三維設(shè)計(jì)在水利水電工程專業(yè)教學(xué)中的思想改革探討

人在設(shè)計(jì)時(shí)的原始沖動是三維的，設(shè)計(jì)成果是有顏色、形狀、材料、尺寸、位置、復(fù)雜運(yùn)動關(guān)系等關(guān)聯(lián)概念的三維實(shí)體。但傳統(tǒng)的水電行業(yè)設(shè)計(jì)工作是從三維到二維，再從二維到三維的過程，這種設(shè)計(jì)方式對設(shè)計(jì)工程師和施工者都提出了一定的要求：設(shè)計(jì)者將原始的三維設(shè)計(jì)概念和思想抽象成相關(guān)聯(lián)的平面三向視圖并以二維平面圖的形式來展示，這種設(shè)計(jì)方式往往難以完全表達(dá)設(shè)計(jì)者的原始設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)差錯和缺漏。這種三維到二維的設(shè)計(jì)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(jìn)行施工，設(shè)計(jì)者和施工者之間表達(dá)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(jīng)過專門訓(xùn)練的人來進(jìn)行。而三維設(shè)計(jì)則可以完全避免這種“三維——二維——三維”的繁冗過程。根據(jù)三維設(shè)計(jì)概念直接進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，從而輸出的三維設(shè)計(jì)成果可以非常直觀和完整得表達(dá)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思想。只有三維設(shè)計(jì)才能完成思維過程與設(shè)計(jì)過程的統(tǒng)一，才是真正意義上的CAD。

對于初學(xué)者本科生而言，既沒有一定的設(shè)計(jì)思想，也沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，他們只能靠老師的講解和自己的大腦進(jìn)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(shè)計(jì)思想也很難形成，從而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中無法提高興趣。對于工科本科生來說，CAD教學(xué)的目標(biāo)不僅要使學(xué)生學(xué)會看圖，還要學(xué)會作圖，從而提高其應(yīng)用能力。

一、二維設(shè)計(jì)的弊端

傳統(tǒng)的CAD教學(xué)模式是在基于二維投影及表達(dá)的層次上進(jìn)行的，無論是手工繪圖還是計(jì)算機(jī)繪圖都是以投影方式繪出的二維圖形。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，只能通過零部件各個視圖來表現(xiàn)其結(jié)構(gòu)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(shí)對比各個視圖，從三維的概念建立不同視圖之間的聯(lián)系，從而確定結(jié)構(gòu)的三維特征。這就要求識圖者要有一定的經(jīng)驗(yàn)知識。

對于學(xué)生而言，由于無法建立實(shí)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(zhuǎn)變非常困難。以往教師的教學(xué)手段主要是依靠模型或者形體的軸測圖，這樣不但花費(fèi)大量的課堂時(shí)間，大大降低了課堂容量，而且不是太真切、形象。所以，教學(xué)效果不是太理想。因此，大部分同學(xué)將CAD課程作為一門計(jì)算機(jī)操作課來應(yīng)付，也就失去了對課程的學(xué)習(xí)興趣。因而，教師很難調(diào)動他們的學(xué)習(xí)積極性，更談不上培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程中，原始構(gòu)思是三維實(shí)體形象，實(shí)施的結(jié)果是三維實(shí)體，而將這兩者聯(lián)系在一起的設(shè)計(jì)過程卻是二維圖形表達(dá)，這樣無形中就增加了一個復(fù)雜的環(huán)節(jié)，而且對于學(xué)生而言，這個環(huán)節(jié)往往是最難實(shí)現(xiàn)的過程，只有經(jīng)過專門的訓(xùn)練才能掌握這種表達(dá)和讀圖的方法。

二、三維設(shè)計(jì)教學(xué)體系

1.以三維實(shí)體造型提高學(xué)生空間把握能力

結(jié)合三維CAD設(shè)計(jì)軟件，將三維實(shí)體造型概念引入教學(xué)，以三維實(shí)體設(shè)計(jì)為主線，三維實(shí)體表達(dá)方法和三維工程圖表達(dá)方法并重，加強(qiáng)三維形體的想象、構(gòu)形、分析，表達(dá)能力及三維形體和二維圖樣相瓦轉(zhuǎn)化的能力的培養(yǎng)。

作為初學(xué)者的學(xué)生，沒有實(shí)踐的鍛煉，頭腦中的立體概念比較少。因而，在投影理論的學(xué)習(xí)中會感到吃力，往往想象不出實(shí)體的形狀。針對這種情況，在教學(xué)過程中，直接從“體”入手，強(qiáng)化學(xué)生對空間實(shí)體的理解與把握，建立其空間感覺，訓(xùn)練學(xué)生的空間想象能力。

