(chǎn)品的涂裝色彩相關(guān)規(guī)范,滿足盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的使用需求。
渲染預(yù)設(shè)模塊,是不同畫面渲染精度的參數(shù)預(yù)設(shè)集合,主要分為超清、高清、標(biāo)清三種渲染預(yù)設(shè),用以輸出不同分辨率要求的視頻。
特效預(yù)設(shè)模塊,依據(jù)盾構(gòu)機(jī)的施工原理劃分特效預(yù)設(shè)模塊,盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫常用的粒子特效主要是兩個(gè)方面的內(nèi)容,一是開挖渣土類特效,主要有三類:(1)刀盤開挖掌子面的渣土特效,包括落渣特效和渣土改良特效;(2)開挖倉內(nèi)的渣土特效,包括落渣特效、渣土堆積特效、鏟斗刮渣特效、渣土改良特效和破碎機(jī)碎渣特效;(3)渣土運(yùn)輸特效,包括螺旋機(jī)運(yùn)輸特效、管路運(yùn)輸特效、皮帶機(jī)運(yùn)輸特效共三種。二是穩(wěn)固地質(zhì)類特效,主要有超前注漿特效和壁后回填特效。相同的施工特效,通過不同的制作手段和工具會有不同呈現(xiàn)效果,所以,特效預(yù)設(shè)模塊依據(jù)展示手段分別設(shè)置有三維模擬特效和后期制作特效。
場景預(yù)設(shè)模塊,為滿足不同盾構(gòu)機(jī)機(jī)型、不同施工需求的場景預(yù)設(shè),主要?jiǎng)澐譃槌鞘袌鼍?、鄉(xiāng)村場景、山地場景、荒漠場景、草原場景、江河場景、煤礦場景,以及空白場景八大類型,每類場景均設(shè)置多個(gè)施工作業(yè)場景預(yù)設(shè)模塊,一方面用于展現(xiàn)不同機(jī)型的作業(yè)施工地點(diǎn),比如,城市場景類型中,在道路兩側(cè)設(shè)置地表淺層的管廊作業(yè)施工場景模塊,在地下設(shè)置地鐵隧道建設(shè)的施工作業(yè)場景模塊,在高速路下方設(shè)置建設(shè)涵洞的施工作業(yè)場景模塊等等,用于滿足不同機(jī)型的施工作業(yè)需求;另一方面擴(kuò)大作業(yè)場景的選擇空間,比如,城市場景中的地鐵隧道施工場景可在城市的不同角落設(shè)置多個(gè)模塊,減少同一場景模塊反復(fù)使用而引起的審美疲勞。
后期預(yù)設(shè)模塊,主要是針對動(dòng)畫視頻后期剪輯合成的效果預(yù)設(shè)模塊,可劃分為設(shè)計(jì)元素、設(shè)計(jì)版式及調(diào)色預(yù)設(shè)三大類,各類型預(yù)設(shè)模塊包括有多種設(shè)計(jì)風(fēng)格,滿足不同的使用需求,而且同種設(shè)計(jì)風(fēng)格的模塊可以自由組合進(jìn)行再設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)視頻風(fēng)格的整體統(tǒng)一化和局部多樣化。
通過單元模塊的組合變化,從而實(shí)現(xiàn)多樣化的動(dòng)畫效果,是模塊化設(shè)計(jì)的終極目標(biāo),預(yù)設(shè)模塊是否好用,關(guān)鍵在于單元模塊的規(guī)范化程度,下面以土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掌子面落渣特效的PF粒子預(yù)設(shè)模塊為例,介紹模塊的規(guī)范化制作方法。
第一步,在制作粒子預(yù)設(shè)模塊之前,先分析掌子面落渣的物理過程,主要包括:(1)隨著刀盤的旋轉(zhuǎn),刀具擠壓破碎掌子面,產(chǎn)生大小不一的渣土、煙塵及渣土下落的過程;(2)在渣土的下落過程中刀盤刀具對較大粒徑的渣土進(jìn)行二次破碎并產(chǎn)生煙塵的過程;(3)在渣土下落至隧道的下部邊緣時(shí),渣土堆積進(jìn)入螺旋輸送機(jī)的過程。第二步,根據(jù)掌子面落渣的物理過程設(shè)計(jì)PF粒子事件,初步形成粒子基礎(chǔ)模塊,一是模擬首次破碎產(chǎn)生的大粒徑渣土在下落過程中進(jìn)行二次破碎,在下落至隧道下部邊緣消失的過程;二是模擬首次破碎產(chǎn)生的小粒徑渣土和煙塵,下落至隧道下部邊緣消失的過程。渣土堆積進(jìn)入螺旋輸送機(jī)的過程是由其他模擬方法來實(shí)現(xiàn)的,不在此講述。