三維數(shù)字化技術(shù)在混凝土樓梯內(nèi)部構(gòu)造教學(xué)中的應(yīng)用研究

黃朝廣 趙程程

摘 要： 為了增強(qiáng)混凝土樓梯內(nèi)部構(gòu)造教學(xué)的趣味性、直觀性，運(yùn)用三維數(shù)字化技術(shù)，將各種情形的混凝土樓梯制作成虛擬三維模型，且將外部混凝土設(shè)置成半透明，表現(xiàn)其內(nèi)部鋼筋構(gòu)造，同時，將二維圖紙與三維模型同屏對照，開發(fā)出可交互的三維數(shù)字化教學(xué)資源。運(yùn)用這些教學(xué)資源輔助教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)手段，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 三維數(shù)字化技術(shù);混凝土樓梯;內(nèi)部構(gòu)造;教學(xué)輔助

中圖分類號： G712 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-8153（2020）01-0078-04

樓梯是建筑中的重要豎向交通工具，而混凝土樓梯又是樓梯中最安全的一種形式。其抗震性能、耐火性能、抗變形性能和耐噪音性能都是鋼、木樓梯所無法比擬的，也是建筑工程中應(yīng)用最為廣泛的一種形式。因此，混凝土樓梯構(gòu)造是土木建筑類專業(yè)學(xué)生必學(xué)內(nèi)容。樓梯構(gòu)造包括外部構(gòu)造和內(nèi)部構(gòu)造，外部構(gòu)造主要是指欄桿、扶手、臺階、防滑等，我們平時可以看到的部分的連接、固定關(guān)系。而內(nèi)部構(gòu)造則是指混凝土樓梯板內(nèi)部鋼筋的位置、連接、彎折和錨固的關(guān)系。雖然內(nèi)部構(gòu)造平時看不到，但卻關(guān)系樓梯安全的重要內(nèi)容。如果內(nèi)部鋼筋安裝錯誤，可能導(dǎo)致施工期間或是緊急疏散時坍塌，因此，土木建筑類學(xué)生必須學(xué)會學(xué)透。然而，由于種種原因，學(xué)生學(xué)起來十分困難。

一、混凝土樓梯構(gòu)造教學(xué)中存在的主要困難

混凝土樓梯構(gòu)造教學(xué)的目的是提高學(xué)生對設(shè)計圖紙信息接收和理解的準(zhǔn)確性。但受諸多因素的影響，實際教學(xué)困難較大，教學(xué)效果不佳。

1.圖紙設(shè)計中，信息有損失

當(dāng)前，建筑工程設(shè)計和土木建筑教育教學(xué)中仍然采用二維圖形來表達(dá)三維對象。嚴(yán)格意義上講，要準(zhǔn)確表達(dá)一個單材質(zhì)物體（如：素混凝土基礎(chǔ)）至少需要三張相互關(guān)聯(lián)的二維圖形（三視圖），而描述一個由多種材質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如：鋼筋混凝土樓梯）還需要補(bǔ)充若干剖面圖，補(bǔ)充展現(xiàn)其內(nèi)部關(guān)系，才能表達(dá)清楚[1]。（如圖1和圖2）

在樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，為了減少繪圖工作量，降低出圖成本，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員往往根據(jù)自身理解和行業(yè)慣例，對表達(dá)三維樓梯的多個相互關(guān)聯(lián)的二維圖形適當(dāng)簡化，減少二維圖形個數(shù)、簡化標(biāo)注等。比如：表達(dá)一根矩形截面等距配箍、通長配筋的鋼筋混凝土樓梯梁，設(shè)計通常只繪制一個橫斷面，并標(biāo)注其長度即可。（如圖3和圖4）

在簡化設(shè)計的過程中，設(shè)計師必須特別細(xì)心，否則，容易造成信息遺漏。特別是復(fù)雜三維對象，到底需要哪幾個相互關(guān)聯(lián)的二維圖形才能表達(dá)清楚，取決于設(shè)計人員的理解，對同一三維對象，不同的設(shè)計師選取的二維圖形差異較大，帶來的信息損失也不同。設(shè)計信息損失的多少與設(shè)計人員直接相關(guān)。

2.圖紙閱讀時，理解有差異

同一套二維圖紙，不同知識基礎(chǔ)和工程閱歷的人其理解也會有很大差別。由于大部分圖紙都是經(jīng)過適當(dāng)簡化的二維圖，圖中信息或多或少都有損失。對經(jīng)驗豐富的專業(yè)技術(shù)人員，能夠憑借工程經(jīng)驗準(zhǔn)確還原被遺失信息，而對在校學(xué)生來說，則無法完全理解。即使是設(shè)計表達(dá)十分周全的工程圖紙，不同的讀者理解也會不同[2][3][4]。

3.多圖綜合讀，領(lǐng)悟有偏差

對于比較復(fù)雜的三維樓梯，表達(dá)它的二維圖紙可能會有很多張，這些二維圖紙中的形態(tài)、尺寸、形狀等要素相互關(guān)聯(lián)，相互依賴。如果讀圖人員專業(yè)基礎(chǔ)不扎實，工程經(jīng)驗不豐富，讀圖不細(xì)致或者關(guān)聯(lián)閱讀不到位，都有可能造成設(shè)計信息的理解偏差[5]。

