林珍偉 樓瑛

(陽(yáng)光學(xué)院 福建福州 350015)

BIM技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

林珍偉 樓瑛

(陽(yáng)光學(xué)院 福建福州 350015)

闡述BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)高等院校土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的運(yùn)用現(xiàn)狀及改革的必要性。利用REVIT創(chuàng)建實(shí)際工程三維模型作為教學(xué)案例，并基于BIM建筑模型的可視化和可模擬性等特點(diǎn)，提出BIM技術(shù)在土木工程專(zhuān)業(yè)相關(guān)課程教學(xué)中應(yīng)用的思路和方法，初步探索了高校應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)的新教學(xué)模式。

BIM技術(shù)；REIVT；土木工程課程教學(xué)；三維模型

0 引言

BIM全稱(chēng)為Building Information Modeling，中文名為“建筑信息模型”，是一種全新的建筑規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理的方法。隨著B(niǎo)IM理念在政府機(jī)構(gòu)、建筑等行業(yè)內(nèi)不斷地被充分認(rèn)可,BIM技術(shù)已經(jīng)廣泛地運(yùn)用于工業(yè)廠房、公共建筑、地鐵隧道等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)建筑業(yè)中的BIM應(yīng)用率在2012年就高達(dá)71%，而在2008只有28%(Mc Graw-Hill Construction 2012)[1]，足見(jiàn)發(fā)展之速。

盡管相較于北美地區(qū)，中國(guó)目前BIM的普及率較低。無(wú)論設(shè)計(jì)行業(yè)還是施工企業(yè)，BIM使用高于60%的企業(yè)都只占5%左右，只有北美地區(qū)的1/4[2]，但近年來(lái)也出現(xiàn)很多典型的BIM應(yīng)用工程案例，例如北京奧運(yùn)會(huì)水立方、上海中心大廈、上海迪斯尼樂(lè)園等[3]。而作為BIM人才最直接輸出基地的高等院校，針對(duì)土木工程專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐和研究成果還很少。因此，如何將BIM技術(shù)融入該專(zhuān)業(yè)教學(xué)研究具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 BIM技術(shù)

1.1 BIM技術(shù)的特點(diǎn)

BIM以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)建立建筑模型，通過(guò)數(shù)字信息仿真，模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。同時(shí)，BIM將規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、營(yíng)運(yùn)等各個(gè)階段的數(shù)據(jù)資料，全部包含在一個(gè)三維模型之中。建筑物全生命周期中任何項(xiàng)目實(shí)施階段的工作技術(shù)人員都能通過(guò)信息模型集成進(jìn)行建筑信息交互協(xié)同，極大提升了項(xiàng)目參與者決策效率與正確性，實(shí)現(xiàn)了建筑可視化、可協(xié)調(diào)、可模擬性、可優(yōu)化和可出圖五大功能優(yōu)勢(shì)。

1.2 BIM技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用現(xiàn)狀

盡管《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》已經(jīng)把BIM技術(shù)作為工程總承包、勘察設(shè)計(jì)和施工類(lèi)企業(yè)“十二五”信息化發(fā)展必須具備的核心技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)高校也越來(lái)越重視有關(guān)BIM應(yīng)用教學(xué)。但多數(shù)是針對(duì)研究生的培養(yǎng)，對(duì)本科培養(yǎng)教學(xué)中的BIM教程還很少，或只是對(duì)BIM概念以及基本理論的講解，運(yùn)用BIM技術(shù)的案例教學(xué)模式在許多課程領(lǐng)域還處于空白狀態(tài)。

土木工程專(zhuān)業(yè)具有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性和實(shí)踐性特點(diǎn)，目前專(zhuān)業(yè)課程主要還是延續(xù)“講解——接受”傳統(tǒng)教學(xué)模式，多數(shù)任課老師在教學(xué)過(guò)程中相對(duì)獨(dú)立，課程內(nèi)部聯(lián)系不緊密，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各課程知識(shí)的相互貫通。要解決這一問(wèn)題,就亟須BIM技術(shù)應(yīng)用到這些課程的教學(xué)中,運(yùn)用BIM技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)共享建筑信息模型平臺(tái)或核心，將學(xué)科知識(shí)系統(tǒng)的融會(huì)串聯(lián)在三維模型中。這樣，一方面可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高學(xué)習(xí)興趣；另一方面可以加強(qiáng)授課老師之間的溝通與聯(lián)系，達(dá)到更好的教學(xué)效果[4]。