第三步,通過分析不同設(shè)備在此過程中的相同點(diǎn)及不同點(diǎn),從而得到預(yù)設(shè)模塊中的可固化內(nèi)容與可變化內(nèi)容。實(shí)際施工過程中,相同點(diǎn)是掌子面落渣的物理過程基本上是一樣的,不同點(diǎn)是設(shè)備刀具布局不同、盾構(gòu)機(jī)直徑不同和開挖地質(zhì)不同,對應(yīng)到粒子預(yù)設(shè)模塊當(dāng)中,可固化內(nèi)容為:(1)粒子事件的框架結(jié)構(gòu)及各事件之間的聯(lián)系;(2)粒子事件中的力場;(3)粒子的出生速率及運(yùn)動(dòng)速度。可變化內(nèi)容為:(1)粒子的發(fā)射位置、碰撞位置;(2)粒子的出生時(shí)間、碰撞時(shí)間和消除時(shí)間;(3)粒子的形狀、材質(zhì)。第四步,在可固化內(nèi)容與可變化內(nèi)容基礎(chǔ)上對基礎(chǔ)模塊進(jìn)一步規(guī)范形成可通用的模塊。主要是針對可變化內(nèi)容的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行規(guī)范化管理:(1)粒子的發(fā)射器對象統(tǒng)一設(shè)置為“Launch-位置名稱”可編輯多邊形,只需在可編輯多邊形的元素層級上靈活調(diào)整發(fā)射面的數(shù)量、位置及大小,使其與刀盤對應(yīng);粒子的碰撞對象統(tǒng)一設(shè)置為“Collision-碰撞面名稱”全導(dǎo)向器,根據(jù)不同的刀盤輪廓繪制可編輯多邊形作為碰撞對象鏈接到全導(dǎo)向器;(2)粒子的出生時(shí)間、碰撞時(shí)間和消除時(shí)間根據(jù)動(dòng)畫展示需要及刀盤直徑進(jìn)行調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)即可;(3)粒子的形狀、材質(zhì)根據(jù)地質(zhì)需要進(jìn)行相應(yīng)的替換操作即可,其中,在調(diào)整粒子的形狀時(shí)需按照相同的粒子大小進(jìn)行替換。
模塊化不僅要規(guī)范各模塊的數(shù)據(jù)接口,更要統(tǒng)一各模塊的管理方式,以下分別是從粒子預(yù)設(shè)模塊的命名規(guī)范、預(yù)覽規(guī)范、層級規(guī)范和輔助對象的分類規(guī)范四個(gè)方面講解相關(guān)的規(guī)范方式。
粒子預(yù)設(shè)模塊均采用統(tǒng)一的命名規(guī)則,便于快速識別模塊的用途及內(nèi)容,每個(gè)模塊的“預(yù)設(shè)名”采用“粒子位置-粒子內(nèi)容”的命名格式,例如“掌子面-小粒徑渣土、煙塵”“掌子面-大粒徑渣土、煙塵”;每個(gè)模塊的“預(yù)設(shè)描述”中具體說明預(yù)設(shè)模塊中所包含的事件,便于全面了解模塊的具體構(gòu)成,例如“掌子面-大粒徑渣土、煙塵”模塊的“預(yù)設(shè)描述”為:(1)大粒徑渣土:出生-二次碰撞-消除;(2)煙塵:出生-消除;通過預(yù)設(shè)名和預(yù)設(shè)描述能夠了解模塊的用途和構(gòu)成,并快速了解模塊的制作思路和使用方法。
在粒子預(yù)設(shè)文件夾內(nèi),均為各粒子預(yù)設(shè)模塊預(yù)制了200幀預(yù)覽動(dòng)畫和一張效果圖,可以通過預(yù)覽圖進(jìn)一步判斷模塊是否滿足展示需求。
每個(gè)預(yù)設(shè)模塊中,對包含的所有對象統(tǒng)一層級管理規(guī)范,便于預(yù)設(shè)模塊各對象能夠快速匹配到新項(xiàng)目中。各模塊均設(shè)定三個(gè)層級,分別為粒子層、刪除層、默認(rèn)層,粒子層內(nèi)包含粒子本身所涉及的對象;刪除層內(nèi)為燈光和設(shè)備對象,為可替換對象,完成新項(xiàng)目的對象替換后,該層的內(nèi)容即可刪除;默認(rèn)層內(nèi)不放置任何對象。
粒子模塊內(nèi)部對象較多且關(guān)系復(fù)雜,為便于整體移動(dòng)粒子模塊與新項(xiàng)目匹配,將整體預(yù)設(shè)模塊連接到一個(gè)虛擬對象,該虛擬對象可以控制整個(gè)模塊的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放操作,減少拾取各個(gè)對象的繁瑣操作,同時(shí),為便于虛擬對象的識別與拾取,統(tǒng)一規(guī)范該類虛擬對象的顏色為藍(lán)色。
