AutoCAD三维实体造型技术在道路工程制图教学中的应用

摘要： 随着高职院校教学改革的不断深化，课程的理论教学时数普遍较以前减少，如何利用有限的课时使学生掌握必需的理论知识，提高学生的绘图和识图能力，是道路工程制图教学面临的实际问题。利用AutoCAD三维实体造型技术作为辅助教学工具，可以使学生快速建立空间立体概念，将抽象的问题直观化，教学效果良好。

关键词： 实体造型；制图教学；应用

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）04-0247-03

0 引言

道路工程制图是高职院校交通土建类专业的一门专业基础课，具有较强的理论性和实践性，重点培养学生识读和绘制道路工程图样的能力，对学生的空间想象力和构思能力有很高的要求。在实际教学过程中，主要围绕空间立体的投影组织和开展教学活动，从三维到二维，再从二维到三维，逐步培养学生的空间想象能力。然而平均来说高职学生的基础知识普遍差些，空间想象力也不是很强，加之课改后本门课程的教学时数大大缩减，每一部分内容都不可能安排足够的讲解与练习时间，无形中给学生学习本门课程造成了许多困难。针对这种情况，我们借助于AutoCAD软件的三维实体造型功能和SolidWorks软件，建立丰富的三维实体模型库，采用这种三维实体模型软件，通过分析和演示可以发现，原先抽象、静止的内容变得形象、生动和富有色彩了。极大地增强了教学的直观性。此外，采用AutoCAD三维实体造型软件还可以把过去一些很抽象教学内容做成实体模型来演示，比如组合体的立体结构、复杂物体的内部结构、各个基本组合体之间的相互位置关系等，如此不仅可以提高教学效率，也能够很大程度的提高学生的学习积极性，进而提升学生的空间思维和想象能力。

1 三维实体模型概述

现在已经进入到信息化的社会，计算机技术取得了很大的发展，进而也推动了三维CAD软件的发展，目前在很多的产品设计和工程设计中都运用到了这项技术。现阶段，比较常见的三维建模软件主要有以下几种，分别是AutoCAD、Pro/Engineer、UG、Solidwork、CAXA等[1]。AutoCAD三维模型也包括线框模型、表面模型和实体模型三种模型，其中实体模型是三种模型中最高级的一种，它包括线、面、体的所有信息。实体模型除了具备物理属性外，还很接近于真实物体，并且实体之间还可以进行很多的运算，比如并集、交集和差集等，有利于建立更加复杂的实体模型，还能进行消隐、着色和渲染等。另外，实体模型还能够生成剖视图、二维平面视图和断面图，通过AutoCAD输出的实体模型数据，还可以提供给后续的数控加工和有限元分析，三维实体模型是具有质量、体积、重心和惯性矩等特性的封闭三维体。

2 创建三维实体的思路及方法

要想创建一个三维实体模型，需要先对模型的结构进行分析，并且认识到不管是多么复杂的模型，它都是由很多个简单的个体组成的。所以，不断的创建一些简单实体，然后把它们组成的过程就是复杂模型的创建过程。首先使用基本体建模或将二维图形经过拉伸或旋转生成各简单实体。再将各简单实体进行组合或将各简单实体之间进行并集、差集、交集布尔运算和编辑操作，来获得所需要的实体模型，并通过改变材质、色彩和表面特征等，使实体模型更加形象逼真，提高视觉效果[2]。

3 三维实体模型在教学中的应用

工程形体可以被AutoCAD三维实体做出生动形象、效果逼真的实体模型，这些实体模型被应用在实际的教学中，可以实现任意方向的旋转和截面的剖切，让学生了解到物体任意部位的结构组成，对于帮助学生进行空间想象和识图具有明显辅助作用[3]。

3.1 在截交线和相贯线教学中的应用 平面截切立体所产生的表面交线被称为截交线，两立体相交所产生的表面交线被称为相贯线。两者均是道路工程制图教学中，学生比较难以理解和掌握的内容。在过去的教学中，一般解决有关这两者的问题都会采用在立体表面上取点、辅助面等方法，实际上学生是很难真正的理解空间与投影图之间的相互关系的。

引入AutoCAD三维实体造型技术之后，可以从一个完整的几何体开始，应用剖切命令让学生自己观察产生的截交线形状以及截平面之间的交线，使抽象的问题直观化，然后再对照投影图中的具置完成截交线的投影。如图1所示，一个完整的正圆锥体被两个截平面所切割，其中水平的截平面与圆锥表面产生的截交线是一段圆弧，正垂面与圆锥表面产生的截交线是一段椭圆弧，两截平面产生一条交线（正垂线），通过演示和分析，确定作图步骤，最后完成三面投影图。

另外，也可以将两个独立的几何体通过定点移动，使之按照要求相交，观察相交后产生的相贯线形状，如图2所示。

通过灵活应用三维实体造型技术，学生不仅可以更加直观的观察到物体的全貌，也能够更加深层次的理解截交线和相贯线，从而为求这两者的投影图打下良好的基础。

3.2 在组合体教学中的应用 由若干个基本几何体按照一定的组合方式组合而成的形体就是组合体，其教学内容主要包括组合体投影图的绘制、识读和尺寸标注，目的是掌握绘制和阅读工程图样所必需的分析方法，培养学生绘制投影图的技能和对空间结构的分析能力，是整个投影基础的重点。通常要求根据组合体的直观图绘制三面投影图或根据已知的两面投影图补画第三面投影图。如图3所示，已知组合体的V、W两面投影，补画H面投影。

