CAD三维建模在水利工程制图教学中的应用初探

朱珠　陈超　许丽

[摘 要]该研究结合水利工程制图课程特点，针对水利工程专业学生在工程制图课程学习过程中图学意识薄弱，空间想象力和空间思维能力差的问题，将CAD三维建模应用于水利工程制图教学中，旨在帮助学生实现水利工程制图学习中“平面—空间—平面”思维过程的转换，提高其空间想象力、绘图能力及教师教学效果。

[关键词]水利工程制图;CAD;组合体视图;能力培养

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）04-0081-03

水利工程制图是水利水电建筑工程、水利工程、工程测量技术等水利工程类专业的一门专业基础课[1]。这门研究绘制和阅读工程图样的理论和方法的图学课程，其开设的主要目的在于引导学生掌握制图标准和投影法的基本理论以及绘图技能和读图能力，养成细致严谨的工作作风，提高空间思维能力和分析解决问题的能力。水利工程专业的毕业生大都从事设计和施工工作。设计人员通过勘测、构思和计算将三维工程形体按照投影原理画在二维的平面上，而施工人员则通过将二维的图形想象出三维立体后在实地上施工。学生通过水利工程制图课程的学习，为水工建筑物设计与施工等专业课程的学习奠定基础，并在其毕业后的工作中发挥必要的支撑作用[2]。学生在课程学习过程中普遍认为虽然学习了投影知识和理论，但不能将投影特性在题目中加以灵活运用，尤其是缺乏空间思维能力，很难想象出立体的三维效果，从而影响其学习兴趣和学习效果。笔者结合多年教学经验，不断探索辅助学生提高空间构型能力的方法，认为将CAD三维建模融入工程制图教学中能够较好地帮助学生读图并完成学习的“平面—空间—平面”思维过程的转换[3]。本文以水利工程制图中组合体视图章节中的涵洞三视图为例，说明如何利用CAD三维建模绘制涵洞的立体模型。

一、工程形体识读的基本知识、方法和步骤

将二维图形想象出三维空间立体称为读图。而读图首先要掌握的基本知识是投影的三等对应关系“主视图与俯视图长对正、主视图与左视图高平齐、俯视图与左视图宽相等”以及点、线、面、体的投影特性。工程形体组合形式的不同读图分析方法有所区别：当形体由若干基本形体组合形成，读图方法为形体分析法，即将视图分成若干个线框，逐个分析，一个封闭线框看作一个基本形体的投影，按照投影关系找出其他两个视图中与其对应的两个线框，抓住形状特征投影，将三个线框联系起来想象该形体的形状，再分析各个形体的组合方式、表面连接方式和相对位置，抓住位置特征投影，综合起来想象出组合体整体形状的方法;当形体是在基本形体上切割而成，读图方法为线面分析法，即分析基本体是由哪些面切割而成，或切割掉幾个基本立体，根据特殊位置平面投影特性，综合想象立体的方法[2]。读图的步骤：（1）看视图，抓特征，分线框。（2）按投影，对形体。（3）综合起来想形体。如图1，根据涵洞的三视图，通过形体分析可知，该涵洞为左右对称结构，根据投影分线框分解成上、中、下三个部分。一般由下向上分析，下部底板部分的主视图是其形状特征投影图，结合三视图为一个垂直于正立投影面的八棱柱;中间洞身部分的俯视图和左视图是其位置特征投影图，与底板后面共面同轴对称叠加，为在四棱台穿孔一个半圆柱与四棱柱的形体;上面立板部分的左视图是其形状和位置特征投影，三个基本体均在后面共面叠加，为一垂直于侧立投影面的五棱柱。

二、CAD三维建模

通过读图方法分析，想象出组合体的空间形状，再通过CAD三维建模思路更加清晰和开阔。建模过程适用于所有版本的CAD软件。如图1所示，先新建一个涵洞三维模型.dwg文件，窗口垂直平铺两个文件，能够对照三视图建模，建模过程一般是1[∶]1建模。三视图绘制比例为1[∶]50。

（1）1[∶]1比例绘图。在涵洞.dwg文件中将图形缩放比例因子50，主单位比例因子设置为1，将除粗实线和虚线以外的图层全部锁定。

（2）设置绘图环境。切换到涵洞三维模型.dwg文件，设置图形界限（10000，10000）。先建立底板的三维模型，由于底板的主视图为其特征投影，将视图选择前视，在菜单栏设置三维视图或在ViewCube图标上设置。

（3）粘贴特征视图，底板三维建模。切换到涵洞.dwg文件，将底板的主视图用“Ctrl+C”和“Ctrl+V”快捷键复制到涵洞三维模型.dwg文件;然后用边界或者面域命令将底板图线组合成整体，再将视图切换到西南等轴测，调用拉伸命令或在命令行输入“ext”，选中底板向前拉伸2300。这时模型为线框模型，如图2，设置概念模型，能够体现出较强立体感。

（4）粘贴特征视图，洞身三维建模。转换线框模型;洞身主视图为特征投影，将三维视图切换到前视，将洞身主视图粘贴到涵洞三维模型.dwg文件;调用面域命令将其组合成整体;将洞身主视图移动到底板主视图正上方，设置视图为西南等轴测，调用拉伸命令，将洞身向前拉伸1800，如图3;由于洞身是一个棱台穿孔而得，需要用一个侧垂面切割，将视图切换到左视，按照尺寸画辅助线，调用剖切命令或在命令行输入“sl”，如图4;剖切掉前面部分;切换视图为西南等轴测，转换到概念模型，呈现立体状。

（5）粘贴特征视图，立板三维建模。切换到线框模型，三维视图切换到左视，将立板的左视图粘贴到涵洞三维模型.dwg文件，调用面域命令，将其组合成整体;调用移动命令，将立板移动到洞身上方;将三维视图切换到西南等轴测，调用拉伸命令，将立板拉伸至与洞身上底面同长度;切换至概念模型，涵洞三维立体完成;如图5，调用合并命令（union）将三个立体合为整体;调用受约束的动态观察，拖动鼠标旋转，能够从各个方向观察立体。如想要增强对比度，将每个基本体设置不同颜色并选中立体设置即可。调用视图中的渲染命令可以修改立体的材质以及背景颜色，使立体更符合实际。

CAD三维构形思想的核心是基于二维视图生成三维立体，在建模过程中要善于分析特征投影，在拉伸形体时必须调用面域命令使之成为整体。将传统制图教学与三维CAD构形有效结合起来是制图学习行之有效的方法。引导学生掌握CAD三维建模的方法，能够使难以想象的三维构形更加直观，教学内容深入浅出，从而有利于提高学生的学习兴趣和教师的教学效果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 陈静.水利工程专业工程制图课程教学改革探讨[J].科教文汇（上旬），2012（7）：52-53.

[2] 庞璐，沈蓓蓓，李炽岚.水利工程制图[M].3版.北京：中国水利水电出版社，2017.

[3] 张京英，罗会甫，张彤，等.三维造型设计与工程图学的有效融合[J].工程图学学报，2010（6）： 151-154.

[责任编辑：庞丹丹]