三维数字化技术在混凝土楼梯内部构造教学中的应用研究

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　　摘 要： 为了增强混凝土楼梯内部构造教学的趣味性、直观性，运用三维数字化技术，将各种情形的混凝土楼梯制作成虚拟三维模型，且将外部混凝土设置成半透明，表现其内部钢筋构造，同时，将二维图纸与三维模型同屏对照，开发出可交互的三维数字化教学资源。运用这些教学资源辅助教学，优化教学手段，提高教学效果。
　　关键词： 三维数字化技术;混凝土楼梯;内部构造;教学辅助
　　中图分类号： G712 文献标识码： A 文章编号： 2095-8153（2020）01-0078-04
　　楼梯是建筑中的重要竖向交通工具，而混凝土楼梯又是楼梯中最安全的一种形式。其抗震性能、耐火性能、抗变形性能和耐噪音性能都是钢、木楼梯所无法比拟的，也是建筑工程中应用最为广泛的一种形式。因此，混凝土楼梯构造是土木建筑类专业学生必学内容。楼梯构造包括外部构造和内部构造，外部构造主要是指栏杆、扶手、台阶、防滑等，我们平时可以看到的部分的连接、固定关系。而内部构造则是指混凝土楼梯板内部钢筋的位置、连接、弯折和锚固的关系。虽然内部构造平时看不到，但却关系楼梯安全的重要内容。如果内部钢筋安装错误，可能导致施工期间或是紧急疏散时坍塌，因此，土木建筑类学生必须学会学透。然而，由于种种原因，学生学起来十分困难。
　　 一、混凝土楼梯构造教学中存在的主要困难
　　混凝土楼梯构造教学的目的是提高学生对设计图纸信息接收和理解的准确性。但受诸多因素的影响，实际教学困难较大，教学效果不佳。
　　1.图纸设计中，信息有损失
　　当前，建筑工程设计和土木建筑教育教学中仍然采用二维图形来表达三维对象。严格意义上讲，要准确表达一个单材质物体（如：素混凝土基础）至少需要三张相互关联的二维图形（三视图），而描述一个由多种材质组成的结构构件（如：钢筋混凝土楼梯）还需要补充若干剖面图，补充展现其内部关系，才能表达清楚[1]。（如图1和图2）
　　在楼梯结构设计过程中，为了减少绘图工作量，降低出图成本，结构设计人员往往根据自身理解和行业惯例，对表达三维楼梯的多个相互关联的二维图形适当简化，减少二维图形个数、简化标注等。比如：表达一根矩形截面等距配箍、通长配筋的钢筋混凝土楼梯梁，设计通常只绘制一个横断面，并标注其长度即可。（如图3和图4）
　　在簡化设计的过程中，设计师必须特别细心，否则，容易造成信息遗漏。特别是复杂三维对象，到底需要哪几个相互关联的二维图形才能表达清楚，取决于设计人员的理解，对同一三维对象，不同的设计师选取的二维图形差异较大，带来的信息损失也不同。设计信息损失的多少与设计人员直接相关。
　　2.图纸阅读时，理解有差异
　　同一套二维图纸，不同知识基础和工程阅历的人其理解也会有很大差别。由于大部分图纸都是经过适当简化的二维图，图中信息或多或少都有损失。对经验丰富的专业技术人员，能够凭借工程经验准确还原被遗失信息，而对在校学生来说，则无法完全理解。即使是设计表达十分周全的工程图纸，不同的读者理解也会不同[2][3][4]。
　　3.多图综合读，领悟有偏差
　　对于比较复杂的三维楼梯，表达它的二维图纸可能会有很多张，这些二维图纸中的形态、尺寸、形状等要素相互关联，相互依赖。如果读图人员专业基础不扎实，工程经验不丰富，读图不细致或者关联阅读不到位，都有可能造成设计信息的理解偏差[5]。
　　4.平常难见到，想象难度大
　　混凝土楼梯内部构造通常在混凝土浇筑完成后立即被隐蔽，只有参与建筑工程施工活动的人员才能观察到，非从业人员平时很难看到。在校学生因尚未涉足工程实践，看到的机会也不多。为了提高教学效果，有些高职院校花费巨资建设混凝土楼梯构造模型[6]。
　　5.现场去教学，安全风险大
　　如果将教学场所转移到工程现场，倒是一种很好的教学方式。但校园附近不一定有恰当的在建工程，现场安全隐患多，班级学生数量大等因素，都直接制约了现场教学的便利性。
　　如果校园附近无在建工程，就需要组织学生到较远的工地去，来往途中交通安全隐患多。到了工程现场，上有塔吊吊篮，下有洞口临边，稍有不慎，就有可能造成人身伤亡。再者，40人的班容量，要想到钢筋纵横、支撑密布的施工操作层去开展教学，难度之大可想而知。可是，不到操作层，又无法细致观察[7]。
　　在教师对学生的安全承担无限责任的当下，很多教师为了自保，宁可教学效果不佳，也不愿意带领学生到工程现场去，承担着无限风险。
　　二、解决这一困难的设想
　　运用三维数字化技术，将原本就是三维对象的混凝土楼梯和节点用三维可交互的虚拟现实模型展现出来，同时，将需要重点观察区域的混凝土设置成透明度可调的形式，必将有利于理解内部构造。其次，将相互关联的二维图整合在一起，与虚拟三维模型同屏对照，将大大提高其直观性，增强学习趣味性，降低信息损失。
　　1.序化结构节点，编制开发清单
　　当前，有关混凝土楼梯构造的行业权威资料主要是由中国建筑标准设计研究院编制的《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则与构造详图》16G101-2 [8]。由于该图集主要用于工程技术行业，工程师是主要使用对象，因此，编制时没有考虑初学者的认知需要，未对看似简单的构件类型、命名等做出解释。只有具备较高的专业水平和实践经验的工程技术人员才能读懂[9]。（如图5）
　　但是，作为教学资源，重在知识传授。有必要在开发前，结合在校生的知识结构，专业知识深度，适度增加构件种类认知等知识，并将混凝土结构节点清单进行序化，编制教学资源开发大纲，以适应不同专业基础的人员使用。
