本科毕设论文斜拉桥建设的科普型动画课件研究.docx
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本科毕设论文斜拉桥建设的科普型动画课件研究
本科毕业论文（设计）
题目斜拉桥建设的科普型动画课件研究
华中师范大学
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目 录
内容摘要……………………………………………………………………1
关键词……………………………………………………………………1
Abstract……………………………………………………………………1
KeyWords…………………………………………………………………1
1．绪论……………………………………………………………………1
1.1选题研究的依据与意义…………………………………………1
1.2选题研究的现状…………………………………………………1
1.3选题研究的内容与框架…………………………………………2
2．三维动画在桥梁教学中的应用………………………………………3
2.1三维动画的定义及应用现状……………………………………3
2.2用三维动画实现桥梁教学……………………………………4
3．桥梁设计思路…………………………………………………………4
3.1桥梁的需求分析………………………………………………4
3.2内容选择………………………………………………5
3.3桥梁的设计过程……………………………………………………5
4.三维动画实现……………………………………………………………5
4.1岸边沉井建设……………………………………………………5
4.2沉井下水、水底加固、打桩排水、沉井封顶过程………………8
4.3索塔的建设…………………………………………………………14
4.4路面及斜拉索的建设………………………………………………22
4.5引桥的建设…………………………………………………………26
5.小结
5.1本文的主要工作……………………………………………………27
5.2作品的使用评价与不足………………………………………………27
参考文献…………………………………………………………………28
致谢………………………………………………………………………
内容摘要：
在飞速发展的当今社会，越来越多的信息被转化为多媒体，在教学中多媒体也同样起到了至关重要的作用。
本文就三维动画多媒体在土建桥梁专业教学的应用现状加以分析，得出在日常教学方面概述桥梁建筑施工类的课件较为匮乏。
将自身自身教育技术学的所学3D动画知识与桥梁建筑知识相结合来制作一部表现桥梁建筑施工过程的课件，以方便日常的教学活动。
在制作过程中首先分析现代桥梁的内容，选定以斜拉桥为代表的应用预应力混凝土技术现代桥梁。
在动画实现方面应用3DMAX、Premier软件，并且详细叙述了三维建模动画的过程。
动画制作完成后对动画进行使用测评修改，为学习者了解桥梁建筑施工过程提供便利条件。
关键词：
建筑多媒体课件桥梁三维动画桥梁建设
1绪论
1.1选题研究依据与意义
随着信息社会的发展，越来越多的文字信息被转化为图片视频动画。
人们也越来越倾向于获取并吸收图文并茂的信息。
随着信息技术和计算机技术的飞速发展,以多媒体教学形式为代表的教学手段的改革,多媒体教学手段在课堂教学中的作用已经表明:
不断加强和改进多媒体教学手段和与之对应的方法,在现阶段对提高教学效果和教学水平有着更重要、更现实的意义。
