三維設計在水利水電工程專業教學中的思想改革探討

◆黃 虎

(華北水利水電學院水利學院)

三維設計在水利水電工程專業教學中的思想改革探討

◆黃 虎

(華北水利水電學院水利學院)

本文通過對當前水利水電工程專業CAD技術教學情況分析，指出當前的教學與實踐之間存在的較大差異，結合水利水電工程工程專業的特點，提出三維設計在水利水電工程專業教學中的應用思想，以三維設計為平臺推動工程制圖的教學改革。

三維設計 水利水電工程 設計思想 工程布置

人在設計時的原始沖動是三維的，設計成果是有顏色、形狀、材料、尺寸、位置、復雜運動關系等關聯概念的三維實體。但傳統的水電行業設計工作是從三維到二維，再從二維到三維的過程，這種設計方式對設計工程師和施工者都提出了一定的要求:設計者將原始的三維設計概念和思想抽象成相關聯的平面三向視圖并以二維平面圖的形式來展示，這種設計方式往往難以完全表達設計者的原始設計思想，出現差錯和缺漏。這種三維到二維的設計過程往往受到工程師的空間想象力和基本制圖技能的限制;施工者又要將平面信息想象成三維的形體才可以進行施工，設計者和施工者之間表達和理解的差異往往也帶來了差錯。這種二維到三維的施工過程中，繪圖、讀圖都要經過專門訓練的人來進行。而三維設計則可以完全避免這種“三維——二維——三維”的繁冗過程。根據三維設計概念直接進行三維設計，從而輸出的三維設計成果可以非常直觀和完整得表達設計師的設計思想。只有三維設計才能完成思維過程與設計過程的統一，才是真正意義上的CAD。

對于初學者本科生而言，既沒有一定的設計思想，也沒有相關的設計經驗，他們只能靠老師的講解和自己的大腦進行想象。然而，這種最初的三維圖形很難在其大腦中形成，那么由三維到二位，再由二位到三維的設計思想也很難形成，從而導致學生在學習過程中無法提高興趣。對于工科本科生來說，CAD教學的目標不僅要使學生學會看圖，還要學會作圖，從而提高其應用能力。

一、二維設計的弊端

傳統的CAD教學模式是在基于二維投影及表達的層次上進行的，無論是手工繪圖還是計算機繪圖都是以投影方式繪出的二維圖形。對于復雜結構而言，只能通過零部件各個視圖來表現其結構特征，然而各個視圖之間的處理缺乏整體性，需要識圖者同時對比各個視圖，從三維的概念建立不同視圖之間的聯系，從而確定結構的三維特征。這就要求識圖者要有一定的經驗知識。

對于學生而言，由于無法建立實際建筑物三維概念，從二維到三維或三維到二位的思維過程轉變非常困難。以往教師的教學手段主要是依靠模型或者形體的軸測圖，這樣不但花費大量的課堂時間，大大降低了課堂容量，而且不是太真切、形象。所以，教學效果不是太理想。因此，大部分同學將CAD課程作為一門計算機操作課來應付，也就失去了對課程的學習興趣。因而，教師很難調動他們的學習積極性，更談不上培養他們的創新能力。

在產品設計的全過程中，原始構思是三維實體形象，實施的結果是三維實體，而將這兩者聯系在一起的設計過程卻是二維圖形表達，這樣無形中就增加了一個復雜的環節，而且對于學生而言，這個環節往往是最難實現的過程，只有經過專門的訓練才能掌握這種表達和讀圖的方法。

二、三維設計教學體系

1.以三維實體造型提高學生空間把握能力

結合三維CAD設計軟件，將三維實體造型概念引入教學，以三維實體設計為主線，三維實體表達方法和三維工程圖表達方法并重，加強三維形體的想象、構形、分析，表達能力及三維形體和二維圖樣相瓦轉化的能力的培養。

作為初學者的學生，沒有實踐的鍛煉，頭腦中的立體概念比較少。因而，在投影理論的學習中會感到吃力，往往想象不出實體的形狀。針對這種情況，在教學過程中，直接從“體”入手，強化學生對空間實體的理解與把握，建立其空間感覺，訓練學生的空間想象能力。

首先，在CIVIL3D中進行各種基本體的建模訓練。讓學生在三維環境下，從不同角度觀察各種基本的形態特征。通過實體的繪制與觀察，加強學生的立體概念。學生在觀看實體模型的過程中，頭腦中不斷積累立體的表象，表象積累多了，空間感性知識就增強了，想象空間形體的形狀就變得容易起來。通過基本的建模訓練，使學生對空間有個初步的了解，掌握各種基本的空間形態特征，及其線而情況。

其次，在CIVIL3D中進行組合體的模型訓練。在此，把組合體分成疊加組合體和切割組合體兩部分來訓練，以包含不同的制圖知識進行講解，將深奧的理論融入實體繪制過程當中。

2.三維到二維投影方法

在學生對三維實體有了良好的空間感覺以后，我們反過來由“體”抽取點、線，面來講授投影原理、方法及投影規律。通過以上的講授與訓練，基本體的空間形象在學生頭腦中已是十分明朗。這時，加入必要的投影基礎知識，繪制基本體的投影是非常輕松的事情。熟練繪制基本體投影之后，在基本體上提取點、線、面，并在相應視圖找出相應的投影，以訓練點，線、面的投影規律以及獲得點、線、面的投影的方法。由“體”出發分析體、面，線、點的投影及表達方法，直觀性強、便于理解、記憶，有利于增強空間思維能力和構形能力的培養。在此基礎上，利用形體分析法和線面分析法綜合訓練組合體的投影，以及投影和實體之間的相互轉化。

