XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

3 D моделирование в архитектуре с Филеасом Фоггом

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Крохалев Д.И. 1

---

1МАОУ СОШ N69

Литвинова А.А. 1

---

1МАОУ СОШN69

Работа в формате PDF

876 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Меня зовут Крохалев Денис, мне 8 лет. Летом я наблюдал за работой макетчика, который создавал модели для «Макета Москвы» на ВДНХ и захотел создать объемные макеты зданий. Я решил сделать объемные модели достопримечательностей стран, которые посетил Филеас Фог, когда совершал свое кругосветное путешествие за 80 дней.

Цель: сделать объемные модели мировых достопримечательностей.

Задачи:

Выбрать достопримечательности по маршруту путешествия Филеаса Фогга.

Изучить, как сделать здание из простых объемных фигур.

Изучить работу программы создания объемных моделей.

Изучить работу 3D принтера.

Рассказать ребятам о возможности создания объемных моделей.

Объект исследования: архитектурные строения

Предмет исследования: 3D моделирование в архитектуре

Методы исследования: 

Анализ литературы и интернет-ресурсов.

Собеседование с инженером.

Программирование, изучение программы 3D моделирования.

Освоение работы 3D принтера.

Запись видеоуроков.

Новизна:  3D принтер, в отличии от моделирования из пластилина или бумаги, позволяет создать точные копии зданий.

Практическая значимость: 3D моделирование можно рассматривать как увлекательную игру, которая развивает пространственное мышление и углубляет знания объемной геометрии. Уже с начальных классов дети могут освоить 3D программирование. Эти навыки можно использовать в обучающих и научных проектах, а для кого-нибудь станут основой будущей профессии.

Кругосветное путешествие Филеаса Фогга

В 1872 году французский писатель Жуль Верн написал роман «Вокруг света за 80 дней». Я с интересом следил за путешествием англичанина Филеаса Фога и его слуги Паспарту, которым нужно было за 80 дней совершить кругосветное путешествие, чтобы выиграть пари.

Сейчас можно облететь всю Землю в считанные дни. Но тогда, в конце 19-го века не было ни машин, ни скоростных поездов, ни самолетов. Поэтому посещение каждой страны было как маленькое путешествие.

Я решил выбрать достопримечательности для объемных макетов. Для этого я сделал список стран пути следования Филеаса Фога. Я посмотрел столицы этих стран и главные достопримечательности. Что у меня получилось, я оформил в Таблицу 1.

Таблица 1. Путешествие Филеаса Фогга, страны, столицы, достопримечательности.

Пока я делал работу, я изучил маршрут кругосветного путешествия Филеаса Фогга, выучил страны и их столицы, выбрал самые известные и интересные здания по маршруту следования друзей в романе. Когда я выбрал понравившиеся мне здания, обнаружил, что четыре из них (Колизей, Пирамида Хеопса, Великая Китайская стена, Тадж-Махал) входят в число Семи Чудес Света.

Семейство простых геометрических фигур

Для объемного моделирования нам нужны объемные фигуры. Я знаком с плоскими фигурами. Дополнительно я изучил понятие граней, ребер и углов объемных фигур. Плоские фигуры можно целиком расположить на одной плоскости или их можно обвести на бумаге, и получится такая же фигура. Объемные фигуры занимают определенное пространство, они возвышаются над плоской поверхностью. Объемную фигуру нельзя прижать к парте, между партой и рукой будет место. Если объемную фигуру обвести на бумаге – получится плоская. Причем если обводить разные по форме фигуры, может получаться одна и та же плоская фигура.

Оказывается, все объемные фигуры чем-то похожи друг на друга. Для того, чтобы разобраться, какие объемные фигуры «дружат» между собой, я оформил все простые геометрические фигуры в таблицу, которая похожа на дом, в котором есть этажи и подъезды (Приложение1.). На нижнем «этаже» живут плоские объемные фигуры. Все объемные фигуры в одном подъезде на этажах выше в основании имеют одну плоскую фигуру.

