工程建模中的圖學(xué)美學(xué)

王環(huán)玲　鄒麗芳

[摘 要] 圖學(xué)和美學(xué)作為工程建模的重要組成部分，不僅是模型建立的基礎(chǔ)，也是提升學(xué)生審美能力的關(guān)鍵。審美情趣的提高，使學(xué)生感受到圖形美的存在，圖形美的力量會(huì)促進(jìn)學(xué)生對工程圖形建模完美程度的要求，提高圖形設(shè)計(jì)和建模能力。以工程建模中圖學(xué)和美學(xué)的一般概念為切入點(diǎn)，分別從工程制圖中的圖形美學(xué)、工程建模中的圖學(xué)美學(xué)以及融合大圖學(xué)與智能計(jì)算的智能建模圖學(xué)美學(xué)等方面，闡述了工程制圖和工程建模中圖學(xué)和美學(xué)的表現(xiàn)形式，展望了智能建模的發(fā)展前景。基于圖學(xué)美學(xué)的工程建模課程教學(xué)，提出基本要求和教學(xué)實(shí)施方式。結(jié)合圖學(xué)和美學(xué)，對新時(shí)代工程圖學(xué)和建模的教育教學(xué)進(jìn)行了思考。

[關(guān)鍵詞] 圖學(xué);美學(xué);大圖學(xué)和智能計(jì)算;工程建模

[基金項(xiàng)目] 2018—2021年國家自然科學(xué)基金資助，“高滲壓作用下巖石滲流流變力學(xué)特性的試驗(yàn)與模型研究”（11772116）

[作者簡介] 王環(huán)玲（1976—），女，甘肅慶陽人，博士，河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院教授，主要從事巖石力學(xué)與工程的教學(xué)與研究;鄒麗芳（1983—），女，江蘇無錫人，博士，河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事巖石力學(xué)與工程的教學(xué)與研究。

[中圖分類號(hào)] TP391 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）08-0052-04 [收稿日期] 2021-06-08

引言

隨著創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的快速推進(jìn)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等為代表的高新技術(shù)飛速發(fā)展，極大改變了人們的生產(chǎn)生活方式[1-3]。工程制圖作為工程建設(shè)的重要工具，正逐漸向內(nèi)容更加豐富、表現(xiàn)方式更加形象地工程建模轉(zhuǎn)型升級(jí)，比如，BIM（Building Information Modeling）是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具。BIM的核心是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的與實(shí)際情況相一致的建筑工程信息庫，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性。國家新的標(biāo)準(zhǔn)要求工程界提升工程建模的高度。

一、工程制圖中的圖形美學(xué)

新中國成立后，國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展，工程制圖需求量大，畫法幾何和工程制圖被定義為課程名稱，并成為工科院校必修的公共基礎(chǔ)課程[4]。工程制圖教學(xué)有一套嚴(yán)密的作圖規(guī)范，早期工程制圖教材具有邏輯嚴(yán)密、文字簡潔、插圖美觀的特點(diǎn)。一些教材經(jīng)過一代代制圖教師的傳承和精雕細(xì)刻，堪稱經(jīng)典[5]。工程制圖中的圖學(xué)和美學(xué)相輔相成，構(gòu)成了工程制圖的主要框架。

制圖即繪圖，手工作圖用尺規(guī)，計(jì)算機(jī)作圖用軟件，作圖亦有理論支撐。工程圖學(xué)以圖形表達(dá)為核心，以形象思維為主線，通過工程圖樣與形體建模來表達(dá)工程設(shè)計(jì)理念。

畫法幾何是工程制圖的基本圖學(xué)理論基礎(chǔ)，包含圖示和圖解兩個(gè)基本內(nèi)容。圖示通過投影在平面上表達(dá)空間形體，達(dá)到完整、精準(zhǔn)的地步。投影的核心是“降維”，畫法幾何中三視圖就是在投影平面上表示空間物體，降維處理空間問題。圖解通過截切、剖切等非數(shù)學(xué)化手段去求解空間幾何問題[5]。

三視圖體系表達(dá)清晰，作圖方便，但難以表現(xiàn)物體的空間特點(diǎn)，這種情況下，基于軸測投影理論的軸測投影圖很好地填補(bǔ)了這一不足。軸測投影圖具有較好的空間效果，可以作為三視圖體系的輔助，從而更加準(zhǔn)確地表達(dá)物體的空間特點(diǎn)。

