CAD三維虛擬技術(shù)在工程測量教學(xué)中的應(yīng)用

[摘 要] 利用AutoCAD三維技術(shù)設(shè)計(jì)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(xué)模型與現(xiàn)場施工測量高度吻合。采用CAD三維建模技術(shù)進(jìn)行工程測量虛擬化教學(xué)，方法新穎、模擬真實(shí)，切實(shí)解決了“看不見、進(jìn)不去、安全與生產(chǎn)”造成高層建筑測量實(shí)習(xí)帶來的困難，為工程測量課程教學(xué)創(chuàng)造了良好的虛擬實(shí)訓(xùn)條件。

[關(guān) 鍵 詞] 信息化教學(xué)；建筑物軸線投測；CAD三維模型；虛擬化教學(xué)

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

使用CAD三維技術(shù)進(jìn)行工程測量課程教學(xué)，可以改變?nèi)藗兊乃季S方式和行為習(xí)慣，更新傳統(tǒng)職業(yè)教育的教學(xué)手段，展示了特別的、新穎的教學(xué)方法，能夠把抽象的、平面的教學(xué)內(nèi)容變得立體，把單維變成多維。學(xué)生能夠在三維場景中進(jìn)行可視化操作，在體驗(yàn)中學(xué)習(xí)，真正解決了“看不見、進(jìn)不去、安全與生產(chǎn)”所帶來的實(shí)習(xí)問題，創(chuàng)新了教學(xué)模式，優(yōu)化了教學(xué)過程，提高了教學(xué)質(zhì)量。

一、三維教學(xué)模型建立

（一）課程教學(xué)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(biāo)高的要求都十分嚴(yán)格 [1]。但是，由于高層建筑工程量大、機(jī)械化程度高、各工種立體交叉、施工組織嚴(yán)密，學(xué)生很難在施工現(xiàn)場進(jìn)行測量實(shí)訓(xùn)。為確保學(xué)生學(xué)好施工測量的教學(xué)內(nèi)容，利用CAD三維技術(shù)開發(fā)了高層建筑物軸線投測空間教學(xué)模型，展示了工程測量三維教學(xué)情境。學(xué)生可以進(jìn)行虛擬化仿真演練，通過電腦就能“身臨其境”地學(xué)習(xí)工程測量的操作方法。

（二）三維教學(xué)模型建立方法

三維虛擬教學(xué)模型設(shè)計(jì)是基于工程測量課程的教學(xué)需要，在進(jìn)行充分地學(xué)情分析和工程測量崗位能力研究的基礎(chǔ)上，按照工程測量員崗位任職要求，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，根據(jù)工程測量崗位工作流程模擬開發(fā)的。目的是為了營造真實(shí)的現(xiàn)場工作情境，便于學(xué)生模擬建筑物定位、放線、軸線投測的工作氛圍，達(dá)到仿真環(huán)境、仿真工作，“教學(xué)做”一體的教學(xué)效果” [2]。

1.測量儀器模型建立

執(zhí)行AutoCAD“格式”菜單中的圖形界限、繪圖單位、圖層等圖形設(shè)置命令，創(chuàng)建圖形繪制樣板。

使用長方體、圓柱體、拉伸等實(shí)體繪圖命令繪制出測量儀器和測量覘標(biāo)的基本形體 [3]。靈活運(yùn)用三維旋轉(zhuǎn)、三維對齊等操作命令，布爾運(yùn)算等實(shí)體編輯命令，“工具”菜單里的坐標(biāo)命令，對測量儀器、測量覘標(biāo)的基本形體和建模的相關(guān)用圖進(jìn)行細(xì)致的修改，經(jīng)“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(zhí)行矩形、二維多段線、圖案填充等基本繪圖命令，創(chuàng)建簡單的施工場景和相關(guān)圖形。利用長方體命令，三維陣列、復(fù)制、拉伸面等命令在建筑場地上構(gòu)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(jù)設(shè)計(jì)條件，把建筑物四周外廓主要軸線的定位點(diǎn)測設(shè)到地面上，作為建筑物細(xì)部軸線放線和基礎(chǔ)放線的依據(jù) [4]。

使用創(chuàng)建塊、插入塊命令把已建好的全站儀模型、覘標(biāo)模型布置到建筑場地中。執(zhí)行三維多段線命令，根據(jù)定位點(diǎn)、測站點(diǎn)和后視點(diǎn)，制作建筑物定位訓(xùn)練模型。