　　2.创建三维节点模型，实现可视化可交互
　　按照混凝土结构节点开发大纲以及国家标准图集的要求，逐一分析节点的三维形态和需要表达的关键内容，添加和补充辅助对象，运用三维建模软件将其制作成虚拟三维模型。综合运用二维绘图软件、图片处理软件以及虚拟现实工具为三维模型添加材质、光影、可交互等特性，实现可视化、可交互、可缩放和旋转的三维教学资源。 　　3.整合二维图纸，做到二、三维同屏对照
　　同时，参考标准图集，将相互关联的二维图纸整合在一起，补充必要內容，绘制钢筋分离图，添加交互，做到二、三维图的关联交互，便于对照学习理解。（如图6和图7）
　　三、同类资源的现状分析
　　在国内，市场上确实存在这样或那样用三维数字化技术建设的混凝土结构构造教学资源，这些教学资源在促进职业教育教学发挥了一定的作用。同时，我们也应该清楚的看到，由于在资源建设中，团队配备、资金投入以及市场因素等影响，这些教学资源存在着一些问题。
　　1.内容残缺，系统性不够
　　在某一个领域建设教学资源，需要有该领域资深的工程和教学专家的参与，并对拟建资源做系统梳理，保证其系统性、全面性和完整性。而目前市场上销售的教学资源多数是由软件开发企业自行完成的。由于缺乏教学和工程专家深度参与，因此，所建设的资源多是只言片语，零零碎碎，缺乏对所属范围内容的全面梳理。
　　2.模型错误，专业性不够
　　在市场的主导下，部分开发企业为了追求眼前利益，不愿聘请资深工程技术人员，或者聘请的工程技术人员能力有限，造成开发的资源不专业、不正确，技术漏洞频出。而目前，教学资源质量缺乏监管，市场鱼龙混杂是一个普遍现象。这不仅不能帮助教学，还会给学生带来误导。
　　3.画面单调，趣味性不够
　　有的教学资在建设时，没有重视美学因素。比如，画面配色杂乱，观察角度怪异，操作缺乏人性化、灵动性、趣味性和吸引力。久而久之，造成观察疲劳和乏味。
　　4.教学资源的亲和力不够
　　教学资源的建设必须认真分析受众的认知习惯，了解认知规律，适当补充必要的基础知识，删减不常用或难度过大的内容。但有些资源缺乏教学的亲和力，不符合人的认知规律，死搬硬套。
　　四、资源开发与应用
　　1.研究混凝土结构节点的三维形态
　　开发团队认真研究标准图集中每一个混凝土楼梯节点，综合工程结构的基础理论、工程实践和教学经验，仔细斟酌节点的每一个细节。考虑需要表达和可以忽略的子对象，分析需要补充表达隐性对象，以使开发出来的教学资源真实，符合工程实际，避免造成误解。
　　2.创建混凝土结构节点的三维模型
　　根据分析结果，用3dsmax等三维建模软件还原混凝土楼梯节点的三维形态[10]，创建其三维虚拟模型。认真比对标准图集中的二维图纸与三维模型之间的差别，补充完善并修正，直到符合工程的实际情况[11]。
　　3.将三维模型数字化并添加交互
　　运用Autocad、Photoshop、Unity3D等编辑软件，将三维模型、二维图纸等要素整合在一起，整理对象名称，添加关联交互，调整默认窗口，最终导出成 *.exe可执行文件[12][2][3][13]。整理节点目录，并在目录上添加可执行文件的链接，集成为成套教学资源软件平台，以辅助教学使用。
　　4.教学应用，提出问题并不断优化
　　该资源通过两年多的教学试用，效果明显。学生的学习兴趣显著增强，识图能力明显提升，参赛成绩不断提高。同时，在教学试用过程中，不断发现资源中的问题，不断优化改进[14]。
　　五、结论与建议
　　虚拟现实教学资源直观、形象、可交互，大大降低了学习难度。同时，三维数字化技术手段能够开发多专业教学资源，具有广泛的应用领域。
　　不管是钢筋混凝土楼梯、钢楼梯还是木楼梯，只要是表达形体、构造或者是加工工艺过程的教学对象均可适用[4][15][16][17][18]。
　　虚拟现实教学资源的开发需要工程、软件、教学等各类专业人才的密切配合，单专业的人才团队很难开发出有价值的教学资源[19][20]。
　　开发过程中，需要有一个专业理论扎实、工程经验丰富、职教体验深刻的复合型人才进行总体把控方可开发出高质量的教学辅助资源。
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　　 Abstract： In order to improve the intuitiveness and interest in the teaching of concrete staircase structure， the 3D digital technology is used to make all kinds of stairs into virtual models with visible internal steel reinforcement， and the 2D drawings are compared with the 3D model to develop interactive 3D digital teaching resources. The application of this resource to offer assisted instruction can enrich the teaching means and improve the teaching effect.
　　 Key words：  3D digitalization technology; concrete staircase structure; internal structure; assisted instruction
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