尤其在一些理工类教学中，多媒体动画技术将一些本来因为条件有所限制不能展示的知识点以及实验更加形象的准确的展示在学生面前。
因此本次的选题就根据多媒体在现在教学中的应用情况，选择了一项桥梁建筑的动画实现过程来更加形象的展示出一座桥梁从开始施工到结束建成的整体过程，这种过程在以往的教学中基本都是教师口述分成各个零碎的知识点来进行讲解。
但是在应用多媒体后通过三维动画的制作来辅助教学，可以将桥梁的整体建筑过程以及相关的专业知识点系统的，生动形象的展示在学生面前。
让学生对于桥梁的建设有一个更为系统的全面的认识。
1.2选题研究的现状
现今的多媒体技术主要应用在教育、商业广告、影视娱乐、医疗、旅游、人工智能模拟、办公自动化、通信等方面。
而在教育方面多媒体的作用正在逐步增大。
多媒体在学科教学中的扮演着至关重要的角色。
尤其是在一些理工类的教学中，它可以发挥出巨大的优势。
因此本论文研究的选题为多媒体在土木工程建筑中的应用。
土木工程是建造各类工程设施的学科。
它与其他课程相比，存在实践性、综合性、独立性和理论跨度大等特点。
长期的传统教学实践表明，土木工程课程教学一直存在：
①．课程要求与实践脱节，教材内容滞后于实践。
②教学方式存在较大缺点
③．教学计划有待改进
而建筑多媒体的出现解决了这些问题，所以多媒体在现今土木建筑教学中应用较为广泛，因为多媒体是表现建筑过程及方法的最好方式之一。
而多媒体充分利用文字图片解说音乐动画及所有数字媒体手段对建筑设计进行全方位的生动的阐述，提纲挈领的把传统教育方式难以表达的抽象知识点以最真实明了的方式展示给学习者。
让学习者在理论学习的同时能够兼顾实践学习。
在教学中建筑多媒体也可以根据时代的发展来进行修改或重新设计以弥补教材内容的滞后性。
在教学方式上也摆脱了传统的讲授法，而是将教学的主体偏移向了学习者，同时这些多媒体课件也更加方便了学习者课后的复习总结。
所以多媒体技术在土木建筑教学中扮演者越来越重要的角色。
1.3选题研究的内容与框架
本篇论文的主要内容为，通过研究了解多媒体在教学中应用的特点，针对土木建筑这一学科选取桥梁建筑这一项，通过三维动画设计实现桥梁建筑的全过程，使之为教学服务。
本篇论文主要流程为：
在选题确定之后，通过阅读文献了解多媒体在现代土建教学中的应用。
了解以桥梁建筑方面为例的多媒体特性，以及现今建筑多媒体的优缺点。
将土建方面多媒体的优缺点进行记录为动画的制作提供参照。
通过阅读文献了解桥梁建筑的专业知识，弄清桥梁建筑的一般过程，因地制宜的设计桥梁建筑的动画。
再根据桥梁建筑的专业知识来设计桥梁建筑的动画并实现，在实现的过程中以桥梁建筑的专业知识为指导，在设计过程中应注意向学习者展示桥梁建设的重点及难点。
应用3DMAX软件进行制作，经过建模，动画，材质，灯光，渲染，后期视频文字及声音编辑等过程来完成动画的制作。
最后对制作完成的动画进行总结与效果测评。
2．三维动画在桥梁教学中的应用
2.1三维动画的定义及应用现状
三维动画又被称为3D动画，是近年来随着计算机软硬件技术的发展而产生的一新兴技术。
三维动画是在计算机中首先建立一个虚拟的世界，设计师在这个虚拟的三维世界中按照要表现的对象的形状尺寸建立模型以及场景，再根据要求设定模型的运动轨迹、虚拟摄影机的运动和其它动画参数，最后按要求为模型赋上特定的材质，并打上灯光。
当这一切完成后就可以让计算机自动运算，生成最后的画面。
三维动画的发展可分为三个阶段：
①1995年至2000年是第一阶段，此阶段是三维动画的起步以及初步发展时期
②2001年至2003年为第二阶段，此阶段是三维动画的迅猛发展时期。
③04年至今，三维动画逐步入其发展的第三阶段——全盛时期。