對于動(dòng)畫預(yù)設(shè)模塊的集成方法分為三種,第一種是軟件自帶預(yù)設(shè)功能,可以直接集成到軟件中,例如,粒子預(yù)設(shè)模塊可以直接作為預(yù)設(shè)流集成到3Dmax軟件當(dāng)中,使用時(shí)直接拖動(dòng)預(yù)設(shè)流進(jìn)行選擇即可;第二種是借助一些集成插件將模塊內(nèi)容集成到軟件中,一般此類型插件的功能更為人性化,但適用范圍有限,例如Project Manager插件可以集成燈光、材質(zhì)、模型等預(yù)設(shè)內(nèi)容并嵌入到3Dmax軟件當(dāng)中,同時(shí)具備實(shí)時(shí)預(yù)覽功能;第三種是將預(yù)設(shè)內(nèi)容整合到本地資源當(dāng)中統(tǒng)一管理,可進(jìn)行加載調(diào)用,此方法是針對不能集成到軟件中的模塊管理方法。預(yù)設(shè)模塊的集成方法應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境需要及其他客觀因素進(jìn)行選擇性使用。
動(dòng)畫預(yù)設(shè)模塊的應(yīng)用不僅使動(dòng)畫制作周期大大縮短,動(dòng)畫的制作水平也有很大提升。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):(1)模塊化引入了平行作業(yè),將傳統(tǒng)的單點(diǎn)依次作業(yè)變成多點(diǎn)同時(shí)作業(yè)[3],例如,在動(dòng)畫設(shè)計(jì)規(guī)劃完成之后,可以同時(shí)開展設(shè)備模型梳理、賦材質(zhì)、施工場景、后期合成框架及后期特效的設(shè)計(jì)制作;在分鏡設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),可以同時(shí)開展開挖、出渣、支護(hù)的分鏡設(shè)計(jì)。模塊化應(yīng)用改變了盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的工作模式,大幅度縮短制作周期,能夠快速響應(yīng)緊急項(xiàng)目的動(dòng)畫需求。(2)預(yù)設(shè)模塊的應(yīng)用改變了動(dòng)畫制作方式,將新建作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒄{(diào)作業(yè),例如,設(shè)計(jì)制作粒子特效時(shí),使用預(yù)設(shè)模塊減少了創(chuàng)建發(fā)射/導(dǎo)向物體、創(chuàng)建力場、設(shè)計(jì)粒子流框架,以及綜合各項(xiàng)參數(shù)反復(fù)調(diào)整測試效果的過程,節(jié)約大量的制作時(shí)間,只需替換粒子的發(fā)射/導(dǎo)向物體,調(diào)整粒子的時(shí)間、形狀、材質(zhì),即可完成粒子特效的設(shè)計(jì)制作,設(shè)計(jì)師可以將更多的時(shí)間和精力放在動(dòng)畫的創(chuàng)意構(gòu)思與設(shè)計(jì)工作中。(3)模塊化的應(yīng)用使工業(yè)動(dòng)畫的成品質(zhì)量不再依賴設(shè)計(jì)師個(gè)人制作水平,更大程度上取決于動(dòng)畫預(yù)設(shè)模塊的質(zhì)量,而所有預(yù)設(shè)模塊均為精良制作,數(shù)據(jù)接口結(jié)構(gòu)清晰,視覺效果優(yōu)質(zhì)美觀,動(dòng)畫成品質(zhì)量得到保證,提高了工業(yè)動(dòng)畫的整體水平。
工業(yè)動(dòng)畫在市場日益成熟的盾構(gòu)機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用,而模塊化設(shè)計(jì)方法同時(shí)兼顧工業(yè)動(dòng)畫的適用廣度和設(shè)計(jì)制作的專業(yè)深度,不僅簡化了繁瑣的設(shè)計(jì)制作任務(wù),還進(jìn)一步優(yōu)化了工業(yè)動(dòng)畫的作業(yè)模式與制作流程,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)動(dòng)畫制作效率和設(shè)計(jì)水平的雙提升,模塊化必將成為盾構(gòu)機(jī)工業(yè)動(dòng)畫的重要發(fā)展趨勢。