Компьютерное моделирование в изучении геометро-графических дисциплин

При подготовке инженерных кадров будущие специалисты приобретают способность работать с графической информацией. Курс подготовки любого инженера строительного или машиностроительного направления состоит из ряда дисциплин, которые направлены на формирование не только знаний, но и мышления специалиста, отвечающего современным требованиям развития промышленности. К таким основополагающим дисциплинам относятся «Начертательная геометрия», «Инженерная графика» и «Компьютерная графика». Каждая из этих дисциплин призвана на определенной ступени формирования будущего инженера освоить соответствующие компетенции. Представленный порядок дисциплин при их изучении позволит последовательно освоить процесс создания конструкторских документов для производства различных изделий. Например, начертательная геометрия позволит будущему инженеру изучить геометрические методы получения и преобразования изображений на плоскости, а также умения пространственного мышления [1–4]. Инженерная графика как дисциплина, в свою очередь, позволит овладеть необходимыми знаниями для правильного выполнения и чтения чертежей и получения наглядных геометрически правильных изображений [5]. Дисциплина «Компьютерная графика» позволит будущим специалистам получить компетенции во владении электронными средствами создания геометрических моделей, чертежей и другой конструкторской документации, используя системы автоматизированного проектирования (САПР/CAD) [6].

Основная часть

В настоящее время разнообразие учебных планов и программ обучения позволяет рассматривать преподавание инженерных дисциплин как фундаментальную инженерную подготовку будущих специалистов. Нередко можно наблюдать слияние этих дисциплин в одну, например, дисциплина «Инженерная и компьютерная графика». Это происходит вследствие того, что сейчас уже невозможно представить деятельность инженера-конструктора или инженера-проектировщика без электронных средств создания конструкторской документации и геометрического моделирования [7, 8].

Использование современных цифровых средств является широко используемым методом для облегчения работы инженера и расширения возможности моделирования и проектирования объектов различной сложности. Поэтому невозможно уже представить разработку методологии преподавания графических дисциплин без учета систем автоматизированного проектирования, которые позволяют более эффективно решать современные инженерные задачи [9, 10].

В современный период цифровизации в вузах используют различное программное обеспечение для создания конструкторской документации, которое позволяет выполнять не только тривиальные задачи создания чертежа, но и обеспечить аппаратом для компьютерного графического моделирования, создания технической документации от стадии технического задания до изготовления и отслеживания всего жизненного цикла объектов производства. Популярными в вузах стали программный комплекс КОМПАС-3D и платформа NanoCAD, которые условно разделились на направления подготовки инженеров-механиков и инженеров-строителей соответственно. Данные программы позволяют ускорить и упростить получение чертежей, создавать геометрические модели строительных конструкций и сборочных единиц машин для определения проектных и конструкторских решений, провести расчеты и оптимизацию [11, 12].

Использование современных цифровых средств создания чертежей и других конструкторских документов, проведение расчетов и анализа разрабатываемых объектов приводит к необходимости модернизировать подход к изложению материала и выполнению графических и расчетнографических работ для будущих инженеров уже с электронных устройств. Поэтому следует определить последовательность выполнения расчетнографической работы, задачей которой является закрепление навыков создания инженерных конструкций в современных САПР на примере CAD-программы NanoCAD.

Платформа NanoCAD – это российская разработка программного обеспечения (ПО) для создания объектов различной сложности. Данное ПО реализует задачи создания технологий автоматизированного проектирования (САПР/CAD), информационного моделирования (ТИМ/BIM) и сопровождения объектов промышленного и гражданского строительства (ПГС) на всех этапах жизненного цикла, а также сквозной цифровизации всех процессов в производстве. В описываемом продукте используется формат .dwg и IFC, что делает ее современным решением для совмещения САПР- и BIM-технологий [13].

Оперативной задачей в курсе подготовки инженеров-строителей является создание новых методик выполнения расчетно-графических работ, которые будут включать в себя как плоские изображения, так и геометрическую модель с возможностью расчетов в среде САПР. Рассмотрим одну из расчетно-графических работ в курсе «Инженерная и компьютерная графика» студентов строительного направления подготовки на тему «Проекции с числовыми отметками».