工程制圖中體現(xiàn)出了線型之美，線型選擇對表現(xiàn)物體的特點(diǎn)意義重大。重要的線型用粗線，次重要的用中線，次要的線型用細(xì)線，并且不同的線型線寬具有不同的含義，不同類型工程圖的線型根據(jù)物體的實(shí)際特點(diǎn)以及繪圖規(guī)范確定。比如：粗實(shí)線代表可見輪廓線等;細(xì)實(shí)線代表尺寸線、剖面線、輔助線等;虛線代表不可見的線，點(diǎn)畫線代表對稱線、中心線[6];等。這樣一來一張圖就展現(xiàn)出重點(diǎn)突出，層次分明之美。與傳統(tǒng)美術(shù)具有某種意義上的統(tǒng)一性[7]。

在工程制圖的應(yīng)用過程中，逐漸形成了以規(guī)范美、對稱美、線條美、布局美、變化美、奇異美為主體的工程制圖美學(xué)內(nèi)涵[8，9]。其實(shí)，工程圖樣作為設(shè)計(jì)與制造中工程與產(chǎn)品信息的載體，還體現(xiàn)了簡潔之美、技術(shù)之美和科學(xué)之美以及功能之美，如圖1、圖2所示。圖1為渡槽的手繪三視圖表達(dá)，圖中按照規(guī)范要求有不同的線型和線寬，雖是手工作圖，依然可以看出按照規(guī)范要求畫出來的圖形的線條流暢和層次分明之美。圖2為渡槽的軸測圖，相比之下，軸測圖的立體感強(qiáng)，補(bǔ)充了三視圖平面表達(dá)的欠缺，兩者結(jié)合起來可以更加完美展示物體的圖形之美。

二、工程建模中的圖學(xué)美學(xué)

工程建模建立形體的三維模型，相比二維工程圖，三維模型多了一個(gè)維度，實(shí)際包含的信息大大增加，圖學(xué)和美學(xué)的內(nèi)涵也大大豐富。

幾何建模是工程建模過程中的最基本要求。幾何建模通過線框建模、表面建模以及實(shí)體建模等結(jié)合布爾運(yùn)算建立所需的模型，其中包含的曲面建立、曲面擠出、實(shí)體建立以及布爾運(yùn)算等是工程建模的基本圖學(xué)基礎(chǔ)。

工程圖學(xué)理論在工程建模過程中仍占據(jù)重要地位。在復(fù)雜三維模型的建立過程中，通常先繪制基本的二維工程圖，隨后進(jìn)行曲面擠出、布爾運(yùn)算等操作，使之成為三維模型，從而充分利用了二維圖形容易繪制的優(yōu)點(diǎn)。將二維圖轉(zhuǎn)化為三維模型仍是現(xiàn)階段工程建模的主要方法，工程圖學(xué)理論在工程建模中仍作為重要基礎(chǔ)，不可或缺。

除幾何建模外，點(diǎn)云逆向工程、三維激光掃描、傾斜攝影測量等同樣是工程建模的有效方法。這些建模方法將圖學(xué)理論整合在程序內(nèi)，模型通過計(jì)算機(jī)直接生成，設(shè)計(jì)人員不需要過多了解具體理論即可實(shí)現(xiàn)對模型的建立。但對于開發(fā)人員來說，如何使用圖學(xué)理論對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、重構(gòu)則是對程序不斷改進(jìn)升級(jí)的關(guān)鍵。

因工程的重要性，規(guī)范美是工程建模美學(xué)的基本內(nèi)涵。工程建模需要根據(jù)要求建立滿足不同精細(xì)度、幾何表達(dá)精度、信息深度等規(guī)范的模型，符合規(guī)范要求的模型具有一種規(guī)范美。

虛擬現(xiàn)實(shí)美是工程建模美學(xué)的重要特點(diǎn)。通過在建模過程中對形體進(jìn)行渲染，賦予材質(zhì)，增加虛擬的光照，增加所處的場景設(shè)置等，使模型接近真實(shí)世界中的實(shí)際形象，從而表現(xiàn)出一種虛擬現(xiàn)實(shí)的美感。大型工程在建設(shè)之前多需要先建立效果設(shè)計(jì)圖以展示工程的形象和規(guī)模。層次美是工程建模美學(xué)的重要因素。例如，建筑施工圖的二維表達(dá)講究由粗到細(xì)，由總平面圖到各層平面圖和立面圖及剖面圖，再到詳圖、放大圖等的應(yīng)用，層層有序展開細(xì)化。在三維建模過程中，不同的形體使用不同的材質(zhì)、圖層等進(jìn)行區(qū)分，從而使整個(gè)模型層次關(guān)系分明。