一般来说常规的作图方法是采用形体分析的方法，通过把组合体分解成很多个基本体，然后再弄清它们之间的相对位置、组合方式（切割、叠加、综合）及各部分之间的表面连接关系，从而对组合体的形体特征形成总的概念，为画第三面投影图做好准备。但是由于很多的题目都没有实体模型，学生们要想建立起组合体完整的空间立体形状只能依靠自身的空间想象力和教师的语言描述，然而对于很多初学者来说，它们的空间想象力是很有限的，很难只凭自己就建立起组合体完整的空间立体形状，也会因此而浪费很多的时间，如果只是单纯地利用三等关系去完成第三面投影图是比较困难的。所以，解决问题的关键就是帮助学生建立起完整的空间立体形状。

借助于AutoCAD软件的实体造型功能，不仅可以制作出和题目一样的实体模型图，并且可以很灵活方便地将实体模型进行任意位置、任意角度的旋转，引导学生从不同的方位进行观察，使学生看清组合体的构成、空间形状和各基本体之间的关系。如图3所示，该组合体属于综合型组合体，可以分解为四棱柱、空心半圆柱和带圆角、圆孔的四棱柱三个部分，四棱柱的顶面和前边的面与空心半圆柱体表面相交产生四段交线，带圆角和圆孔的四棱柱，其前边的面与半圆柱体表面相交产生一段交线；三个形体后边的面在同一个正平面上，半圆柱的底面和四棱柱的底面在同一水平面上。经过分析之后，便能很容易地完成H面投影图。

3.3 在剖面图教学中的应用 为了表达形体的内部结构形状通常会采用剖面图来表达，假想用剖切平面将物体切开，移去观察者与剖切平面之间的部分，将剩余部分投影到与剖切平面平行的投影面上所得到的图形[4]。其表达方式通常是要求将某一个投影图改画成适当的剖面图或根据制定的剖切位置和剖面图类型绘制剖面图。如图4所示，要求绘制A-A阶梯剖面图。

在教学过程中，如果不借助实物或模型，单凭空间想象去绘制A-A阶梯剖面图，学生们往往感到无从下手，即使勉强能画出剖面图，其图形也不完整。相反利用AutoCAD软件的实体造型功能，绘制出形体的实体模型，然后应用剖切功能，根据需要对实体模型在相应的位置进行剖切，把内部看不到的部分直观地呈现在学生面前，学生很快就能看清内部结构，绘制出正确的剖面图。而且在此过程中，有助于学生更好地观察和理解剖面图的形成过程，提高学生分析问题和解决问题的能力。

3.4 在专业工程图教学中的应用 在专业工程图的教学中，主要要求学生掌握路线工程图、桥隧工程图和涵洞工程图的图示方法和图示内容，培养学生绘制和阅读专业工程图的能力。但由于本门课程通常都是在大一第一学期开设，此时学生对专业知识了解甚少，对桥梁、涵洞等常见工程构造物的组成、结构等一无所知，在这种情况下讲解桥梁、涵洞工程图的识读，难度较大，用学生的话来形容，就好比在听天书，其效果不言而喻。

借助AutoCAD软件的实体造型功能，可以绘制各种形式的桥梁和涵洞的仿真三维模型图，如图5所示的装配式钢筋混凝土T形梁桥和钢筋混凝土盖板涵，并应用动态观察对三维模型进行任意的旋转或根据讲解的需要对其组成部分进行任意的删除，让学生较好地观察工程结构物的组成、各组成部分的形状、连接关系及任意部位的构造。在形成直观认识的基础上，再对照相应的工程图样进行识读，效果大不一样。由此可见，借助三维实体模型对学生识读专业工程图具有良好的辅助作用。

4 结束语

利用AutoCAD三维实体造型技术，不仅可以得到形象逼真、色彩丰富的三维实体模型，而且可以实现任意的旋转，从多个角度对模型进行观察。但在演示过程中，要充分发挥教师的主导作用，不能让学生仅仅停留在看实体模型演示，要采用互动式的教学方法，针对不同的教学内容，引导学生建立解题的空间几何模型，确定空间解题步骤、想象作图结果的空间情况等；引导学生分析各部分的形状以及它们之间的相对位置关系，使学生在空间——平面——空间这样一个反复的转化过程中，加深理解，培养学生空间想象能力和分析能力。

参考文献：

[1]吴长有.赵婷.三维实体造型在制图教学中的应用[J].职业教育研究，2007（05）.

[2]王征.中文版AutoCAD2009实用教程[M].清华大学出版社，2008-3.

[3]刘莹.浅析机械制图教学中三维实体造型技术的应用[J].职业教育研究，2010（09）.

[4]郑国权.道路工程制图[M].北京：人民交通出版社，2002-9.