三维设计在水利水电工程专业教学中的思想改革探讨

2012-08-15◆黄虎

中国校外教育 2012年7期

关键词：枢纽投影建筑物

◆黄虎

(华北水利水电学院水利学院)

三维设计在水利水电工程专业教学中的思想改革探讨

◆黄虎

(华北水利水电学院水利学院)

本文通过对当前水利水电工程专业CAD技术教学情况分析，指出当前的教学与实践之间存在的较大差异，结合水利水电工程工程专业的特点，提出三维设计在水利水电工程专业教学中的应用思想，以三维设计为平台推动工程制图的教学改革。

三维设计水利水电工程设计思想工程布置

人在设计时的原始冲动是三维的，设计成果是有颜色、形状、材料、尺寸、位置、复杂运动关系等关联概念的三维实体。但传统的水电行业设计工作是从三维到二维，再从二维到三维的过程，这种设计方式对设计工程师和施工者都提出了一定的要求:设计者将原始的三维设计概念和思想抽象成相关联的平面三向视图并以二维平面图的形式来展示，这种设计方式往往难以完全表达设计者的原始设计思想，出现差错和缺漏。这种三维到二维的设计过程往往受到工程师的空间想象力和基本制图技能的限制;施工者又要将平面信息想象成三维的形体才可以进行施工，设计者和施工者之间表达和理解的差异往往也带来了差错。这种二维到三维的施工过程中，绘图、读图都要经过专门训练的人来进行。而三维设计则可以完全避免这种“三维——二维——三维”的繁冗过程。根据三维设计概念直接进行三维设计，从而输出的三维设计成果可以非常直观和完整得表达设计师的设计思想。只有三维设计才能完成思维过程与设计过程的统一，才是真正意义上的CAD。

对于初学者本科生而言，既没有一定的设计思想，也没有相关的设计经验，他们只能靠老师的讲解和自己的大脑进行想象。然而，这种最初的三维图形很难在其大脑中形成，那么由三维到二位，再由二位到三维的设计思想也很难形成，从而导致学生在学习过程中无法提高兴趣。对于工科本科生来说，CAD教学的目标不仅要使学生学会看图，还要学会作图，从而提高其应用能力。

一、二维设计的弊端

传统的CAD教学模式是在基于二维投影及表达的层次上进行的，无论是手工绘图还是计算机绘图都是以投影方式绘出的二维图形。对于复杂结构而言，只能通过零部件各个视图来表现其结构特征，然而各个视图之间的处理缺乏整体性，需要识图者同时对比各个视图，从三维的概念建立不同视图之间的联系，从而确定结构的三维特征。这就要求识图者要有一定的经验知识。

对于学生而言，由于无法建立实际建筑物三维概念，从二维到三维或三维到二位的思维过程转变非常困难。以往教师的教学手段主要是依靠模型或者形体的轴测图，这样不但花费大量的课堂时间，大大降低了课堂容量，而且不是太真切、形象。所以，教学效果不是太理想。因此，大部分同学将CAD课程作为一门计算机操作课来应付，也就失去了对课程的学习兴趣。因而，教师很难调动他们的学习积极性，更谈不上培养他们的创新能力。

在产品设计的全过程中，原始构思是三维实体形象，实施的结果是三维实体，而将这两者联系在一起的设计过程却是二维图形表达，这样无形中就增加了一个复杂的环节，而且对于学生而言，这个环节往往是最难实现的过程，只有经过专门的训练才能掌握这种表达和读图的方法。

二、三维设计教学体系

1.以三维实体造型提高学生空间把握能力

结合三维CAD设计软件，将三维实体造型概念引入教学，以三维实体设计为主线，三维实体表达方法和三维工程图表达方法并重，加强三维形体的想象、构形、分析，表达能力及三维形体和二维图样相瓦转化的能力的培养。

作为初学者的学生，没有实践的锻炼，头脑中的立体概念比较少。因而，在投影理论的学习中会感到吃力，往往想象不出实体的形状。针对这种情况，在教学过程中，直接从“体”入手，强化学生对空间实体的理解与把握，建立其空间感觉，训练学生的空间想象能力。

首先，在CIVIL3D中进行各种基本体的建模训练。让学生在三维环境下，从不同角度观察各种基本的形态特征。通过实体的绘制与观察，加强学生的立体概念。学生在观看实体模型的过程中，头脑中不断积累立体的表象，表象积累多了，空间感性知识就增强了，想象空间形体的形状就变得容易起来。通过基本的建模训练，使学生对空间有个初步的了解，掌握各种基本的空间形态特征，及其线而情况。

其次，在CIVIL3D中进行组合体的模型训练。在此，把组合体分成叠加组合体和切割组合体两部分来训练，以包含不同的制图知识进行讲解，将深奥的理论融入实体绘制过程当中。

2.三维到二维投影方法

在学生对三维实体有了良好的空间感觉以后，我们反过来由“体”抽取点、线，面来讲授投影原理、方法及投影规律。通过以上的讲授与训练，基本体的空间形象在学生头脑中已是十分明朗。这时，加入必要的投影基础知识，绘制基本体的投影是非常轻松的事情。熟练绘制基本体投影之后，在基本体上提取点、线、面，并在相应视图找出相应的投影，以训练点，线、面的投影规律以及获得点、线、面的投影的方法。由“体”出发分析体、面，线、点的投影及表达方法，直观性强、便于理解、记忆，有利于增强空间思维能力和构形能力的培养。在此基础上，利用形体分析法和线面分析法综合训练组合体的投影，以及投影和实体之间的相互转化。