Если посмотреть на мою таблицу, становится понятно, что общего между объемными фигурами. Конус, шар, цилиндр имеют в своем основании круг и их можно катать. В соседнем «подъезде» пирамида, призма и многогранник. В основании этих фигур будут плоские фигуры с углами. Если в основании многоугольник с большим количеством углов, 8-15, то такая фигура становится похожа на друзей из соседнего подъезда. Пирамида-шатер начинает кататься вокруг своей вершины, а многоугольную призму можно катать, как цилиндр. Поэтому карандаш в форме 6-угольной призмы можно катить, но укатится он недалеко. Его остановят грани.

Я познакомился с основными геометрическими фигурами. Теперь можно приступать к конструированию зданий.

Создание зданий из простых геометрических фигур.

Для объемного моделирования я выбрал 6 мировых достопримечательностей по маршруту путешествия Филеаса Фогга: английскую башню Биг Бен, итальянский Колизей, египетскую пирамиду Хеопса, индийский Тадж Махал, Великую Китайскую стену и Флэтайрон билдинг из США. Я внимательно рассмотрел фотографии зданий и подумал, из каких объемных фигур можно сделать мировые достопримечательности. Данные оформил в Таблицу 2.

Таблица 2. Геометрические фигуры, необходимые для строительства

Я внимательно рассмотрел здания и понял, что самые известные достопримечательности состоят из самых простых геометрических фигур. Ведь именно простые геометрические фигуры смотрятся гармонично и имеют наибольшую устойчивость. Поэтому много веков потомки могут восхищаться творениями архитекторов.

Пропорция и масштаб.

Если мы захотим изобразить человека, мы не сможем его нарисовать на альбомном листе того роста, который он имеет. Необходимо уменьшить реальный объект для его изображения. Но чтобы человек был похож сам на себя, а не на инопланетянина или осьминога, нам нужно соблюдать пропорции.

Слово «пропорция» происходит от латинского proportio, означающего соразмерность, определенное соотношение частей между собой.

Пропорции используются в кулинарии, медицине, для пошива одежды, при моделировании, и, конечно, в географии и строительстве.

При использовании объектов большого размера используют пропорцию – масштаб. Слово «масштаб» пришло к нам из немецкого языка. Мас означает «мера», а штаб означает «размер», что уже говорит о связи с математикой.

Люди всегда рисовали уменьшенные изображения местности, причем разные участки изображения уменьшали произвольно, в разной степени. Поэтому старинные чертежи местности не дают возможности понять, например, каково расстояние между берегами реки, чему равна длина реки и т.д. Чтобы план местности был более точным, необходимо все его детали уменьшать в одно и тоже число раз с сохранением всех пропорций. Примером служат карты. На карте участки земной поверхности изображаются в уменьшенном виде. Например, отрезок в 1 см на карте – это 1 м на местности. Найдем отношение длин отрезков. 1м=100 см, значит 1:100, будет говорить о том, что 1 см изображения соответствует 100 см реального объекта. Единицы измерения должны совпадать. Масштаб показывает, во сколько раз расстояние на изображении меньше (или больше), чем расстояние на реальном объекте.

Архитекторы тоже применяют понятие масштаба. С тех пор как научились возводить сначала простые, а потом более сложные сооружения, мастера стали использовать при строительстве рисунки, а затем чертежи. Сначала чертежи выполнялись в натуральную величину непосредственно на земле, на месте будущего сооружения. В дальнейшем такие планы-чертежи стали выполнять на пергаменте, дереве и холсте в уменьшенном виде. Сейчас при проектировании здания, архитекторы пропорционально уменьшают его размеры.

Я решил использовать пропорции, чтобы мои маленькие модели зданий были похожи на настоящие. Я сделаю все здания в одном масштабе, чтобы их можно было поставить рядом и сравнить их друг с другом. Я приму 10 м за 1 см. 10 м=1000 см. Значит мои здания будут в масштабе 1:1000. Данные я занесу в Таблицу 3, чтобы можно было проектировать здания.

Таблица 3. Размеры 3D моделей в масштабе 1:1000

Возможности программирования в Tinkercad.

Я нашел в Интернет простую программу, в которой можно строить объемные фигуры прямо на сайте и создавать файлы для распечатки на 3D принтере. Программа называется Tinkercad, она на русском языке и находится по адресу https://www.tinkercad.com/.

