Bản vẽ kỹ thuật đi từ bàn vẽ, thước chữ T và bút mực trên giấy can, sang phần mềm vẽ hai chiều trên máy tính từ thập niên 1980, rồi tới mô hình ba chiều tham số và mô hình thông tin công trình (BIM) ngày nay. Mốc khởi đầu thường được nhắc là Sketchpad, chương trình Ivan Sutherland viết ở MIT năm 1963, cho phép vẽ trực tiếp lên màn hình bằng bút quang. Dù công cụ đổi, ngôn ngữ hình chiếu của Monge vẫn là nền.
Bài này kể lại hành trình đó, giải thích sự khác nhau giữa vẽ hai chiều, mô hình ba chiều và mô hình tham số, và điều gì người học hôm nay vẫn cần giữ từ thời bàn vẽ.
Thời bàn vẽ
Trước máy tính, phòng thiết kế của nhà máy hay văn phòng kiến trúc là những dãy bàn vẽ nghiêng, mỗi bàn có:
- Thước chữ T trượt dọc mép bàn để kẻ đường ngang song song, về sau là máy vẽ (drafting machine) với hai thước vuông góc gắn trên cánh tay xoay.
- Ê ke 45 độ và 30 – 60 độ để kẻ đường đứng và đường xiên.
- Compa, thước cong cho đường tròn và đường cong tự do.
- Bút kim nhiều cỡ nét (0,18; 0,25; 0,35; 0,5; 0,7 mm) để vẽ nét mảnh, nét đậm theo tiêu chuẩn.
- Giấy can trong mờ để in ra bản sao bằng máy in ánh sáng (bản in xanh, "blueprint").
Một bản vẽ lắp phức tạp có thể mất hàng tuần. Sửa một kích thước nghĩa là cạo mực, vẽ lại, và sửa tay mọi bản vẽ liên quan. Từ "blueprint" trong tiếng Anh đến nay vẫn dùng để chỉ "bản thiết kế", dù không ai in xanh nữa.
Những bước ngoặt
| Năm | Sự kiện |
|---|---|
| 1963 | Ivan Sutherland hoàn thành Sketchpad ở MIT: vẽ trên màn hình bằng bút quang, có ràng buộc hình học (như giữ hai đường song song). Ông nhận giải Turing năm 1988. |
| Thập niên 1960 | Pierre Bézier ở hãng Renault và Paul de Casteljau ở Citroën phát triển cách mô tả đường cong bằng các điểm điều khiển, nền của đường cong Bézier dùng khắp nơi ngày nay. |
| Thập niên 1970 | Các hãng máy bay, ô tô lớn tự phát triển hệ thống thiết kế trên máy tính lớn (mainframe). |
| 1982 | Autodesk phát hành AutoCAD chạy trên máy tính cá nhân, đưa CAD ra khỏi các tập đoàn lớn. |
| Cuối thập niên 1980 | Mô hình khối đặc tham số ra đời (Pro/ENGINEER của PTC, 1987 – 1988): thay đổi một kích thước, cả mô hình tự cập nhật. |
| 1986 | Chuck Hull nhận bằng sáng chế công nghệ in lập thể (stereolithography), mở đầu in 3D. |
| Thập niên 2000 | BIM phổ biến trong xây dựng: mô hình ba chiều chứa cả thông tin vật liệu, khối lượng, tiến độ. |
Ba kiểu làm việc trên máy tính
Vẽ hai chiều (2D CAD)
Về bản chất là bàn vẽ điện tử: người vẽ vẫn tự dựng từng hình chiếu, máy chỉ giúp kẻ thẳng, đo chính xác, sao chép, sửa nhanh. Các hình chiếu không "biết" nhau, sửa hình này phải tự sửa hình kia. Đến nay 2D CAD vẫn được dùng nhiều trong kiến trúc, nội thất, điện nước ở Việt Nam.
Mô hình ba chiều (3D)
Người thiết kế dựng vật trực tiếp trong không gian ba chiều, rồi máy tự sinh các hình chiếu, hình cắt, hình trục đo. Có hai cách chính:
- Mô hình bề mặt / lưới (mesh): vật là tập hợp các mặt tam giác nhỏ. Dùng nhiều trong hoạt hình, hiệu ứng, in 3D.
- Mô hình khối đặc (solid): máy biết đâu là bên trong, đâu là bên ngoài, tính được thể tích, khối lượng. Dùng cho kỹ thuật cơ khí.
