CAD三維虛擬技術在工程測量教學中的應用

[摘 要] 利用AutoCAD三維技術設計了高層建筑物軸線投測的工作流程和測量場景模型，所建三維教學模型與現場施工測量高度吻合。采用CAD三維建模技術進行工程測量虛擬化教學，方法新穎、模擬真實，切實解決了“看不見、進不去、安全與生產”造成高層建筑測量實習帶來的困難，為工程測量課程教學創造了良好的虛擬實訓條件。

[關 鍵 詞] 信息化教學；建筑物軸線投測；CAD三維模型；虛擬化教學

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）17-0152-02

使用CAD三維技術進行工程測量課程教學，可以改變人們的思維方式和行為習慣，更新傳統職業教育的教學手段，展示了特別的、新穎的教學方法，能夠把抽象的、平面的教學內容變得立體，把單維變成多維。學生能夠在三維場景中進行可視化操作，在體驗中學習，真正解決了“看不見、進不去、安全與生產”所帶來的實習問題，創新了教學模式，優化了教學過程，提高了教學質量。

一、三維教學模型建立

（一）課程教學的需求

在高層建筑施工測量中，對建筑物各部位的水平位置、軸線尺寸、垂直度和標高的要求都十分嚴格 [1]。但是，由于高層建筑工程量大、機械化程度高、各工種立體交叉、施工組織嚴密，學生很難在施工現場進行測量實訓。為確保學生學好施工測量的教學內容，利用CAD三維技術開發了高層建筑物軸線投測空間教學模型，展示了工程測量三維教學情境。學生可以進行虛擬化仿真演練，通過電腦就能“身臨其境”地學習工程測量的操作方法。

（二）三維教學模型建立方法

三維虛擬教學模型設計是基于工程測量課程的教學需要，在進行充分地學情分析和工程測量崗位能力研究的基礎上，按照工程測量員崗位任職要求，結合學生的認知規律，根據工程測量崗位工作流程模擬開發的。目的是為了營造真實的現場工作情境，便于學生模擬建筑物定位、放線、軸線投測的工作氛圍，達到仿真環境、仿真工作，“教學做”一體的教學效果” [2]。

1.測量儀器模型建立

執行AutoCAD“格式”菜單中的圖形界限、繪圖單位、圖層等圖形設置命令，創建圖形繪制樣板。

使用長方體、圓柱體、拉伸等實體繪圖命令繪制出測量儀器和測量覘標的基本形體 [3]。靈活運用三維旋轉、三維對齊等操作命令，布爾運算等實體編輯命令，“工具”菜單里的坐標命令，對測量儀器、測量覘標的基本形體和建模的相關用圖進行細致的修改，經“視圖”菜單中的三維視圖命令校正檢核，由對象特性的顏色控制命令著色后，完成圖1測量儀器模型的制作。

2.基坑、建筑物模型建立

執行矩形、二維多段線、圖案填充等基本繪圖命令，創建簡單的施工場景和相關圖形。利用長方體命令，三維陣列、復制、拉伸面等命令在建筑場地上構筑建筑物立體模型框架。

3.建筑物定位、放線模型建立

（1）建筑物定位模型

建筑物定位就是根據設計條件，把建筑物四周外廓主要軸線的定位點測設到地面上，作為建筑物細部軸線放線和基礎放線的依據 [4]。

使用創建塊、插入塊命令把已建好的全站儀模型、覘標模型布置到建筑場地中。執行三維多段線命令，根據定位點、測站點和后視點，制作建筑物定位訓練模型。

（2）建筑物放線模型

建筑物放線是指根據施工現場測設的建筑物定位點，詳細地測設建筑物內部各軸線交點的位置，并將其延長到安全的地方做好標記。

在建筑物定位訓練模型中，使用復制、鏡像等命令制作建筑物放線訓練模型。

4.建筑物基礎施工模型建立

在軸線一側的控制樁上架設全站儀，在另一側軸線控制樁上架設棱鏡作后視，利用全站儀視準方向向坑槽內投測軸線。在投測位置，利用正多邊形命令、拉伸命令制作軸線投測標記，坑槽內兩邊的標記相連即為坑內軸線方向，由此便可指導基礎施工測量。

