用OpenSCAD構建校園建筑模型

陳俊廷

引言

在溫州中學學習生活了三年，畢業了免不了懷念。圖1是母校的標志性建筑——行政樓，別有一番氣勢。在溫州中學學習期間，我經常泡在創客空間，也接觸到很多3D打印的相關知識。畢業之際萌發了做一個學校標志性建筑模型的想法，以紀念自己難忘的高中時光，同時感謝母校為我提供了廣闊的舞臺。

建模準備階段

我最早接觸使用的3D建模軟件是Google SketchUp，類似SketchUp這類建模軟件的建模主要基于畫線成面，而后擠壓成型建立三維模型。因此它的操作就像我們使用鉛筆在圖紙上作圖一般，SketchUp軟件本身能自動識別這些線條并加以自動捕捉。這類3D建模軟件的優點就是交互式操作，效果直觀簡單。后來，我還在選修課上學習了OpenSCAD立體建模軟件，這門課是一位數學老師教的。

OpenSCAD是一款用于創建立體三維CAD對象的免費開源軟件。OpenSCAD軟件的建模是在腳本文件中描述對象，用腳本語言進行3D編譯并呈現3D模型，用戶可以在建模的過程中輕松地更改任何步驟，甚至設計所定義的配置參數。軟件的建模操作包括兩方面：一方面是利用OpenSCAD中模型的基礎組件語句，如方形、圓柱等，配置指定參數軟件轉換成對應的3D視覺模型，而不是數據模型；另一方面是利用OpenSCAD的功能語句，進行模型移動、組合、聯合、區分、交集、鏡像等操作。

但由于OpenSCAD偏于程式、參數化方面，而我又對自己的編程語言沒有足夠的信心，所以3D建模往往會選擇交互式建模軟件SketchUp。但是，在這棟樓的建模過程中，我發現大樓的建筑結構有許多重復之處，在SketchUp中操作顯得太過繁瑣，重復性的操作太多。想到OpenSCAD建模軟件的代碼建模能夠徹底解決我的困擾，不僅修改方便，并且能夠通過計算構建精確的大樓模型，于是決定選擇OpenSCAD這位久違的“老朋友”。

使用OpenSCAD建模需要提前進行計算，構思好每一個點的位置，規劃好每一個部分的大小。于是，我畫了一個行政樓的三視圖草圖，這個草圖對之后的計算很有幫助，讓建模過程也變得十分流暢。我畫的正視圖（如圖2）中包括三維空間的X軸和Z軸。在正視圖中，每一個點都標了相對應的坐標，這使得原本抽象的計算顯得比較直觀。在這個過程中，我主要選擇了原圖中比較容易實現的部分，對一些建模難以實現的部分做了相應簡化。而且鑒于學校的3D打印機只有單色打印的功能，所以忽略了顏色參數的相關設置。俗話說，磨刀不誤砍柴工。建模前期的畫圖工作不僅沒有浪費時間，反而加快了我后續的建模進程，使得建模能夠事半功倍。

建模過程

根據前期的構思，我選擇從行政樓最主體的部分開始建模。行政樓主體首先是采用一個長方體去除中部的大門部分。在OpenSCAD的建模語言中，這部分首先需要用到的是長方體語句——cube（[width，height，depth]），即設置相應的長寬高作長方體。大門部分采用差集語句——difference（），即由第一個多面體去除第一個以外的多面體。相關坐標點定位和移動用的是translate（[x，y，z]），即設置相應的向量參數進行模型的移動。使用OpenSCAD時特別需要注意的是cube語句的后面是帶有分號的，而translate則不需要。這也是我剛開始沒注意而常犯的錯誤。