近十几年伴随着计算机硬件，及网络的普及发展，人们越来与越喜爱动画信息，所以三维动画的也日益受到了重视，三维动画已经从最早的影视制作扩展到了教育、医疗、金融、建筑、艺术等领域。
三维动画也越来越广泛的应用于桥梁教学中，应用三维动画制作出来的课件不仅极具观赏性而且极具实用价值。
桥梁本身就是三维物体，应用三维动画可以省却很多二维图形，并且更加直观的展现给学生，让学生了解桥梁建设的每一处细节，方便教师的教学与学生的学习。
2.2用三维动画实现桥梁教学
在桥梁教学中专业的多媒体课件资源较少，教师演示的大部分是用于商业展示的成品动画，课件本身观赏性较强，但缺乏内部的桥梁建筑理论，有时桥梁建筑的关键点在课件中没有得到足够的体现。
本次制作的是为辅助桥梁教学而设计的一项斜拉桥教学动画，应用3DMAX软件的建模、动画、材质、灯光、渲染premier软件的视频合成、字幕添加、声画同步等技术对桥梁建筑过程加以实现。
制作出的动画像学生展示每一处桥梁建设的细节，桥梁建设的基础知识。
3．桥梁设计思路
3.1桥梁的需求分析
我国的桥梁历史悠久，早在古代我们的祖先就在世界桥梁建筑史上写下了许多光辉的篇章，古代桥梁的类型主要为石梁桥、木梁桥、撑架桥、栈道、吊桥、拱桥。
随着社会的发展，对交通运输能力也在逐步提高，古代的桥梁渐渐不能满足人们的生活。
随着钢材，水泥的出现，人们建造了种类繁多钢体与水泥结构的现代桥梁。
这类桥梁的出现也解决了交通压力。
随着时代的发展大跨度的桥梁也逐步被设计出来，这类桥梁的出现极大地缓解了交通压力，同时也满足了地区经济的发展。
大跨度的桥梁多数采用预应力混凝土技术，无论在桥梁形状还是跨度上都表现的非常突出，也是当今桥梁的主力军。
但是随着社会的不断发展，现今社会的桥梁数量还不能完全满足社会的需求，越来越多的桥梁还会逐步的被设计建造出来。
3.2桥梁的内容选择
桥梁的分类方法较多如图
按结构体系分类
梁式桥、拱式桥、钢架桥、斜拉桥、悬索桥
按跨径分类
特大桥、大桥、中桥、小桥
按桥面位置分类
上承式桥、重承式桥、下承式桥
按材料分类
木桥、钢桥、圬工桥、钢筋混凝土桥、预应力混凝土桥
按跨越方式分类
固定式桥、开启桥、浮桥、漫水桥
按施工方法分类
整体施工桥梁、节段施工桥梁
以上桥梁分类中最常用的分类是按结构体系分类。
按结构体系分类是以桥梁结构的力学特征为基本着眼点，有利于把握各种桥梁的基本特点，也是桥梁工程的学习重点之一。
因此本次论文选择按结构体系分类中现代较为广泛的斜拉桥为设计内容。
斜拉桥是将桥面用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。
斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大造型美观，因此不仅是大跨度桥梁的最主要桥型，而且也是当今桥梁领域的研究热门。
3.3桥梁的设计过程
桥梁的设计过程可分为以下五部：
①设计资料和技术指标（地形、地质、气象水文、活载、道路等级等）
②总体方案设计（纵向线路、桥式方案比选、横断面设计等）
③详细设计（重要构件的尺寸拟定和细节设计）
④手算或软件计算（成桥阶段内力和变形、施工阶段内力和变形）
针对软件计算：
（1）建模
（2）荷载输入
（3）边界条件
（4）运行分析
⑤根据相关规范进行强度、刚度、稳定性验算（钢结构还应做疲劳验算）
本次论文中因为条件限制没办法去进行实际的地质及气象水文道路分析，本文的主要设计思路为对斜塔桥的整体形状（跨长，横断长度）经行设计，对桥梁建设中的主要部件（围堰，主梁，钢索，索塔）进行设计，对各个部件之间的尺寸比例大小进行调节。