當建筑物施工到底層視線沒遮擋之前，將建筑物軸線引測到首層柱子或樓板面外側，作好投測標記。

5.全站儀軸線投測模型建立

為了保證每層墻體或柱子軸線與基礎層軸線在同一鉛垂面上，建筑物上層施工中，在地面軸線控制樁上架設全站儀，照準基礎層投測標記，利用全站儀的視準方向，向上層投測建筑軸線并做標記。同一方向投測標記相連，即為該層的軸線方向，經檢測符合要求后，以此再往上施工。上層軸線投測訓練模型如圖2所示。

6.鉛垂儀軸線投測模型建立

目前，主要是利用鉛垂儀進行高層建筑軸線投測。根據建筑物輪廓布置，使用全站儀在建筑物內部建立矩形控制網，并確定內控網與建筑物主要軸線的尺寸關系。

在內控網交點上，架設鉛垂儀，向上層投測鉛垂線，工作人員在上層預留口處放置接收光靶，確定該層的投測位置。每個預留口處投測位置相連，即可得出該層內控網。并通過測角、測距，對內控網進行質量檢核，再依據基礎層確定的內控網與軸線的尺寸來確定本層的軸線方向。

隨著樓層的逐層增加，按照同樣的方法進行軸線投測。當樓層建設到大約10層左右時，可把鉛垂儀遷站到上層，以便提高建筑物軸線投測精度。鉛垂儀軸線投測訓練模型如圖3所示。

二、三維教學模型應用

為了營造真實的高層建筑軸線投測工作情境，利用仿真訓練模型將建筑物定位放線、全站儀軸線投測、激光鉛垂儀軸線投測的工作過程和測量技巧，直觀形象地展現出來，增強學生的感性認識。這既能讓學生充分了解未來的工作環境和軸線投測的工作過程，又是信息化教學手段的大膽創新。

（一）三維模型在課堂教學中的應用

所建模型不僅形象直觀、界面清晰，而且應用起來相當簡單、方便。專業教師在工程測量課程教學時可以輕松地使用。

打開軸線投測三維教學模型，進入AutoCAD繪圖界面。轉動鼠標滑輪即可對模型進行實時縮放，按住鼠標滑輪也能拖曳圖形，這樣就能對軸線投測過程有一個全局了解和細部觀察。

如果要進一步掌握三維虛擬化測量教學，教師可以用鼠標輕輕點擊CAD“視圖”菜單中的動態觀察命令、三維視圖命令等命令，即可身臨其境，不斷地感覺到建筑施工場地的虛擬變化和測量工作的進展狀況。通過控制模型之間的相互轉化，游刃有余地講解高層建筑物定位放線過程、軸線投測方法。

（二）學生自主訓練

軸線投測三維教學模型給學生自主訓練提供了良好的操控平臺。在局域電子教室，通過不同的視覺轉換，學生可以從任意角度觀察軸線投測效果，實現了從二維到三維、從形面到立體、從局部到整體的直觀體驗。當投測過程有錯誤時，可以通過模型的三視圖發現并糾正。學生能夠真真切切地體會到建筑物軸線投測的實施過程和投測精度約束辦法，從而可以提供給學生形象思維能力和測量技能，強化了學習的知識點和技能點，便于學生專項能力的培養。

目前，使用CAD三維建模技術開展工程測量課程教學的案例幾乎沒有，實際上這種虛擬化教學方式能夠極大地化解工程測量課程理論教學中遇到的難題，同時也是現場實訓教學中很好的補充手段。

CAD三維建模教學情境設計，理念先進、構思獨特，讓學生在虛擬仿真的測量工作情境中訓練，提高了學生的學習興趣，激發了他們的學習熱情，增強了適應崗位的職業能力。

參考文獻：

[1]中華人民共和國建設部.GB50026-2007工程測量規范[S].北京：中國計劃出版社，2008：80-89.

[2]嚴希清，陳紅艷.基于工作過程的“教學做”一體化教學模式探索與實踐[J].職業教育研究，2009（4）：149-150.

[3]崔洪斌.AutoCAD 2012實用教程[M].北京：人民郵電出版社，2011：286-364.

[4]王軍德.工程測量[M].鄭州：黃河水利出版社，2010.