4.平常難見到，想象難度大

混凝土樓梯內(nèi)部構(gòu)造通常在混凝土澆筑完成后立即被隱蔽，只有參與建筑工程施工活動的人員才能觀察到，非從業(yè)人員平時很難看到。在校學(xué)生因尚未涉足工程實踐，看到的機(jī)會也不多。為了提高教學(xué)效果，有些高職院?；ㄙM(fèi)巨資建設(shè)混凝土樓梯構(gòu)造模型[6]。

5.現(xiàn)場去教學(xué)，安全風(fēng)險大

如果將教學(xué)場所轉(zhuǎn)移到工程現(xiàn)場，倒是一種很好的教學(xué)方式。但校園附近不一定有恰當(dāng)?shù)脑诮üこ蹋F(xiàn)場安全隱患多，班級學(xué)生數(shù)量大等因素，都直接制約了現(xiàn)場教學(xué)的便利性。

如果校園附近無在建工程，就需要組織學(xué)生到較遠(yuǎn)的工地去，來往途中交通安全隱患多。到了工程現(xiàn)場，上有塔吊吊籃，下有洞口臨邊，稍有不慎，就有可能造成人身傷亡。再者，40人的班容量，要想到鋼筋縱橫、支撐密布的施工操作層去開展教學(xué)，難度之大可想而知?？墒?，不到操作層，又無法細(xì)致觀察[7]。

在教師對學(xué)生的安全承擔(dān)無限責(zé)任的當(dāng)下，很多教師為了自保，寧可教學(xué)效果不佳，也不愿意帶領(lǐng)學(xué)生到工程現(xiàn)場去，承擔(dān)著無限風(fēng)險。

二、解決這一困難的設(shè)想

運(yùn)用三維數(shù)字化技術(shù)，將原本就是三維對象的混凝土樓梯和節(jié)點用三維可交互的虛擬現(xiàn)實模型展現(xiàn)出來，同時，將需要重點觀察區(qū)域的混凝土設(shè)置成透明度可調(diào)的形式，必將有利于理解內(nèi)部構(gòu)造。其次，將相互關(guān)聯(lián)的二維圖整合在一起，與虛擬三維模型同屏對照，將大大提高其直觀性，增強(qiáng)學(xué)習(xí)趣味性，降低信息損失。

1.序化結(jié)構(gòu)節(jié)點，編制開發(fā)清單

當(dāng)前，有關(guān)混凝土樓梯構(gòu)造的行業(yè)權(quán)威資料主要是由中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院編制的《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則與構(gòu)造詳圖》16G101-2 [8]。由于該圖集主要用于工程技術(shù)行業(yè)，工程師是主要使用對象，因此，編制時沒有考慮初學(xué)者的認(rèn)知需要，未對看似簡單的構(gòu)件類型、命名等做出解釋。只有具備較高的專業(yè)水平和實踐經(jīng)驗的工程技術(shù)人員才能讀懂[9]。（如圖5）

但是，作為教學(xué)資源，重在知識傳授。有必要在開發(fā)前，結(jié)合在校生的知識結(jié)構(gòu)，專業(yè)知識深度，適度增加構(gòu)件種類認(rèn)知等知識，并將混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點清單進(jìn)行序化，編制教學(xué)資源開發(fā)大綱，以適應(yīng)不同專業(yè)基礎(chǔ)的人員使用。

2.創(chuàng)建三維節(jié)點模型，實現(xiàn)可視化可交互

按照混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點開發(fā)大綱以及國家標(biāo)準(zhǔn)圖集的要求，逐一分析節(jié)點的三維形態(tài)和需要表達(dá)的關(guān)鍵內(nèi)容，添加和補(bǔ)充輔助對象，運(yùn)用三維建模軟件將其制作成虛擬三維模型。綜合運(yùn)用二維繪圖軟件、圖片處理軟件以及虛擬現(xiàn)實工具為三維模型添加材質(zhì)、光影、可交互等特性，實現(xiàn)可視化、可交互、可縮放和旋轉(zhuǎn)的三維教學(xué)資源。

3.整合二維圖紙，做到二、三維同屏對照

同時，參考標(biāo)準(zhǔn)圖集，將相互關(guān)聯(lián)的二維圖紙整合在一起，補(bǔ)充必要內(nèi)容，繪制鋼筋分離圖，添加交互，做到二、三維圖的關(guān)聯(lián)交互，便于對照學(xué)習(xí)理解。（如圖6和圖7）

三、同類資源的現(xiàn)狀分析

在國內(nèi)，市場上確實存在這樣或那樣用三維數(shù)字化技術(shù)建設(shè)的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造教學(xué)資源，這些教學(xué)資源在促進(jìn)職業(yè)教育教學(xué)發(fā)揮了一定的作用。同時，我們也應(yīng)該清楚的看到，由于在資源建設(shè)中，團(tuán)隊配備、資金投入以及市場因素等影響，這些教學(xué)資源存在著一些問題。