Метод с числовыми отметками позволяет получать изображения в вертикальных координатах, которые дают представление о размерах строительного объекта, уклонах поверхности и объеме земляных работ. Такие изображения позволяют выполнять чертежи строительной площадки, пере- сечения автомобильных дорог, мостовые подходы и подъезды и т. д. [14].

Представленная РГР в курсе изучения графической дисциплины выполняется в бумажном виде с использованием стандартных чертежных инструментов. Указанный подход обусловлен методом преподавания важной для создания фундамента инженера дисциплины, которая неразрывно связана с будущей профессиональной деятельностью студентов. Выполнение РГР ручным способом позволяет более глубоко вникнуть и разобраться со всеми нюансами графического построения, а также выработать понимание, как расположено и каким способом было получено то или иное изображение [15, 16]. В целом освоение геометрографических дисциплин невозможно без знания логики и последовательности представления объектов в виде чертежа [15, 17, 18]. Качественно подготовленный специалист, в первую очередь, должен знать необходимые правила и последовательность действий при формировании изображений, чтобы другой инженер смог прочитать и понять информацию в созданных графических документах. Конечно, без современных инструментов невозможно представить деятельность инженера, но прежде чем брать в руки инструмент, необходимо знать, что с этим инструментом делать и как использовать для получения конкретного ожидаемого результата. Задачей геометро-графических дисциплин является не только освоение электронных средств создания конструкторской документации, но и получение инженерных компетенций для формирования знаний и мышления, позволяющих использовать методы визуальнографического представления объектов и процессов любого производства [16, 19, 20].

Построения, производимые в работе, требуют необходимой точности для дальнейших расчетов и создания картограммы земляных работ, что делает их трудоемкими. Чтобы произвести расчеты и визуализировать рассматриваемые поверхности и сооружения, предлагается использовать цифровой инструмент, который позволяет упростить и успешно выполнить необходимые построения, вносить изменения в имеющиеся изображения на основе анализа конструкции [15, 16].

Предлагаемая в работе методика выполнения РГР состоит из следующих этапов:

• 1.    Постановка задачи.

• 2.    Разработка алгоритма выполнения РГР с использованием репродуктивного метода обучения.

• 3.    Получение навыков использования САПР NanoCAD для создания плоского рабочего чертежа и моделирования с последующими инженерными расчетами при проектировании строительной площадки на заданной топографической поверхности при индивидуальном (самостоятельном) выполнении РГР.

• 4.    Выполнение анализа результатов работы для определения путей дальнейшей оптимизации.

Задача работы заключается в следующем: на заданной топографической поверхности необходимо выполнить построение сооружения, которое включает в себя горизонтальную строительную площадку и дорогу съезда с площадки (аппарель). Топографическая поверхность имеет уклон в одну сторону, и площадка расположена таким образом, что одна ее часть располагается в выемке, а другая часть – в насыпи. Исходными данными к работе являются топографическая поверхность, контур площадки, высотная отметка площадки, уклоны съезда (1:6), выемки (1:1) и насыпи (1:1,5), масштаб 1:200 (рис. 1).

Топографическая поверхность в инженерных изысканиях не описывается математическими уравнениями, и примером такой поверхности служит рельеф местности. На чертеже такая поверх-

Рис. 1. Чертеж исходной поверхности

ность изображается проекциями кривых линий, которые называют горизонталями. Горизонталь имеет определенную высотную отметку. В современных цифровых средствах топографическая поверхность формируется на основе облака высотных геоточек [14].