В программе есть основные объемные фигуры: сфера, параллелепипед, конус, пирамида, цилиндр, многоугольник (призма). Есть варианты этих фигур, чтобы сразу использовать в строительстве: треугольная призма – крыша и клин, усеченный цилиндр – круглая кровля, сфера – полусфера, цилиндр с отверстием в центре – труба. А также сложные объемные элементы – звезда, сердце, кольцо, тор, бриллиант. Из объемных фигур можно построить любое здание. А также фигурами можно вырезать отверствия.

Есть кнопки управления макетом. Есть возможность посмотреть сверху, снизу, сбоку, посмотреть с точки строительства объекта, приблизить или уменьшить объект.

После создания объекта, макет сохраняется в файл в специальном расширении для объемных моделей (Приложение 2). Потом его можно будет посмотреть на другом компьютере в объемном виде или распечатать на 3D принтере.

Работа в Tinkercad оказалась простой для освоения. Сначала нужно было приложить усилия, чтобы понять, как все работает, но уже очень скоро я научился работать мышью и стал создавать 3D модели зданий. Это оказалось так же интересно, как строить замки из кубиков, только в виртуальной реальности можно создать любую фигуру и любую форму. Я бы хотел, чтобы ребята, которые любят конструировать, тоже попробовали поработать в этой программе.

Как работает 3D принтер.

Я уже работал с 3D ручкой. Работа 3D принтера похожа на работу 3D ручки. Вместо чернил в 3D ручку заправляется пластиковая нить, она плавится, и расплавленным пластиком можно создавать объемные фигуры и рисовать по воздуху. В 3D принтер также вставляется пластиковая нить, которая создает фигуры по траектории, в точности повторяя элементы запрограммированной модели.

А еще работа 3D принтера похожа на работу обычного принтера. Его так и изобрели – в 1993 году американские студенты усовершенствовали обычный бумажный принтер. Так появилась струйная 3D печать. Работает струйная печать так: печатная головка наносит материал по границам модели, и частицы каждого нового слоя склеиваются между собой. Этот цикл повторяется, пока изделие не будет готово. 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина.

Вот из каких деталей состоит 3D-принтер, не считая корпуса (Приложение 3):

экструдер, или печатающая головка — разогревает поверхность, выдавливает полужидкий пластик, который подается в виде нитей;

рабочий стол — на нем принтер формирует детали и выращивает изделия;

двигатели — приводят в движение детали, отвечают за точность и скорость печати;

фиксаторы — датчики, которые определяют координаты печати и ограничивают подвижные детали;

рама — соединяет все элементы принтера.

При изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу вверх, пока не получится копия формы чертежа. Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится следующий, и печатающая головка двигается, пока на рабочей поверхности не окажется готовый предмет.

Я создал чертеж в программе TinkerCad, затем сохранил в формате STL. Потом нужно подготовить 3D-модель к печати. Это делается методом слайсинга (slice — часть). К примеру, чтобы распечатать игрушку, ее модель нужно с помощью программ-слайсеров «разбить» на слои и передать их на принтер. Слайсер показывает принтеру, как печатать предмет: по какому контуру двигаться печатной головке, с какой скоростью, какую толщину слоев делать. Далее компьютер передает модель принтеру. Компьютер загружает файл в принтер и запускает 3D-печать. Теперь можно наблюдать за печатью (Приложение 3)! Мои большие объекты, Пирамида Хеопса и Колизей печатались целый день. А печать небольших объектов занимает около часа.

Для принтера можно использовать разные материалы. Если нужна прочная вещь, используется ABS пластик. Я сделал фигуры из пластика PLA. Он работает при заниженной температуре плавления. Кроме того, данный состав изготавливается из натуральных компонентов, что делает его биоразлагаемым. Срок годности таких фигур меньше, чем деталей из ABS-сплавов, около 10 лет.

Изделия из пластика после распечатки нужно дополнительно обработать: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами и почти всегда с ребристой поверхностью. Мои детали были обработаны – зашлифованы края, которыми можно было порезаться, удалены маленькие повреждения.

Процесс 3D печати легкий в освоении. Скоро будет проще напечатать нужную деталь на принтере, чем сходить за ней в магазин.

Курс 3D моделирования для школьников

Работа по объемному моделированию оказалась такая увлекательная, интересная и легкая в освоении, что я захотел, чтобы у ребят моего возраста была возможность ее освоить. Видеоуроки в интернете по объемному моделированию созданы для взрослых, или на тех, кто уже хорошо владеет компьютером. Но в самом начале работы очень важно понять основные моменты. Поэтому я хочу записать несколько уроков для начинающих.