3.三維建模貫穿始終

以三維設計軟件AUTOCIVIL3D為平臺，實現基本表達方案、結構構件以及裝配圖等內容的講授。在實體建模的過程中，學生必須充分了解建筑物的各個構件之間的相互關系，充分掌握結構的空間特性，通過裝配，才能夠建立三維模型。也可以通過基本構件的幾何布爾運算建立三維模型。根據建立的三維模型轉換成工程圖樣，通過相應的三維標注方式，形成符合國標、表達準確而規范的圖樣，直接以三維工程圖表現結構特征。引入三維實體造型概念，對培養，發展和提高學生的牢間想象能力、讀圖能力及表達能力，有著傳統教學方法無法比擬的強大的輔助功能。

三、水利水電工程專業三維設計教學培養

1.設計基礎

樞紐布置設計工作的基礎即根據流域水文氣象資料和工程地質條件等，針對各壩線來進行可能的樞紐布置格局方案的布置與搜索，從而生成多種樞紐布置方案，并得到推薦方案進行更為詳細的設計。三維設計下多方案的搜索以信息化工程設計及管理的理念為依托，通過引入知識庫體系來實現樞紐布置多方案的初擬定。結合綜合技術經濟比較，從而對各個方案進行優化和比選。在過去二維平面的設計方式下，樞紐布置設計工作效率不高、重復工作量大，難以實現真正的優化方案，因此需要在三維設計環境下進行樞紐建筑物的空間布置和設計。在實際三維設計流程中，一方面必須能夠順利讀取基礎數據(包括原始地形勘測數據和地質勘探數據)，從而建立有效的三維地形、地質工程模型，為結構物設計提供可靠的地質資料;另一方面需要在考慮水力學和力學結構要求的情況下，建立典型建筑物(如大壩壩體、溢洪道等)的三維工程模型。在此基礎上進行三維開挖和填筑設計及樞紐布置方案的研究、優化，同時也進行相關結構和水力分析計算、工程量統計、二維平面圖紙輸出等。

2.三維設計能力技術的培養和強化

在教師講課過程，首先以實物模型的型式向學生展示水工建筑物的結構形式，使學生對建筑物有一定的基本認識，然后以實物模型為例，構建三維模型，直觀易懂，可創造一種新穎愉快的學習氛圍。引起學生的無意注意，激發其學習興趣，發揮其主觀能動性，從而發展學生的有意注意，引導學生進行創意構型設計，充分發揮學生的潛能，培養他們的創造力。

由于水工建筑物形式多樣，結構復雜，在教學過程可先建立各種建筑物的組成構件的三維模型，再組合各種復雜的建筑物，即由簡單構件到復雜結構的裝配過程，在裝配的過程中使學生認識結構的整體結構形式，以及建筑物的空間形式是如何表現的。同時，各零部件的裝配關系是否合理，有無干涉等問題也可以通過三維的形式表現出來。

三維設計符合設計者的思維習慣，可以充分發揮設計者想象力和創造力。解決產品設計和工程繪圖的問題，重要的是三維CAD技術可實現產品的虛擬設計、動態仿真和優化設計。

3.工程三維布置

結合水電樞紐工程的設計特點，提出了樞紐布置的整體三維設計流程，包含多種樞紐布置方案的三維設計、方案比選和優化、三維設計成果輸出等過程。

針對某一布置方案完成樞紐布置工作的基礎理論是基于碰撞干涉檢測的三維裝配技術。樞紐建筑物三維布置核心是確定每套樞紐布置的空間位置關系，并完成相應三維地質開挖，具體方法為:確定樞紐布置方案;根據水文、地質、開挖邊坡等條件確定樞紐開挖方案，并進行樞紐三維開挖，完成工程量統計，與此同時進行樞紐典型建筑物三維構形;確定開挖地質模型與建筑物的控制點坐標，利用控制點坐標匹配，完成樞紐建筑物空間位置關系的確立;由于開挖及各個建筑物設計是由不同專業及部門完成，交叉設計必然帶來一定的錯誤，因此，對典型建筑物及開挖地質模型間進行碰撞干涉檢查，來完成開挖設計及樞紐建筑物設計的檢驗，最終確定樞紐布置的正確位置關系，進而完成樞紐建筑物的三維布置工作。進行樞紐三維布置能夠快速完成樞紐建筑物布置方案的比選，得到最為準確的工程量平衡方案，并能夠在此基礎上直觀地完成環境評價、施工組織設計等工作。

4.三維到二維轉化

在掌握了組合體的三維造型之后即可進入工程制圖模塊的學習，這時要教會學生如何由組合體的三維造型自動生成三視圖。這樣就建立起一種全新的“三維造型+二維投影”同步教學模式。在以后的教學內容中，如構件的表達方法、標準件與常用件、構件與裝配均可按照“三維造型——二維投影”的模式實施同步教學。

采用新的教學模式，學生在學習過程中，不僅學會了三維設計，而且由于虛擬模型的直觀效果，訓練了學生的想象能力和創造能力。在設計時要求學生把所見的三維實體表達成二維工程圖樣，在讀圖時又從工程圖樣想象并構形出三維造型，這樣就完成了由空間到平面再回到空間的認識過程。學生的三維形象與二維圖像間的轉化能力將得到較好的開發。

四、結語

通過對水利類本科生三維設計能力的培養。加強了學生對水利相關課程內容的理解和掌握，增強了學生實際工程設計能力和創新意識。更加適應現代企業和社會需求。隨著三維設計在水利行業的應用，提高了學生就業競爭能力，有效地解決學校教學與企業需求之間的嚴重脫節，為學院培養水利應用型人才提供可行性方案。

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［4］周旻.CAD三維技術與高校工程制圖的發展［J］.肇慶學院學報，2003，(2).