Алгоритм выполнения работы будет включать следующие пункты [14]:

• 1)    построение графика масштабов уклонов для определения величины интервала заложения (рис. 2);

Рис. 2. График масштабов уклонов (Δh – изменение высотной отметки; р в , р н . р с – величина заложения для выемки, насыпи и съезда соответственно;

L – заложение; i о.в. , i о.н. , i о.с. – уклон откосов выемки, насыпи и съезда соответственно)

• 2)    определение границы выемки и насыпи на пересечении границ площадки с горизонталью топографической поверхности, которая соответствует высоте размещения строительной площадки;

• 3)    построение проектных горизонталей строительной площадки и аппарели с использованием масштабов проградуированных в соответствии с уклоном выемки, насыпи и аппарели по определенному интервалу заложения;

• 4)    построение линий пересечения откосов площадки с откосами аппарели, используя точки пересечения горизонталей откосов с одинаковыми высотными отметками;

• 5)    нанесение бергштрихов перпендикулярно горизонталям откосов строительной площадки и аппарели с учетом того, что направление бергштриха показывает направления стока воды и вычерчивается в верхней части откоса;

• 6)    построение границы земляных работ, которая представляет собой линию пересечения откосов строительной площадки и аппарели с топографической поверхностью, построенную по точкам пересечения горизонталей откосов строительной площадки и аппарели с горизонталями топографической поверхности соответствующей высоты.

В результате выполнение указанных пунктов алгоритма позволит определить границы земляных работ, сформировать представление о конструкции и параметрах сооружения, что соответствует требованиям задания (рис. 3).

Для проведения расчетов и визуализации исходной поверхности, площадки и съезда в NanoCAD был использован модуль «Топоплан», содержащий команды для создания и расчетов топографических и проектных поверхностей. Использование указанного модуля позволяет усовершенствовать методику выполнения РГР и продолжить следующими пунктами:

• 7)    сформировать по плоскому чертежу облака высотных геоточек исходной (рис. 4) и проектной поверхностей (рис. 5);

• 8)    построить модели рассматриваемых поверхностей по сформированным облакам высотных геоточек (рис. 6, 7);

• 9)    рассчитать объем земляных работ посредством последующего наложения исходной и проектной поверхностей (рис. 8).

  

  Рис. 3. Результат выполнения построений согласно пунктам 2–6

  
  
  

  Рис. 4. Облако геоточек исходной поверхности               Рис. 5. Облако геоточек проектной

  поверхности (выемка, площадка, насыпь, съезд)

  
  
  

  Рис. 6. Модель исходной поверхности

  
  

  Рис. 7. Модель проектной поверхности (выемка, площадка, насыпь, съезд)

  

  а)

  в Выберите фактическую поверхность (сеть или многогранную сеть) или [?]:

  1 найдено

  Применить параметры [Да/Нет/Сохрвдок/сохрвРеестр] <Да>:

  2 Снимаемый объем = 10345.57 куб. мм. Насыпаемый объем = 10979.04 куб. мм

  8 Перемещаемый объем = 21324.60 куб. мм. Балансовый объем = -633.47 куб. мм

  v Суммарный объем = 21324.60 куб. мм

  
  

• 5 Завершено за 0.5 сек

б)

Рис. 8. Анализ построенных исходной и проектной поверхностей:

• а) пересечение построенных поверхностей; б) расчет объемов земляных работ средствами NanoCAD

В процессе наложения и пересечения исходной и проектной поверхностей можно наглядно представить конечный результат формирования строительной площадки и съезда на исходном рельефе (см. рис. 8), а также в результате анализа полученных моделей произвести оптимизационные расчеты и определить наиболее экономически выгодную схему организации строительной площадки.

Выводы

• 1.    Разработана методика выполнения расчетно-графической работы «Проекции с числовыми отметками» посредством усовершенствования алгоритма выполнения указанной работы «вручную».

• 2.    Разработанная методика позволяет:

  – расширить методологию изучения геометрографических дисциплин, что выражается в получении студентами компетенции по моделированию и расчетам топографических поверхностей с использованием САПР NanoCAD для увеличения эффективности подготовки современных инженерно-строительных кадров;

• –    оперативно и наглядно решать геометрографические задачи по проектированию строительной площадки с выполнением сложных математических расчетов объемов земляных работ;

• –    проводить оптимизационные расчеты на основе анализа конструкции строительной площадки для достижения лучшего экономического эффекта при организации строительной площадки.