首先，在CIVIL3D中進(jìn)行各種基本體的建模訓(xùn)練。讓學(xué)生在三維環(huán)境下，從不同角度觀察各種基本的形態(tài)特征。通過實(shí)體的繪制與觀察，加強(qiáng)學(xué)生的立體概念。學(xué)生在觀看實(shí)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(qiáng)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(xùn)練，使學(xué)生對空間有個初步的了解，掌握各種基本的空間形態(tài)特征，及其線而情況。

其次，在CIVIL3D中進(jìn)行組合體的模型訓(xùn)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(xùn)練，以包含不同的制圖知識進(jìn)行講解，將深奧的理論融入實(shí)體繪制過程當(dāng)中。

2.三維到二維投影方法

在學(xué)生對三維實(shí)體有了良好的空間感覺以后，我們反過來由“體”抽取點(diǎn)、線，面來講授投影原理、方法及投影規(guī)律。通過以上的講授與訓(xùn)練，基本體的空間形象在學(xué)生頭腦中已是十分明朗。這時(shí)，加入必要的投影基礎(chǔ)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(diǎn)、線、面，并在相應(yīng)視圖找出相應(yīng)的投影，以訓(xùn)練點(diǎn)，線、面的投影規(guī)律以及獲得點(diǎn)、線、面的投影的方法。由“體”出發(fā)分析體、面，線、點(diǎn)的投影及表達(dá)方法，直觀性強(qiáng)、便于理解、記憶，有利于增強(qiáng)空間思維能力和構(gòu)形能力的培養(yǎng)。在此基礎(chǔ)上，利用形體分析法和線面分析法綜合訓(xùn)練組合體的投影，以及投影和實(shí)體之間的相互轉(zhuǎn)化。

3.三維建模貫穿始終

以三維設(shè)計(jì)軟件AUTOCIVIL3D為平臺，實(shí)現(xiàn)基本表達(dá)方案、結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及裝配圖等內(nèi)容的講授。在實(shí)體建模的過程中，學(xué)生必須充分了解建筑物的各個構(gòu)件之間的相互關(guān)系，充分掌握結(jié)構(gòu)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(gòu)件的幾何布爾運(yùn)算建立三維模型。根據(jù)建立的三維模型轉(zhuǎn)換成工程圖樣，通過相應(yīng)的三維標(biāo)注方式，形成符合國標(biāo)、表達(dá)準(zhǔn)確而規(guī)范的圖樣，直接以三維工程圖表現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征。引入三維實(shí)體造型概念，對培養(yǎng)，發(fā)展和提高學(xué)生的牢間想象能力、讀圖能力及表達(dá)能力，有著傳統(tǒng)教學(xué)方法無法比擬的強(qiáng)大的輔助功能。

三、水利水電工程專業(yè)三維設(shè)計(jì)教學(xué)培養(yǎng)

1.設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

樞紐布置設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)即根據(jù)流域水文氣象資料和工程地質(zhì)條件等，針對各壩線來進(jìn)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(jìn)行更為詳細(xì)的設(shè)計(jì)。三維設(shè)計(jì)下多方案的搜索以信息化工程設(shè)計(jì)及管理的理念為依托，通過引入知識庫體系來實(shí)現(xiàn)樞紐布置多方案的初擬定。結(jié)合綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從而對各個方案進(jìn)行優(yōu)化和比選。在過去二維平面的設(shè)計(jì)方式下，樞紐布置設(shè)計(jì)工作效率不高、重復(fù)工作量大，難以實(shí)現(xiàn)真正的優(yōu)化方案，因此需要在三維設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行樞紐建筑物的空間布置和設(shè)計(jì)。在實(shí)際三維設(shè)計(jì)流程中，一方面必須能夠順利讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括原始地形勘測數(shù)據(jù)和地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)），從而建立有效的三維地形、地質(zhì)工程模型，為結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)提供可靠的地質(zhì)資料；另一方面需要在考慮水力學(xué)和力學(xué)結(jié)構(gòu)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(chǔ)上進(jìn)行三維開挖和填筑設(shè)計(jì)及樞紐布置方案的研究、優(yōu)化，同時(shí)也進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)和水力分析計(jì)算、工程量統(tǒng)計(jì)、二維平面圖紙輸出等。