1.內(nèi)容殘缺，系統(tǒng)性不夠

在某一個領(lǐng)域建設(shè)教學(xué)資源，需要有該領(lǐng)域資深的工程和教學(xué)專家的參與，并對擬建資源做系統(tǒng)梳理，保證其系統(tǒng)性、全面性和完整性。而目前市場上銷售的教學(xué)資源多數(shù)是由軟件開發(fā)企業(yè)自行完成的。由于缺乏教學(xué)和工程專家深度參與，因此，所建設(shè)的資源多是只言片語，零零碎碎，缺乏對所屬范圍內(nèi)容的全面梳理。

2.模型錯誤，專業(yè)性不夠

在市場的主導(dǎo)下，部分開發(fā)企業(yè)為了追求眼前利益，不愿聘請資深工程技術(shù)人員，或者聘請的工程技術(shù)人員能力有限，造成開發(fā)的資源不專業(yè)、不正確，技術(shù)漏洞頻出。而目前，教學(xué)資源質(zhì)量缺乏監(jiān)管，市場魚龍混雜是一個普遍現(xiàn)象。這不僅不能幫助教學(xué)，還會給學(xué)生帶來誤導(dǎo)。

3.畫面單調(diào)，趣味性不夠

有的教學(xué)資在建設(shè)時，沒有重視美學(xué)因素。比如，畫面配色雜亂，觀察角度怪異，操作缺乏人性化、靈動性、趣味性和吸引力。久而久之，造成觀察疲勞和乏味。

4.教學(xué)資源的親和力不夠

教學(xué)資源的建設(shè)必須認(rèn)真分析受眾的認(rèn)知習(xí)慣，了解認(rèn)知規(guī)律，適當(dāng)補(bǔ)充必要的基礎(chǔ)知識，刪減不常用或難度過大的內(nèi)容。但有些資源缺乏教學(xué)的親和力，不符合人的認(rèn)知規(guī)律，死搬硬套。

四、資源開發(fā)與應(yīng)用

1.研究混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點的三維形態(tài)

開發(fā)團(tuán)隊認(rèn)真研究標(biāo)準(zhǔn)圖集中每一個混凝土樓梯節(jié)點，綜合工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論、工程實踐和教學(xué)經(jīng)驗，仔細(xì)斟酌節(jié)點的每一個細(xì)節(jié)?？紤]需要表達(dá)和可以忽略的子對象，分析需要補(bǔ)充表達(dá)隱性對象，以使開發(fā)出來的教學(xué)資源真實，符合工程實際，避免造成誤解。

2.創(chuàng)建混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點的三維模型

根據(jù)分析結(jié)果，用3dsmax等三維建模軟件還原混凝土樓梯節(jié)點的三維形態(tài)[10]，創(chuàng)建其三維虛擬模型。認(rèn)真比對標(biāo)準(zhǔn)圖集中的二維圖紙與三維模型之間的差別，補(bǔ)充完善并修正，直到符合工程的實際情況[11]。

3.將三維模型數(shù)字化并添加交互

運(yùn)用Autocad、Photoshop、Unity3D等編輯軟件，將三維模型、二維圖紙等要素整合在一起，整理對象名稱，添加關(guān)聯(lián)交互，調(diào)整默認(rèn)窗口，最終導(dǎo)出成 *.exe可執(zhí)行文件[12][2][3][13]。整理節(jié)點目錄，并在目錄上添加可執(zhí)行文件的鏈接，集成為成套教學(xué)資源軟件平臺，以輔助教學(xué)使用。

4.教學(xué)應(yīng)用，提出問題并不斷優(yōu)化

該資源通過兩年多的教學(xué)試用，效果明顯。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣顯著增強(qiáng)，識圖能力明顯提升，參賽成績不斷提高。同時，在教學(xué)試用過程中，不斷發(fā)現(xiàn)資源中的問題，不斷優(yōu)化改進(jìn)[14]。

五、結(jié)論與建議

虛擬現(xiàn)實教學(xué)資源直觀、形象、可交互，大大降低了學(xué)習(xí)難度。同時，三維數(shù)字化技術(shù)手段能夠開發(fā)多專業(yè)教學(xué)資源，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

不管是鋼筋混凝土樓梯、鋼樓梯還是木樓梯，只要是表達(dá)形體、構(gòu)造或者是加工工藝過程的教學(xué)對象均可適用[4][15][16][17][18]。

虛擬現(xiàn)實教學(xué)資源的開發(fā)需要工程、軟件、教學(xué)等各類專業(yè)人才的密切配合，單專業(yè)的人才團(tuán)隊很難開發(fā)出有價值的教學(xué)資源[19][20]。

開發(fā)過程中，需要有一個專業(yè)理論扎實、工程經(jīng)驗豐富、職教體驗深刻的復(fù)合型人才進(jìn)行總體把控方可開發(fā)出高質(zhì)量的教學(xué)輔助資源。

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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