整座桥梁的设计流程为：
桥梁整体形状设计→岸边围堰的设计建设→围堰下水与排水打桩→水下混凝土浇筑→承台施工→索塔施工→斜拉索及路面的施工→引桥施工
4.三维动画实现
4.1岸边沉井建设
这一部分实现的是岸边沉井的建设，沉井是一种无底的筒式物体，在建筑中挖掘沉井内部的泥土依靠沉井的自重不断下沉，在接井筒下沉到一定深度时向里面灌注混凝土来完成基础的桥墩施工。
（场景一）在实现沉井建设这一模块中，一共组建了5个模型，分别为：
沉井，托底，塔吊，水面，岸边。
其中的静态模型为托底，塔吊，水面，岸边。
动态模型为沉井。
在沉井这一模型制作中首先在“创建面板”中选择标准基本体，创建一个管状体，其尺寸为外径30mm、内径29mm、高度5mm颜色为红色。
同时更名为围檐方便以后查找操作。
其次沿垂直X/Y轴方向创建一个长方体，长60mm、宽1mm、高5mm。
并且复制4个，在沿垂直Y/Z轴方向创建长方体，长1mm、宽5mm、高37mm，复制7个。
将建好的长方体移动，形成网格状态，在顶视图中进一步调整其大小使其符合围檐的大小规格，这样沉井的模型就制作完了，效果为：
将模型制作完毕后，进入了添加动画过程，这一过程中重点是表现沉井的制作过程，首先是沉井外部围堰的建设，这里用到了关键帧以及切片技术，在时间轨迹的第1帧处选中沉井的围堰在控制面板中选择“修改”选项，将下面“切片启用”选中，调整到0，在时间轨迹第60帧处按下自动关键关键点，将“切片从”后面的数字输入框中输入360，再取消自动关键点。
下图为第60帧处设置的属性：
下面是对沉井中间网格状钢架进行设置，选中沉井内部长方体，在菜单栏中选择“组”点击菜单中的“成组”按钮，命名为“沉井内部”将其沿Z轴移动到托底下方，在100帧处插入关键帧，将其移动到与围檐水平位置。
之后打开时间轨迹工作栏，在视图中选中“沉井内部”在46帧处添加关键帧，将关键帧向下移动到坐标-7.6处如图:
在沉井制作完毕之后，导入船的模型，将其安放在如下位置：
选择船、托底、沉井的整体，在180处按下“自动关键点”，沿X轴移动-150mm处。
最后对其整体进行时间轨迹坐标的调节如图：
4.2沉井下水、水底加固、打桩排水、沉井封顶过程：
这一步骤的建设是本篇论文的重点。
其动画实现过程为：
（场景一）将沉井移动到水面指定位置后，将沉井用船连接，在80帧处点击“自动关键点”并经行移动如图：
再将托底用关键帧形式移出画面。
（场景二）在沉井沉入水下后进入了水底加固的步骤，在创作面板中制作一个平面规格为长32mm、宽8mm。
在第10帧处插入关键帧，进行克隆并将其沿X轴移动8mm。
依此推制作出9个平面。
如图：
将已制作好的沉井模型合并入该场景中，调整初始位置如下：
在140帧处插入关键帧沿Z轴进行移动，直到与平面相接处。
（场景三）沉井落入水底后，要进行排水过程。
排水过程中应用模型为弯曲的排水管道，建模如下：
首先在视图中创建外径1mm、内径0.8mm、高20mm的管状体，在修改面板中的下拉菜单栏里选择“弯曲”选项。
点击修改面板里的“bend”选项选中“gizmo”，沿Z轴调节位移（如图），并且设置选项下面的参数（如图）：
排水管建完后，克隆复制5个。
按如下位置安放：
建设完毕后，制作水喷射效果。
选择创建面板中的几何体，下拉菜单选中粒子系统点击“喷射”选项，创建喷射口径调整将其移动到排水口位置，参数设置如下：
喷射建设完毕后，整体选中沉井模型，在150帧处创建处下沉的动画效果。
创建完毕后在克隆处2个沉井模型，移动位置如下：