行政樓主體部分的建模語言如下：

difference（） //由第一個多面體，減去除第一個以外的多面體

{

translate（[-15，-15，-2]） //依照[-15，-15，-2]向量進行平移

cube（[30，45，2]）； //以30，45，2作為長寬高作長方體

translate（[-0.5，2，-0.8]） //依照[-0.5，2，-0.8]向量進行平移

cube（[1，30，0.9]）； //以1，30，0.9作為長寬高作長方體

}

行政樓主體部分建模結束之后，接下來的工作就是在原有的基礎上一點一點增加細節。在這一過程中，還需要用到OpenSCAD中的并集語句——union（），即多個多面體的總和是或運算；交集語句——intersection（），即得出多個多面體相交的部分，是與運算。模型部分還用到了柱體語句——cylinder（h，r1，r2，center），多面體語句——polyhedron（points，triangles，convexity），球體語句——sphere（radius）等。從上述部分我們也可以發現OpenSCAD的建模語言其實還是比較簡單的，大部分和英語單詞的意思相對應，理解起來十分容易。

行政樓主體部分完成之后的工作就是添加許多細節，包括窗戶、水池、樹等。當然樹的模型進行了一定的簡化，用的是兩個柱體的組合。程序語言如下：

union（） //多個多面體的總和（或運算）

{

translate（[2.5，2，0]） //依照[2.5，2，0]向量進行平移

cylinder（h=1.5，r1=0.15，r2=0.05，$fs=10）； //以1.5作高，0.15，0.05分別為上下圓半徑作圓錐體，$fs是毫米表示角，表示周長除以數值，單位是毫米

translate（[2.5，2，1]） //依照[2.5，2，1]向量進行平移

cylinder（h=1，r1=0.4，r2=0，$fs=10）； //以1作高，0.4，0分別為上下圓半徑作圓錐體

}

樹的效果如圖3所示。

遇到的問題

1.行政樓頂的曲線

行政樓房頂有較大弧度的曲線（如圖4）。曲線在3D建模中一直是一個比較難處理的部分。我在SketchUp中采用的方案是利用一個圓斜截一個圓錐從而得到拋物線，再通過相應操作進行調整找到需要的弧度。但在利用OpenSCAD腳本語言建模的過程中，雖然也可以用CSG模型解決曲線的問題，但涉及的運算卻是我沒有學過的，因此，行政樓房頂的曲線弧度只能用長方體替代。

2.效果圖顯示部分

從下頁圖5的代碼輸入界面中可以看出，行政樓中間的大門和樓頂兩個長方形凹槽部分應該是被打通的。然而在效果圖顯示時，從不同的角度查看，卻有一層綠色的圖層若隱若現，時有時無，讓我比較困擾。參考OpenSCAD中自帶范例的效果圖顯示，以及咨詢老師，發現他們都沒有遇到過這種情況，效果圖顯示打通了就是顯示空白了。老師建議嘗試修改相關參數，發現只要將對應的參數稍微加大，讓其處于完全貫穿狀態，而不是恰好打通，效果圖中就不會出現這一綠色圖層。所以建議在設置OpenSCAD代碼參數時需要根據具體情況做相應計算，參數設置要合理，否則可能會影響之后的建模及效果圖呈現。圖6是修改后的代碼參數及效果圖。

3.行政樓房間

行政樓中的房間這些大量重復性的建模我采用最基礎的方法，就是在OpenSCAD中復制相應代碼，改變部分參數，操作非常便捷。其實OpenSCAD中循環語句可以更好地解決這個重復性操作的問題，在軟件的很多example中也采用了循環的方法。但是由于我對循環語句并不能嫻熟應用，只好采用復制粘貼再修改的笨辦法。但即便沒有采用循環語句，我覺得這也遠比在互動式建模軟件中大量的重復操作要快捷許多。

結束語

在OpenSCAD建模軟件的學習中，我的收獲還是很大的，不僅學會了這款免費開源的建模軟件，而且自己面對陌生事物的心態有了改變，很多事情只有著手之后才會發現遠沒有你想象的困難。

3D建模能給我帶來快樂，看著自己的想法一點點變成現實，二維的行政樓平面照片變成三維的立體模型，一種成就感油然而生，這應該也是創客動手制作的最大動力來源吧！雖然對于OpenSCAD的建模操作我只能算入門，但相信會慢慢熟練。同時，我也會去接觸和學習其他的建模軟件，因為我覺得3D打印的學習是一件充滿樂趣的事情。希望自己能從中收獲更多，也希望和大家一起交流有關OpenSCAD這款軟件的建模心得以及有關3D打印的學習體會。最后附上溫州中學行政樓模型效果圖（如圖7～圖9）。

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