水利水电工程施工总布置三维场景快速搭建技术研究

引言

水利水电工程施工总布置是指导现场施工组织、资源调配及安全管理的重要依据，其设计合理性直接影响工程建设的进度与质量。长期以来，二维图纸与静态三维模型在总布置中得到广泛应用，但在应对施工阶段的高频调整、动态展示和多方协同决策时存在局限。近年来，BIM、GIS、倾斜摄影测量及激光扫描等技术的发展，为施工总布置的三维化、动态化提供了条件。三维场景快速搭建技术作为其中的核心环节，能够在短时间内完成大范围地形与构筑物的精确复现，并支持施工进度联动与实时更新，从而在施工组织优化、施工方案比选、安全风险预判等方面发挥显著作用[1]。然而，现阶段该领域仍存在数据融合效率不足、建模周期长、渲染性能受限等问题，亟需开展面向工程实用化的关键技术研究。基于此，本文结合水利水电工程施工的特点，系统分析了三维场景快速搭建的技术需求，构建了关键技术体系，并通过工程应用验证其可行性与优势。

一、施工总布置三维场景快速搭建的技术需求

水利水电工程施工总布置涉及厂房、坝体、输水建筑物、施工道路、临时设施等多类型构筑物与设备的空间布局，其场景呈现不仅要求覆盖大范围的自然地形，还需细致表达各专业工序的作业面与空间关系。传统二维图纸与静态三维模型难以满足施工阶段对布置方案快速调整与可视化展示的需求，尤其在施工方案优化、工序衔接、机械调度等环节，现场常需在短时间内完成不同布置方案的比选与推演。因此，快速搭建施工总布置三维场景的技术必须兼顾大范围地形的真实还原与局部构筑物的精确建模，同时具备可快速修改、动态更新和多终端浏览的能力，以适应施工组织的高频调整和协同决策需求。

在快速搭建技术的具体需求上，一方面，需具备高效率的数据处理与建模能力，能够将地形测绘数据、BIM 构件库、二维设计图纸等多源数据快速融合，并通过参数化或模块化手段生成可复用的构筑物模型，显著缩短建模周期；另一方面，应具备轻量化与实时渲染能力，保证在包含数百万级面片的复杂场景中依然能够流畅交互与漫游。此外，施工总布置的三维场景还应支持与施工进度计划、物资设备管理系统等进行数据联动，实现施工过程的动态可视化与多版本场景对比，为工程管理提供直观、可量化的决策依据。

二、三维场景快速搭建关键技术体系

（一）多源数据获取与预处理技术

三维场景快速搭建的基础在于对多源空间数据的高效采集与标准化处理。水利水电工程施工总布置涉及的地形地貌数据，可通过无人机倾斜摄影测量、机载/地面激光扫描（LiDAR）、GNSS 测量等方式获取，以保证不同尺度范围内的精度与覆盖度。同时，需整合二维施工图纸、BIM 模型及既有地理信息系统（GIS）数据，实现设计资料与实测数据的对齐与融合。在数据预处理环节，应进行噪声点云滤除、冗余数据压缩、坐标系统一以及地形网格化处理，确保输入建模的数据具备高精度、高一致性与低冗余度，为后续快速建模与渲染奠定坚实基础。

（二）参数化与模块化建模技术

在水利水电施工总布置中，坝体、厂房、导流洞、临时道路、拌合站等构筑物具有较高的结构规律性和标准化特征，因此可通过参数化和模块化技术显著提升建模效率。参数化建模通过设定几何尺寸、结构层级及材质属性等参数，快速生成不同规格的构件或建筑实体；模块化建模则通过构件库管理，将典型构筑物、设备模型标准化存储，并支持二次调用与组合，从而减少重复建模工作量。这种方法不仅缩短了建模时间，还便于后续的方案调整与版本迭代，能够在数小时内完成大规模场景的搭建与优化。

（三）模型轻量化与实时渲染优化技术

由于水利水电工程施工场景体量大、构筑物种类多，三维模型在完整加载时易出现面片数过高、渲染延迟等性能瓶颈，因此必须在不损失关键细节的前提下进行模型轻量化处理。轻量化技术包括网格简化（MeshSimplification）、纹理压缩、实例化渲染（Instance Rendering）等方法，以降低数据传输与显存占用。同时，实时渲染需引入 LOD（Level of Detail）技术，根据视距动态调整模型精度，并结合光照贴图、阴影缓存、反射探针等优化策略，提升视觉效果与交互流畅度，使场景在普通工程计算机和移动终端上均能流畅运行。

（四）施工进度联动与动态场景更新技术

快速搭建的三维场景不仅是一次性成果，更应具备动态更新与多维联动的能力。通过与施工进度计划（4D BIM）、设备管理系统、物资调度平台等数据接口对接，三维场景可实时反映施工状态变化，实现构筑物新增、施工面转移、机械设备位置变化等动态展示[2]。此外，系统应支持多版本场景管理与对比分析，使管理人员能够回溯历史施工状态或预览未来施工节点，从而为施工组织优化、资源调配及安全风险预测提供可视化支撑。这一技术体系可将三维场景由静态展示平台升级为动态的施工信息管理工具。

三、三维场景快速搭建的实现流程

水利水电工程施工总布置的三维场景快速搭建通常遵循“ 数据采集与预处理—构件建模与场景组装—轻量化与渲染优化—动态更新与运维管理” 的技术路径。首先，在数据采集与预处理阶段，通过无人机倾斜摄影、激光扫描（LiDAR）、GNSS 测量等手段获取高精度地形数据，并结合二维施工图纸、BIM 模型、GIS 信息进行统一坐标化与格式转换，同时开展点云滤波、地形网格化和纹理生成等预处理操作。其次，在构件建模与场景组装阶段，利用参数化建模和模块化构件库快速生成坝体、厂房、导流洞、施工道路、临时设施等实体模型，并进行位置精确布置与地形融合，确保构筑物与地貌的无缝衔接。第三，在轻量化与渲染优化阶段，针对大规模场景中高面片数和复杂纹理的问题，采用网格简化、纹理压缩、实例化渲染以及LOD（Level of Detail）技术实现性能优化，确保在普通工作站和移动终端上的流畅可视化。最后，在动态更新与运维管理阶段，通过与施工进度（4D BIM）、物资设备管理系统建立数据接口，实现场景的实时更新与版本管理，并支持多方案对比、进度回溯及未来节点预演，使三维场景不仅具备展示功能，还能作为施工组织与决策支持的核心工具。

结语：

本文提出了水利水电工程施工总布置三维场景快速搭建的关键技术体系与实现流程，并在工程实例中验证了其高效性与可行性。结果表明，该技术可显著缩短建模周期、提升可视化与决策支持能力，对推进水利水电工程施工信息化具有重要意义。未来可结合数字孪生与智能化技术，进一步提升自动化与协同水平。

参考文献：

[1]杨珊珊.水利水电工程施工总布置设计 BIM 应用研究[J].装饰装修天地, 2023(4):52-54.

[2]缪正建,王曙东.基于 Civil 3D 的水利水电工程施工总布置三维设计[J].人民长江, 2015(S1):3.