三、融合大圖學(xué)與智能計(jì)算的智能建模圖學(xué)美學(xué)

智能建模通過將設(shè)計(jì)成果進(jìn)行類比、歸納并提取不同方案中的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，形成同一框架下不同設(shè)計(jì)方案的大數(shù)據(jù)，隨后使用人工智能技術(shù)對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行大數(shù)據(jù)訓(xùn)練，建立比選后的人工智能模型。當(dāng)有新的設(shè)計(jì)需求時(shí)，在人工智能模型內(nèi)輸入相應(yīng)的參數(shù)（如模型尺寸、費(fèi)用、場地大小、應(yīng)用條件、周圍環(huán)境、美感等），便可由計(jì)算機(jī)從底層自動(dòng)建立相應(yīng)的模型。在這種情況下，蘊(yùn)含其中的圖學(xué)和美學(xué)便以不同的形式體現(xiàn)。

融合大圖學(xué)與智能計(jì)算是智能建模的重要特點(diǎn)。大圖學(xué)作為統(tǒng)一分布于計(jì)算機(jī)、地理、信息等領(lǐng)域圖學(xué)理論的重要概念，提取各學(xué)科圖學(xué)理論中最共性的問題并歸納整理[10]，不論是工程制圖中的圖學(xué)還是工程建模中的圖學(xué)均被大圖學(xué)統(tǒng)一。將大圖學(xué)與智能計(jì)算融合后，在大數(shù)據(jù)和人工智能為代表的智能計(jì)算技術(shù)支持下，基于大圖學(xué)理論基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)對大量設(shè)計(jì)成果進(jìn)行學(xué)習(xí)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求智能建立模型，實(shí)現(xiàn)智能建模。

美學(xué)算法化是智能建模中美學(xué)的重要特點(diǎn)。智能建模將美學(xué)算法化并融入智能計(jì)算中，通過對圖像的局部特征以及整體特征進(jìn)行學(xué)習(xí)，建立具有美學(xué)參數(shù)的人工智能模型，從而讓計(jì)算機(jī)智能評價(jià)模型的美學(xué)價(jià)值，從而生成具有特定美學(xué)特點(diǎn)的模型。

四、基于圖學(xué)美學(xué)的工程建模課程教學(xué)

工程建模正成為工程制圖轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，在社會(huì)生產(chǎn)建設(shè)中起到越來越重要的作用。在教學(xué)中，以工程建設(shè)和社會(huì)需求為導(dǎo)向，以圖學(xué)和美學(xué)兩方面為抓手，加強(qiáng)工程建模課程的教學(xué)工作。教師要擔(dān)負(fù)美感教育的任務(wù)，使得學(xué)生感受到圖形美的存在、圖形美的力量，在追求美的同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)真，這是科學(xué)的基礎(chǔ)[11]。

圖學(xué)作為工程建模的基本理論，堅(jiān)實(shí)的圖學(xué)基礎(chǔ)對工程建模有重要意義。為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，圖學(xué)理論可在大圖學(xué)的框架下，建立基礎(chǔ)層、應(yīng)用支撐層和圖學(xué)應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)[11，12]。

在工程制圖教學(xué)過程應(yīng)達(dá)到圖學(xué)與美學(xué)共享。

1.從三視圖或基本視圖的表達(dá)來講，美學(xué)在圖學(xué)中體現(xiàn)為應(yīng)選用合適的視圖來正確合理地表達(dá)空間形體。教學(xué)要強(qiáng)調(diào)選擇合理的形體放置位置，選擇能夠表達(dá)形體主要形態(tài)特征的視圖作為正視圖等。

2.尺寸標(biāo)注體現(xiàn)美學(xué)的應(yīng)用，要井然有序，不能雜亂無章。例如尺寸線不能相交，平行的尺寸線之間要保持一定的間距;小尺寸在內(nèi)，大尺寸在外;對于對稱圖形，尺寸盡量對稱標(biāo)注，體現(xiàn)對稱美;尺寸終端符號(hào)統(tǒng)一。

3.對于軸測投影圖，美學(xué)的應(yīng)用體現(xiàn)在軸測投影圖應(yīng)充分合理地表達(dá)形體的空間形態(tài)，達(dá)到最佳的效果。在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)選擇合適的軸測投影類型和投射方向。

4.對于剖切圖，美學(xué)體現(xiàn)在圖形能夠清晰地揭示形體的內(nèi)在。教學(xué)過程中，要強(qiáng)調(diào)選擇合適的剖切平面、合適的剖切圖類型，要求剖切圖能夠合理充分地展示形體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