Mô hình tham số
Mỗi đặc điểm (lỗ, rãnh, vát mép) được tạo bằng một thao tác có tham số ghi lại theo thứ tự, kèm các ràng buộc như "lỗ này luôn nằm giữa", "hai mặt này luôn song song". Đổi chiều dài từ 100 thành 120 mm, mọi thứ liên quan tự cập nhật, kể cả bản vẽ. Đây là cách làm chuẩn trong thiết kế sản phẩm công nghiệp hiện nay.
Cái gì thay đổi, cái gì còn nguyên
| Đã thay đổi | Vẫn còn nguyên |
|---|---|
| Tốc độ vẽ, sửa, sao chép | Phép chiếu vuông góc và cách bố trí hình chiếu |
| Máy tự sinh hình chiếu, hình cắt | Quy ước nét vẽ, ký hiệu vật liệu, ghi kích thước |
| Tự kiểm va chạm giữa các chi tiết | Yêu cầu người thiết kế hình dung được vật |
| Xuất thẳng sang máy gia công, máy in 3D | Người thợ ở xưởng vẫn đọc bản vẽ in |
Một hiện tượng được nhiều giảng viên kỹ thuật nhắc tới: sinh viên học thẳng phần mềm mà bỏ qua vẽ tay và vẽ phác thường dựng mô hình nhanh, nhưng lúng túng khi phải tự hình dung một ý tưởng trước khi mở máy, hoặc khi đọc một bản vẽ giấy ở công trường. Vì vậy nhiều chương trình đào tạo vẫn giữ môn vẽ kỹ thuật tay và hình học hoạ hình ở năm nhất.
In 3D và thực tế ảo: hình dung trở thành vật thật
In 3D cho phép biến mô hình trên máy thành vật cầm tay trong vài giờ. Với người học, đây là cách kiểm tra trí tưởng tượng rất trực tiếp: dựng một khối từ ba hình chiếu, in ra, rồi xem nó có đúng như hình dung. Thực tế ảo và thực tế tăng cường cho phép "đi" vào bên trong một ngôi nhà chưa xây, hay xoay một động cơ lơ lửng trước mặt. Các nghiên cứu giáo dục đang thử dùng chúng để luyện kỹ năng không gian, với kết quả ban đầu khả quan nhưng còn cần thêm bằng chứng.
Góc nhìn hôm nay: bắt đầu từ đâu
- Vẽ tay trước. Học ba hình chiếu và vẽ phác trên giấy vài tuần để có nền.
- Thử một phần mềm dựng hình 3D miễn phí hoặc bản học tập (nhiều phần mềm CAD lớn có bản miễn phí cho học sinh, sinh viên, hoặc có phần mềm mã nguồn mở). Dựng lại chính những vật đã vẽ tay.
- Cho máy sinh ba hình chiếu từ mô hình, so với bản vẽ tay của mình. Chỗ nào khác là chỗ hình dung còn sai.
- In 3D nếu có điều kiện: nhiều trường học, thư viện và xưởng chế tạo cộng đồng (makerspace) ở các thành phố lớn có máy in 3D cho thuê theo giờ.
Câu hỏi thường gặp
CAD là gì?
CAD là viết tắt của thiết kế có máy tính hỗ trợ (Computer-Aided Design), tức dùng phần mềm để vẽ bản vẽ kỹ thuật hai chiều hoặc dựng mô hình ba chiều của sản phẩm, công trình. AutoCAD phát hành năm 1982 là một trong những phần mềm phổ biến đầu tiên trên máy tính cá nhân.
Phần mềm CAD đầu tiên là gì?
Sketchpad, do Ivan Sutherland viết ở MIT năm 1963, thường được coi là chương trình tiền thân của CAD. Nó cho phép vẽ trực tiếp lên màn hình bằng bút quang và có các ràng buộc hình học.
Mô hình tham số khác vẽ 2D thế nào?
Trong vẽ 2D, người vẽ tự dựng từng hình chiếu và sửa từng hình riêng. Trong mô hình tham số, vật được dựng ba chiều với các kích thước và ràng buộc ghi lại, đổi một số thì cả mô hình và bản vẽ tự cập nhật.
Có còn cần học vẽ kỹ thuật bằng tay không?
Vẫn nên học. Vẽ tay và vẽ phác rèn khả năng hình dung trước khi mở máy, giúp đọc bản vẽ in ở xưởng, công trường và hiểu phần mềm đang làm gì. Nhiều trường kỹ thuật vẫn giữ môn này ở năm đầu.
Vì sao bản thiết kế gọi là blueprint?
Vì trước đây bản vẽ trên giấy can được sao chép bằng máy in ánh sáng cho ra nét trắng trên nền xanh. Kỹ thuật này đã lỗi thời nhưng từ blueprint vẫn được dùng để chỉ bản thiết kế.