2.三維設(shè)計(jì)能力技術(shù)的培養(yǎng)和強(qiáng)化

在教師講課過程，首先以實(shí)物模型的型式向?qū)W生展示水工建筑物的結(jié)構(gòu)形式，使學(xué)生對建筑物有一定的基本認(rèn)識，然后以實(shí)物模型為例，構(gòu)建三維模型，直觀易懂，可創(chuàng)造一種新穎愉快的學(xué)習(xí)氛圍。引起學(xué)生的無意注意，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮其主觀能動性，從而發(fā)展學(xué)生的有意注意，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)意構(gòu)型設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮學(xué)生的潛能，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造力。

由于水工建筑物形式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在教學(xué)過程可先建立各種建筑物的組成構(gòu)件的三維模型，再組合各種復(fù)雜的建筑物，即由簡單構(gòu)件到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配過程，在裝配的過程中使學(xué)生認(rèn)識結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)形式，以及建筑物的空間形式是如何表現(xiàn)的。同時(shí)，各零部件的裝配關(guān)系是否合理，有無干涉等問題也可以通過三維的形式表現(xiàn)出來。

三維設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)者的思維習(xí)慣，可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者想象力和創(chuàng)造力。解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程繪圖的問題，重要的是三維CAD技術(shù)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、動態(tài)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.工程三維布置

結(jié)合水電樞紐工程的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了樞紐布置的整體三維設(shè)計(jì)流程，包含多種樞紐布置方案的三維設(shè)計(jì)、方案比選和優(yōu)化、三維設(shè)計(jì)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(chǔ)理論是基于碰撞干涉檢測的三維裝配技術(shù)。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(guān)系，并完成相應(yīng)三維地質(zhì)開挖，具體方法為：確定樞紐布置方案；根據(jù)水文、地質(zhì)、開挖邊坡等條件確定樞紐開挖方案，并進(jìn)行樞紐三維開挖，完成工程量統(tǒng)計(jì)，與此同時(shí)進(jìn)行樞紐典型建筑物三維構(gòu)形；確定開挖地質(zhì)模型與建筑物的控制點(diǎn)坐標(biāo)，利用控制點(diǎn)坐標(biāo)匹配，完成樞紐建筑物空間位置關(guān)系的確立；由于開挖及各個建筑物設(shè)計(jì)是由不同專業(yè)及部門完成，交叉設(shè)計(jì)必然帶來一定的錯誤，因此，對典型建筑物及開挖地質(zhì)模型間進(jìn)行碰撞干涉檢查，來完成開挖設(shè)計(jì)及樞紐建筑物設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)，最終確定樞紐布置的正確位置關(guān)系，進(jìn)而完成樞紐建筑物的三維布置工作。進(jìn)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(zhǔn)確的工程量平衡方案，并能夠在此基礎(chǔ)上直觀地完成環(huán)境評價(jià)、施工組織設(shè)計(jì)等工作。

4.三維到二維轉(zhuǎn)化

在掌握了組合體的三維造型之后即可進(jìn)入工程制圖模塊的學(xué)習(xí)，這時(shí)要教會學(xué)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(xué)模式。在以后的教學(xué)內(nèi)容中，如構(gòu)件的表達(dá)方法、標(biāo)準(zhǔn)件與常用件、構(gòu)件與裝配均可按照“三維造型——二維投影”的模式實(shí)施同步教學(xué)。

采用新的教學(xué)模式，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不僅學(xué)會了三維設(shè)計(jì)，而且由于虛擬模型的直觀效果，訓(xùn)練了學(xué)生的想象能力和創(chuàng)造能力。在設(shè)計(jì)時(shí)要求學(xué)生把所見的三維實(shí)體表達(dá)成二維工程圖樣，在讀圖時(shí)又從工程圖樣想象并構(gòu)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(rèn)識過程。學(xué)生的三維形象與二維圖像間的轉(zhuǎn)化能力將得到較好的開發(fā)。

四、結(jié)語

通過對水利類本科生三維設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。加強(qiáng)了學(xué)生對水利相關(guān)課程內(nèi)容的理解和掌握，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)際工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識。更加適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)和社會需求。隨著三維設(shè)計(jì)在水利行業(yè)的應(yīng)用，提高了學(xué)生就業(yè)競爭能力，有效地解決學(xué)校教學(xué)與企業(yè)需求之間的嚴(yán)重脫節(jié)，為學(xué)院培養(yǎng)水利應(yīng)用型人才提供可行性方案。

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