5.從工程形體表達(dá)的綜合運(yùn)用來說，美學(xué)在圖學(xué)中的應(yīng)用體現(xiàn)為學(xué)會(huì)選用美觀合適的圖形來充分表達(dá)形體的空間形態(tài)，選擇哪些基本視圖類型和剖切圖、斷面圖類型等，充分展示工程形體的外部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、形狀和尺寸大小等，能夠讓讀者準(zhǔn)確清晰地從二維圖形構(gòu)想出形體的空間形態(tài)。

6.在筑牢圖學(xué)基礎(chǔ)的同時(shí)，對工科學(xué)生應(yīng)注重多學(xué)科的交叉與融合，拓寬認(rèn)知，例如圖學(xué)與建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)工程等專業(yè)的融合。

7.學(xué)會(huì)并熟練使用相關(guān)工程建模軟件，能夠根據(jù)需求建立相應(yīng)的模型。通過組織各種建模競賽、建立建模實(shí)習(xí)基地等方式，增加學(xué)生建模實(shí)踐的機(jī)會(huì)，從而達(dá)到建模理論和技巧的熟練掌握。

8.當(dāng)學(xué)生的建模能力達(dá)到一定程度后，各種建模軟件便成為一種工具，限制學(xué)生發(fā)展的一個(gè)重要瓶頸就是美學(xué)。美學(xué)作為工程建模的重要評價(jià)依據(jù)，建立正確的審美觀對學(xué)生的發(fā)展有積極作用。在工程建模的學(xué)習(xí)中，學(xué)生只有知道什么樣的模型是美的模型，才能不斷自我批判，完善自己的技藝，提高建模水平。這種情況下，教師應(yīng)起到引導(dǎo)作用，給學(xué)生提供好的模型素材并加以分析總結(jié)，指出哪些模型美，包含哪些內(nèi)容、哪些細(xì)節(jié)、哪些特點(diǎn)等，從而讓學(xué)生建立正確的審美觀。

9.讓學(xué)生模仿美的模型是教學(xué)的重要方法。同樣，教師提供的好的模型素材能起到重要的作用。在模仿過程中，學(xué)生能夠?qū)γ赖哪Ｐ蜕钊敕治?，形成建模的基本美學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。美學(xué)不是一天就可以領(lǐng)悟，這需要學(xué)生不斷的觀察、思考、實(shí)踐、積累，并在某一時(shí)間融會(huì)貫通，形成自己特有的審美觀。

結(jié)語

圖學(xué)和美學(xué)作為工程建模的重要組成部分，對推動(dòng)學(xué)科的發(fā)展具有重要作用。工程制圖使用二維平面圖形表達(dá)空間三維形體，其圖學(xué)理論基礎(chǔ)是基于投影理論的畫法幾何，輔以軸測投影理論、標(biāo)注、線型等，具有對稱美、線條美、規(guī)范美、布局美、變化美的特點(diǎn)。工程建模將二維圖形轉(zhuǎn)化為三維模型，不僅包含工程制圖的圖學(xué)理論，曲面建立、曲面擠出、實(shí)體建立、布爾運(yùn)算等在工程建模的圖學(xué)理論體系中也占據(jù)重要地位。工程建模中的美學(xué)在規(guī)范美、對稱美、變化美、奇異美的基礎(chǔ)上，另包含虛擬現(xiàn)實(shí)美、層次美、技術(shù)美和功能美等。融合大圖學(xué)和智能計(jì)算的智能建模將圖學(xué)和美學(xué)以算法的形式具體化，對推動(dòng)工程建模的發(fā)展具有積極意義。

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Abstract： As am important part of engineering modelling， graphics and aesthetics are not only the basis of modeling， but also the key to improving students’ aesthetic ability. The improvement of aesthetic taste makes students feel the existence and power of graphic beauty， which naturally promotes students’ requirements for the perfection of engineering graphic modeling and improve their ability of graphic design and modeling. Based on the general concepts of graphics and aesthetics in engineering drawing， from the aspects of graphic aesthetics in engineering drawing， graphic aesthetics in engineering modelling， and graphic aesthetics in intelligent modelling integrated with big graphics and intelligent computation， this paper expounds the expression forms of graphics and aesthetics in engineering drawing and engineering modelling， and proposes the development prospect of intelligent modeling. Based on the teaching of engineering modelling of graphic aesthetics， the basic requirements and teaching implementation methods are proposed. Finally， combined with graphics and aesthetics， the teaching and education of engineering graphics and modelling in the new era is discussed.

Key words： graphics; aesthetics; big graphics and intelligent computation; engineering modelling