对克隆出的两个沉井在120帧处设置动画，因为动画要有不同步效果，对两个沉井的时间轨迹进行详细设置效果如下：
（场景四）排水完毕后，就是对其进行钢筋混凝土灌注，在视图中用样条线绘制沉井截面如下图形：
对其在修改面板中选择“挤出”选项调整出数量为1.创建长方体长78mm、宽1mm、高0.2mm。
并将其克隆7个，均匀放置在沉井截面中。
接着制造钢筋模型。
在视图中创建半径为2mm、高度250mm的圆柱体，垂直放在沉井截面上方。
制作混凝土模型，创建长8mm、宽74mm、高18mm、圆角0.676的切角长方体。
放置在沉井下方。
在100帧是记录关键帧，将钢筋沿Z轴移入沉井横截面中，在230帧是记录关键帧将混凝土沿Z轴移入沉井中。
效果图如下：
（场景五）灌注混凝土后还要进行桥墩建设过程，在水面上对沉井进行封顶处理。
对露出水面的沉井部分进行辅助建筑设施建设，如图：
在沉静正上方创建两个半径为23.5mm、高0.5mm的圆柱体，并用缩放工具调整形状，分别在40帧和120帧处对其设置动画，使之沿Z轴下落。
最后于沉井上底面。
效果如下：
4.2索塔的建设
在本次制作中，塔柱建设制作了以下模型：
桥墩、内置起重机的船、主塔、横梁、塔吊、支撑台。
（场景一）桥墩属于静态模型。
它的建设方式与沉井围堰的方式相像。
首先创建半径30mm、高30mm的圆柱体。
在顶视图中对进行选择性缩放调节。
同时创建半径为3mm、高度30mm的圆柱体，均匀嵌入其表面。
再创建半径为0.5mm、高度为50mm的圆柱体设为钢筋模型。
将其嵌入桥墩圆柱体上底面中。
整体效果如下：
用切角长方体创建起重机与船模型，将各个长方体规格调整适度，效果图如下：
将船与桥墩形成动画：
在80帧是记录关键帧，沿X轴从远处移动船至桥墩处，在83帧处选中穿上起重机模型，垂直Z轴方向上旋转起重机90度，做出搬运金属动作。
下过图如下：
在桥墩上面创建金属支撑台。
效果如下：
（场景二）支撑台建模完成后，是对主塔进行建模，因为设计为A字型桥塔，所以主塔建模分为4部分：
塔身、横梁、扶梯，塔顶、塔吊。
塔身建模首先创建长380mm、宽12mm、高40、圆角0.5的切角长方体。
制作完毕后进行克隆复制。
调整两物体的旋转角度，调整后位置如下：
扶梯建设：
创建三个长方体，尺寸分别为：
长1mm、宽25mm、高2mm，长1mm、宽35.5mm、高2mm，长2mm、宽2mm、高25mm。
在分别克隆复制一个新长方体，调整三者位置关系如下：
在对其成组，命名为“扶梯部件”，将扶梯部件沿Z轴克隆复制输入克隆数值为49，之后对这50个扶梯部件成组。
将成组后的进行绕Z轴旋转90度复制，之后再均匀在扶梯中加入“H”模型。
效果如下：
将扶梯克隆复制，并且以至主塔两侧并调整角度。
横梁建模：
创建长30mm、宽42mm、高10mm的长方体。
并将其移植下面位置：
下面是对主塔，横梁，扶梯进行统一的动画设置：
首先将两个主塔以及两旁附体选中，在修改面板中打开下拉菜单栏，选择“切片”功能。
在设置中选中“移除顶部”，再在修改面板中打开切片具体设置，选择“切片平面”，将切片平面移至桥墩底部，效果如图：
在第285帧处点击关键帧，将切片平面移动到主塔顶部，使主塔全部显露出来。
在时间轨迹上对主塔切片动画做进一步修改：
点击选中横梁模型，在修改面板中点击切片，设置与主塔一致。
在120帧处记录关键帧。
将切片平面从底部移动到横梁顶部，在时间轨迹上切片平面进行进一步修改：
（场景三）塔吊的建设：
将扶梯的主体部分进行克隆复制。
在制作四根长方体，规格为长2.5mm、宽2.5mm、高350mm。