（2）建筑物放線模型

建筑物放線是指根據(jù)施工現(xiàn)場測設(shè)的建筑物定位點(diǎn)，詳細(xì)地測設(shè)建筑物內(nèi)部各軸線交點(diǎn)的位置，并將其延長到安全的地方做好標(biāo)記。

在建筑物定位訓(xùn)練模型中，使用復(fù)制、鏡像等命令制作建筑物放線訓(xùn)練模型。

4.建筑物基礎(chǔ)施工模型建立

在軸線一側(cè)的控制樁上架設(shè)全站儀，在另一側(cè)軸線控制樁上架設(shè)棱鏡作后視，利用全站儀視準(zhǔn)方向向坑槽內(nèi)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(biāo)記，坑槽內(nèi)兩邊的標(biāo)記相連即為坑內(nèi)軸線方向，由此便可指導(dǎo)基礎(chǔ)施工測量。

當(dāng)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(cè)，作好投測標(biāo)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(chǔ)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(shè)全站儀，照準(zhǔn)基礎(chǔ)層投測標(biāo)記，利用全站儀的視準(zhǔn)方向，向上層投測建筑軸線并做標(biāo)記。同一方向投測標(biāo)記相連，即為該層的軸線方向，經(jīng)檢測符合要求后，以此再往上施工。上層軸線投測訓(xùn)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(jìn)行高層建筑軸線投測。根據(jù)建筑物輪廓布置，使用全站儀在建筑物內(nèi)部建立矩形控制網(wǎng)，并確定內(nèi)控網(wǎng)與建筑物主要軸線的尺寸關(guān)系。

在內(nèi)控網(wǎng)交點(diǎn)上，架設(shè)鉛垂儀，向上層投測鉛垂線，工作人員在上層預(yù)留口處放置接收光靶，確定該層的投測位置。每個預(yù)留口處投測位置相連，即可得出該層內(nèi)控網(wǎng)。并通過測角、測距，對內(nèi)控網(wǎng)進(jìn)行質(zhì)量檢核，再依據(jù)基礎(chǔ)層確定的內(nèi)控網(wǎng)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(jìn)行軸線投測。當(dāng)樓層建設(shè)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(xùn)練模型如圖3所示。

二、三維教學(xué)模型應(yīng)用

為了營造真實(shí)的高層建筑軸線投測工作情境，利用仿真訓(xùn)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(xiàn)出來，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識。這既能讓學(xué)生充分了解未來的工作環(huán)境和軸線投測的工作過程，又是信息化教學(xué)手段的大膽創(chuàng)新。

（一）三維模型在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

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

打開軸線投測三維教學(xué)模型，進(jìn)入AutoCAD繪圖界面。轉(zhuǎn)動鼠標(biāo)滑輪即可對模型進(jìn)行實(shí)時縮放，按住鼠標(biāo)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(xì)部觀察。

如果要進(jìn)一步掌握三維虛擬化測量教學(xué)，教師可以用鼠標(biāo)輕輕點(diǎn)擊CAD“視圖”菜單中的動態(tài)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(jìn)展?fàn)顩r。通過控制模型之間的相互轉(zhuǎn)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(xué)生自主訓(xùn)練

軸線投測三維教學(xué)模型給學(xué)生自主訓(xùn)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(zhuǎn)換，學(xué)生可以從任意角度觀察軸線投測效果，實(shí)現(xiàn)了從二維到三維、從形面到立體、從局部到整體的直觀體驗(yàn)。當(dāng)投測過程有錯誤時，可以通過模型的三視圖發(fā)現(xiàn)并糾正。學(xué)生能夠真真切切地體會到建筑物軸線投測的實(shí)施過程和投測精度約束辦法，從而可以提供給學(xué)生形象思維能力和測量技能，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)和技能點(diǎn)，便于學(xué)生專項(xiàng)能力的培養(yǎng)。

目前，使用CAD三維建模技術(shù)開展工程測量課程教學(xué)的案例幾乎沒有，實(shí)際上這種虛擬化教學(xué)方式能夠極大地化解工程測量課程理論教學(xué)中遇到的難題，同時也是現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)教學(xué)中很好的補(bǔ)充手段。

CAD三維建模教學(xué)情境設(shè)計(jì)，理念先進(jìn)、構(gòu)思獨(dú)特，讓學(xué)生在虛擬仿真的測量工作情境中訓(xùn)練，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)了適應(yīng)崗位的職業(yè)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB50026-2007工程測量規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2008：80-89.

[2]嚴(yán)希清，陳紅艷.基于工作過程的“教學(xué)做”一體化教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J].職業(yè)教育研究，2009（4）：149-150.

[3]崔洪斌.AutoCAD 2012實(shí)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.