Урок 1. Размещение объекта на рабочей поверхности. Работа с клавишами мыши. Разворот изображения. Возможности посмотреть на объект снизу, сверху, сбоку.

Урок 2. Работа с объектом. Изменение размеров. Изменение размеров с сохранением масштаба. Перемещение объекта по горизонтали. Перемещение объекта по вертикали. Разворот объекта.

Урок 3. Работа с простыми геометрическими формами. Цилиндр. Конус. Сфера. Параллелепипед. Многоугольник.

Урок 4. Объединение и разъединение объектов. Создание отверстий.

Урок 5. Работа с пирамидой. Создание макета Пирамиды Хеопса.

Урок 6. Работа с параллелепипедами. Макет Великой Китайской Стены.

Урок 6. Цилиндр или призма. Создание макета Колизея.

Урок 7. Комбинация разных форм. Создание макета индийской пагоды.

Я уверен, что после подробного объяснения многим ребятам понравится работать в программе. И может быть, кто-нибудь потом станет дизайнером, архитектором или конструктором.

Заключение.

В ходе работы я познакомился с увлекательным приключенческим романом Жуля Верна, изучил маршрут кругосветного путешествия Филеаса Фогга, познакомился с архитектурой разных частей света, составил 3D модели мировых достопримечательностей с соблюдением масштаба. Как же интересно разместить самые известные здания на одном столе (Приложение 4)!

Я сделал следующие выводы:

Архитектурные достопримечательности разных стран удивительны и многообразны, но в основе – простые геометрические формы, потому что именно такие постройки будут прочными и гармоничными, будут стоять веками и восхищать потомков.

В основе объемных фигур лежат плоские фигуры.

Немного меняя параметры основных геометрических форм, можно получать самые сложные объекты.

Используя пропорцию и масштаб можно создавать уменьшенные копии – макеты.

Архитекторы и дизайнеры для создания объемных моделей пользуются сложными программами, а для школьников возможно использование бесплатной русскоязычной программы TinkerCAD. Она не сложная в освоении, можно провести много времени, строя разные здания.

Для точного воспроизведения объемных моделей используются 3D принтеры. В таких принтерах используется принцип послойного нанесения пластика. Методика не простая и чувствительная к разным факторам, но в результате позволяет создать объемную модель любых параметров.

Я понял, что объемное моделирование применяется во многих областях: промышленности, архитектуре, дизайне, медицине и др. Поэтому очень важно развивать пространственное воображение, фантазировать и стремиться создавать новые полезные вещи сначала в виртуальном пространстве, а потом и в реальности.

Практическая значимость исследования: я показал, что любой школьник может освоить азы 3D моделирования. Макеты можно использовать в разных обучающих проектах. Я с помощью объемного моделирования совершил кругосветное путешествие, выучил названия стран и их столиц.

Список литературы

Верн Ж., Вокруг света за 80 дней. Росмэн, Москва, 2010 г.

Веселова Н.Б. Развитие пространственного мышления, конспект внеурочного занятия по наглядной геометрии Web: https://урок.рф

Как и для чего изготавливают архитектурные макеты, статья, 2019 г. Web: https://zen.yandex.ru/

Кожевникова И.П. Конструирование объемных фигур, план-конспект, Web: https://uchitelya.com

Колтинг Ф., Медина М Л.Я. Дети читают Вокруг света за 80 дней. Альпина дети, Москва, 2019 г.

Мальцева Н.В. Масштаб, урок по математике Web: https://urok.1sept.ru

Николаенкова А. 3D-принтер: что это и как он работает? Web: https://geekbrains.ru/

Программа для объемного моделирования TinkerCAD. Web: https://www.tinkercad.com/

Проект-путеводитель по 3D печати Make-3d.ru, 2016-2021 г, Web: https://make-3d.ru/

Урок №67 Объемные фигуры, Российская электронная школа Web: https://resh.edu.ru

Чернокнижникова Л.М., Пропорция вокруг нас, презентация к уроку. Web: https://urok.1sept.ru

Приложение 1. Плоские и объемные фигуры.

Приложение 2. Объемные модели в Tinkercad.

Приложение 3. Как работает 3D принтер.

П риложение 4. Макеты мировых достопримечательностей.