将四个长方体排列成“口”字摆放，彼此相邻的长方体间插入“X”型。
效果如下：
在将扶梯的主体部分与之垂直摆放，顶端用模型连接其两端，再安放底座与塔吊后方悬挂物。
效果如下：
（场景四）在主塔顶部的施工中，应用了两个模型一种是带凹槽的混凝土，一种是长方体的混凝土。
在凹槽的物体建模中应用了绘制样条线并挤出的方法。
首先用样条线在前视图中绘制下面的图形：
在修改面板中选中下拉菜单栏中的挤出选项，参数设置如下：
将生成后的凹槽体调整大小及位置，在其沿Z轴方向上进行克隆复制数量为6。
在凹槽体上方创建长14mm、宽24mm、高41mm的长方体，调整位置关系，后将长方体与凹槽体成组，命名为“主塔顶部”建成后效果为：
下面就是为主塔顶部添加动画。
应用与主塔相同的切片动画技术，在修改面板中选择切片选项，选择“移除顶部”选择“切片平面”将沿Z轴移动到其底部。
在450帧处插入关键帧，将切片移动到其顶部，打开时间轨迹进行添加关键帧进行详细设置如下：
主塔建成后效果图如下：
4.3路面及斜拉索的建设
路面的建设主要应用一种模型，横截面为梯形的路面，建模方式如下：
（场景一）在前视图中绘制样条线（如图），对样条线进行挤出操作，设置挤出数量为31。
放入主塔横梁上方调整大小。
调整完毕后合并前期制作的建议内置起重机的船，将路面模型放置在船上。
将船与路面模型沿X轴移动出视图边界。
对路面设置动画，在150帧处插入关键帧，将船沿X轴移动到桥墩正前方，在280处插入关键帧将路面模型沿Z轴上移，移至与塔柱横梁相同高度，在380处插入关键帧，将路面模型移入主塔内。
效果如图：
在时间轨迹的第300帧处插入关键帧，选中路面沿Y轴两个方向分别按住“shift”进行位移拖动，克隆复制数量为10.观察动画微调路面位置关系，这时路面的建设画面就一本制作完成了。
如图：
（场景二）斜拉索的建设应该与路面的建设同步进行，斜拉索的模型为圆柱体，因为斜拉索较多，这里以制作的第一组一组斜拉索为例。
首先创建半径0.8mm、高295mm的圆柱体，调整到如上图所示的位置，，在修改面板中选择“切片”，首先调整切片平面，将其上移到斜拉索顶部，在切片的控制面板中选择“移除底部”。
在30帧处插入关键帧，将切片平面沿Z轴移动到斜拉索底部。
建成后效果图如下：
下面就是添加主塔间的接缝连接，这一部分运用前面的起重机船，克隆一段道路，调整体大小，放在船上后使其沿X轴整体水平移动，在450帧处插入关键帧，移动船到大桥接缝处正下方（如图）。
在500帧处插入关键帧使接缝道路沿Z轴水平上移。
最后再讲空载的船移出画面。
两座主塔的链接就建设完成了：
4.4引桥的建设
（场景一）下面的步骤为添加引桥部分：
制作长15mm、宽35mm、高93mm、圆角1的切角长方体，为桥墩，克隆复制公路数量为5，为引桥公路，将两者成组。
移动到水平面下方，如图所示位置：
在650帧处插入关键帧，对其位置进行沿Z轴向上移动。
一个引桥的动画过程就完成了。
以此类推，制作剩余的5段引桥，最后将6段引桥连接在主塔两端效果图如下：
5.小结
5.1本文的主要工作
本文主要从多媒体动画在教学中受到与日俱增的关注入手，联系教学实际，通过分析得到在桥梁建筑教学方面三维动画的教学课件还不足以满足学习者的使用需求。
因此本文选择用三维动画来完成桥梁的建筑施工过程，本文首先对多媒体的发展现状以及在土建教学中的应用情况进行分析，得出桥梁教学较为缺少三维动画的辅助教学。
分析三维动画本身的发展与技术情况、
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