3.三维建模贯穿始终

以三维设计软件AUTOCIVIL3D为平台，实现基本表达方案、结构构件以及装配图等内容的讲授。在实体建模的过程中，学生必须充分了解建筑物的各个构件之间的相互关系，充分掌握结构的空间特性，通过装配，才能够建立三维模型。也可以通过基本构件的几何布尔运算建立三维模型。根据建立的三维模型转换成工程图样，通过相应的三维标注方式，形成符合国标、表达准确而规范的图样，直接以三维工程图表现结构特征。引入三维实体造型概念，对培养，发展和提高学生的牢间想象能力、读图能力及表达能力，有着传统教学方法无法比拟的强大的辅助功能。

三、水利水电工程专业三维设计教学培养

1.设计基础

枢纽布置设计工作的基础即根据流域水文气象资料和工程地质条件等，针对各坝线来进行可能的枢纽布置格局方案的布置与搜索，从而生成多种枢纽布置方案，并得到推荐方案进行更为详细的设计。三维设计下多方案的搜索以信息化工程设计及管理的理念为依托，通过引入知识库体系来实现枢纽布置多方案的初拟定。结合综合技术经济比较，从而对各个方案进行优化和比选。在过去二维平面的设计方式下，枢纽布置设计工作效率不高、重复工作量大，难以实现真正的优化方案，因此需要在三维设计环境下进行枢纽建筑物的空间布置和设计。在实际三维设计流程中，一方面必须能够顺利读取基础数据(包括原始地形勘测数据和地质勘探数据)，从而建立有效的三维地形、地质工程模型，为结构物设计提供可靠的地质资料;另一方面需要在考虑水力学和力学结构要求的情况下，建立典型建筑物(如大坝坝体、溢洪道等)的三维工程模型。在此基础上进行三维开挖和填筑设计及枢纽布置方案的研究、优化，同时也进行相关结构和水力分析计算、工程量统计、二维平面图纸输出等。

2.三维设计能力技术的培养和强化

在教师讲课过程，首先以实物模型的型式向学生展示水工建筑物的结构形式，使学生对建筑物有一定的基本认识，然后以实物模型为例，构建三维模型，直观易懂，可创造一种新颖愉快的学习氛围。引起学生的无意注意，激发其学习兴趣，发挥其主观能动性，从而发展学生的有意注意，引导学生进行创意构型设计，充分发挥学生的潜能，培养他们的创造力。

由于水工建筑物形式多样，结构复杂，在教学过程可先建立各种建筑物的组成构件的三维模型，再组合各种复杂的建筑物，即由简单构件到复杂结构的装配过程，在装配的过程中使学生认识结构的整体结构形式，以及建筑物的空间形式是如何表现的。同时，各零部件的装配关系是否合理，有无干涉等问题也可以通过三维的形式表现出来。

三维设计符合设计者的思维习惯，可以充分发挥设计者想象力和创造力。解决产品设计和工程绘图的问题，重要的是三维CAD技术可实现产品的虚拟设计、动态仿真和优化设计。

3.工程三维布置

结合水电枢纽工程的设计特点，提出了枢纽布置的整体三维设计流程，包含多种枢纽布置方案的三维设计、方案比选和优化、三维设计成果输出等过程。

针对某一布置方案完成枢纽布置工作的基础理论是基于碰撞干涉检测的三维装配技术。枢纽建筑物三维布置核心是确定每套枢纽布置的空间位置关系，并完成相应三维地质开挖，具体方法为:确定枢纽布置方案;根据水文、地质、开挖边坡等条件确定枢纽开挖方案，并进行枢纽三维开挖，完成工程量统计，与此同时进行枢纽典型建筑物三维构形;确定开挖地质模型与建筑物的控制点坐标，利用控制点坐标匹配，完成枢纽建筑物空间位置关系的确立;由于开挖及各个建筑物设计是由不同专业及部门完成，交叉设计必然带来一定的错误，因此，对典型建筑物及开挖地质模型间进行碰撞干涉检查，来完成开挖设计及枢纽建筑物设计的检验，最终确定枢纽布置的正确位置关系，进而完成枢纽建筑物的三维布置工作。进行枢纽三维布置能够快速完成枢纽建筑物布置方案的比选，得到最为准确的工程量平衡方案，并能够在此基础上直观地完成环境评价、施工组织设计等工作。

4.三维到二维转化

在掌握了组合体的三维造型之后即可进入工程制图模块的学习，这时要教会学生如何由组合体的三维造型自动生成三视图。这样就建立起一种全新的“三维造型+二维投影”同步教学模式。在以后的教学内容中，如构件的表达方法、标准件与常用件、构件与装配均可按照“三维造型——二维投影”的模式实施同步教学。

采用新的教学模式，学生在学习过程中，不仅学会了三维设计，而且由于虚拟模型的直观效果，训练了学生的想象能力和创造能力。在设计时要求学生把所见的三维实体表达成二维工程图样，在读图时又从工程图样想象并构形出三维造型，这样就完成了由空间到平面再回到空间的认识过程。学生的三维形象与二维图像间的转化能力将得到较好的开发。