CAD三維建模在水利工程制圖教學中的應用初探

朱珠　陳超　許麗

[摘 要]該研究結合水利工程制圖課程特點，針對水利工程專業學生在工程制圖課程學習過程中圖學意識薄弱，空間想象力和空間思維能力差的問題，將CAD三維建模應用于水利工程制圖教學中，旨在幫助學生實現水利工程制圖學習中“平面—空間—平面”思維過程的轉換，提高其空間想象力、繪圖能力及教師教學效果。

[關鍵詞]水利工程制圖;CAD;組合體視圖;能力培養

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）04-0081-03

水利工程制圖是水利水電建筑工程、水利工程、工程測量技術等水利工程類專業的一門專業基礎課[1]。這門研究繪制和閱讀工程圖樣的理論和方法的圖學課程，其開設的主要目的在于引導學生掌握制圖標準和投影法的基本理論以及繪圖技能和讀圖能力，養成細致嚴謹的工作作風，提高空間思維能力和分析解決問題的能力。水利工程專業的畢業生大都從事設計和施工工作。設計人員通過勘測、構思和計算將三維工程形體按照投影原理畫在二維的平面上，而施工人員則通過將二維的圖形想象出三維立體后在實地上施工。學生通過水利工程制圖課程的學習，為水工建筑物設計與施工等專業課程的學習奠定基礎，并在其畢業后的工作中發揮必要的支撐作用[2]。學生在課程學習過程中普遍認為雖然學習了投影知識和理論，但不能將投影特性在題目中加以靈活運用，尤其是缺乏空間思維能力，很難想象出立體的三維效果，從而影響其學習興趣和學習效果。筆者結合多年教學經驗，不斷探索輔助學生提高空間構型能力的方法，認為將CAD三維建模融入工程制圖教學中能夠較好地幫助學生讀圖并完成學習的“平面—空間—平面”思維過程的轉換[3]。本文以水利工程制圖中組合體視圖章節中的涵洞三視圖為例，說明如何利用CAD三維建模繪制涵洞的立體模型。

一、工程形體識讀的基本知識、方法和步驟

將二維圖形想象出三維空間立體稱為讀圖。而讀圖首先要掌握的基本知識是投影的三等對應關系“主視圖與俯視圖長對正、主視圖與左視圖高平齊、俯視圖與左視圖寬相等”以及點、線、面、體的投影特性。工程形體組合形式的不同讀圖分析方法有所區別：當形體由若干基本形體組合形成，讀圖方法為形體分析法，即將視圖分成若干個線框，逐個分析，一個封閉線框看作一個基本形體的投影，按照投影關系找出其他兩個視圖中與其對應的兩個線框，抓住形狀特征投影，將三個線框聯系起來想象該形體的形狀，再分析各個形體的組合方式、表面連接方式和相對位置，抓住位置特征投影，綜合起來想象出組合體整體形狀的方法;當形體是在基本形體上切割而成，讀圖方法為線面分析法，即分析基本體是由哪些面切割而成，或切割掉幾個基本立體，根據特殊位置平面投影特性，綜合想象立體的方法[2]。讀圖的步驟：（1）看視圖，抓特征，分線框。（2）按投影，對形體。（3）綜合起來想形體。如圖1，根據涵洞的三視圖，通過形體分析可知，該涵洞為左右對稱結構，根據投影分線框分解成上、中、下三個部分。一般由下向上分析，下部底板部分的主視圖是其形狀特征投影圖，結合三視圖為一個垂直于正立投影面的八棱柱;中間洞身部分的俯視圖和左視圖是其位置特征投影圖，與底板后面共面同軸對稱疊加，為在四棱臺穿孔一個半圓柱與四棱柱的形體;上面立板部分的左視圖是其形狀和位置特征投影，三個基本體均在后面共面疊加，為一垂直于側立投影面的五棱柱。

二、CAD三維建模

通過讀圖方法分析，想象出組合體的空間形狀，再通過CAD三維建模思路更加清晰和開闊。建模過程適用于所有版本的CAD軟件。如圖1所示，先新建一個涵洞三維模型.dwg文件，窗口垂直平鋪兩個文件，能夠對照三視圖建模，建模過程一般是1[∶]1建模。三視圖繪制比例為1[∶]50。

（1）1[∶]1比例繪圖。在涵洞.dwg文件中將圖形縮放比例因子50，主單位比例因子設置為1，將除粗實線和虛線以外的圖層全部鎖定。

（2）設置繪圖環境。切換到涵洞三維模型.dwg文件，設置圖形界限（10000，10000）。先建立底板的三維模型，由于底板的主視圖為其特征投影，將視圖選擇前視，在菜單欄設置三維視圖或在ViewCube圖標上設置。

（3）粘貼特征視圖，底板三維建模。切換到涵洞.dwg文件，將底板的主視圖用“Ctrl+C”和“Ctrl+V”快捷鍵復制到涵洞三維模型.dwg文件;然后用邊界或者面域命令將底板圖線組合成整體，再將視圖切換到西南等軸測，調用拉伸命令或在命令行輸入“ext”，選中底板向前拉伸2300。這時模型為線框模型，如圖2，設置概念模型，能夠體現出較強立體感。

（4）粘貼特征視圖，洞身三維建模。轉換線框模型;洞身主視圖為特征投影，將三維視圖切換到前視，將洞身主視圖粘貼到涵洞三維模型.dwg文件;調用面域命令將其組合成整體;將洞身主視圖移動到底板主視圖正上方，設置視圖為西南等軸測，調用拉伸命令，將洞身向前拉伸1800，如圖3;由于洞身是一個棱臺穿孔而得，需要用一個側垂面切割，將視圖切換到左視，按照尺寸畫輔助線，調用剖切命令或在命令行輸入“sl”，如圖4;剖切掉前面部分;切換視圖為西南等軸測，轉換到概念模型，呈現立體狀。

（5）粘貼特征視圖，立板三維建模。切換到線框模型，三維視圖切換到左視，將立板的左視圖粘貼到涵洞三維模型.dwg文件，調用面域命令，將其組合成整體;調用移動命令，將立板移動到洞身上方;將三維視圖切換到西南等軸測，調用拉伸命令，將立板拉伸至與洞身上底面同長度;切換至概念模型，涵洞三維立體完成;如圖5，調用合并命令（union）將三個立體合為整體;調用受約束的動態觀察，拖動鼠標旋轉，能夠從各個方向觀察立體。如想要增強對比度，將每個基本體設置不同顏色并選中立體設置即可。調用視圖中的渲染命令可以修改立體的材質以及背景顏色，使立體更符合實際。

CAD三維構形思想的核心是基于二維視圖生成三維立體，在建模過程中要善于分析特征投影，在拉伸形體時必須調用面域命令使之成為整體。將傳統制圖教學與三維CAD構形有效結合起來是制圖學習行之有效的方法。引導學生掌握CAD三維建模的方法，能夠使難以想象的三維構形更加直觀，教學內容深入淺出，從而有利于提高學生的學習興趣和教師的教學效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 陳靜.水利工程專業工程制圖課程教學改革探討[J].科教文匯（上旬），2012（7）：52-53.

[2] 龐璐，沈蓓蓓，李熾嵐.水利工程制圖[M].3版.北京：中國水利水電出版社，2017.

[3] 張京英，羅會甫，張彤，等.三維造型設計與工程圖學的有效融合[J].工程圖學學報，2010（6）： 151-154.

[責任編輯：龐丹丹]