2 運(yùn)用REVIT建模的案例

2.1 工程案例概況

用BIM建模軟件建立一個(gè)三維建筑模型作為教學(xué)案例，案例為福州某高校一座7層框架結(jié)構(gòu)文科樓，右側(cè)附帶2層的模擬法庭，總建筑面積約7000m2，其中一層至五層為教室，六層至七層為教師辦公室。抗震設(shè)防烈度7度，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)。

2.2 建模過(guò)程

首先選擇合適的建模軟件，每個(gè)BIM專(zhuān)業(yè)平臺(tái)所涉及的軟件工具都豐富多樣，目前主流的BIM建模軟件廠商有三家：Autodesk(歐特克)、Bentley(奔特力)、Dassult System(達(dá)索系統(tǒng))。該工程根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況，綜合考慮后采用Autodesk的REVIT三維建模軟件創(chuàng)建。

(1)標(biāo)高及軸網(wǎng)的創(chuàng)建

依據(jù)實(shí)際工程的層高表設(shè)置樓層標(biāo)高，該文科樓為7層建筑，故創(chuàng)建室外地面、一層至七層、屋面層、梯間屋面層共10個(gè)標(biāo)高層；再根據(jù)建筑平面圖創(chuàng)建模型軸網(wǎng)。

(2)結(jié)構(gòu)框架的創(chuàng)建

通過(guò)“載入族”功能選擇“混凝土矩形柱”，定義該框架結(jié)構(gòu)所需要的結(jié)構(gòu)柱，對(duì)結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行逐層布置，并偏移至正確的位置。同樣的方式定義框架梁及次梁并進(jìn)行布置，再針對(duì)不同的樓(屋面)板采用不同的建筑面層，創(chuàng)建各層樓板。

(3)建筑墻體及門(mén)窗等構(gòu)件的創(chuàng)建

文科樓的建筑墻體分為內(nèi)墻與外墻兩大類(lèi)，在“墻：建筑”菜單中定義不同的建筑墻體，布置其相應(yīng)位置，然后再通過(guò)“載入族”分別選擇適合的門(mén)、窗進(jìn)行布置。

(4)樓梯，雨棚等細(xì)部構(gòu)件的創(chuàng)建

建筑主體構(gòu)件創(chuàng)建完成后，對(duì)建筑的細(xì)部構(gòu)件如樓梯、雨棚、坡道、臺(tái)階和明溝等進(jìn)行創(chuàng)建。這些構(gòu)件，一部分可利用程序自帶圖元來(lái)布置，另一部分(如明溝等)則需創(chuàng)建新的族構(gòu)件來(lái)布置。

(5)室外場(chǎng)地的創(chuàng)建

文科樓主體創(chuàng)建完成，則布置文科樓建筑的室外場(chǎng)地，并通過(guò)布設(shè)RPC構(gòu)件達(dá)到實(shí)際場(chǎng)景的模擬。至此，該教學(xué)工程案例的REVIT建筑結(jié)構(gòu)三維模型基本完成。

2.3 三維模型效果圖

文科樓的平面和立面建立完成后，可以三維立體圖形的形式呈現(xiàn)，選取該建筑某個(gè)視角視圖，通過(guò)渲染功能，即可得到該建筑物的三維效果圖，如圖1所示。

圖1 文科樓的三維效果圖

3 BIM模型在相關(guān)教學(xué)中的應(yīng)用

文科樓的三維模型創(chuàng)建完成后，即可作為教學(xué)案例為土木工程專(zhuān)業(yè)的相關(guān)課程教學(xué)所用。一方面，在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合三維建筑模型，能夠更形象更準(zhǔn)確地讓學(xué)生了解及掌握房屋建筑的有關(guān)知識(shí)；另一方面，可以通過(guò)教學(xué)發(fā)現(xiàn)案例模型中的不足之處，并對(duì)其不斷完善修正。

以下針對(duì)BIM三維模型在土木工程專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和應(yīng)用能力兩大課程體系的應(yīng)用，做進(jìn)一步的分析和探討。

3.1 專(zhuān)業(yè)知識(shí)課程教學(xué)中的應(yīng)用

專(zhuān)業(yè)知識(shí)包含跨專(zhuān)業(yè)知識(shí)及專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)大兩類(lèi)，為學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及將來(lái)從事土木工程相關(guān)專(zhuān)業(yè)的工作打下基礎(chǔ)，包括工程制圖、房屋建筑學(xué)、施工組織設(shè)計(jì)等課程。

(1)以土木工程制圖課程的應(yīng)用為例

傳統(tǒng)工程制圖課程授課過(guò)程中主要是利用AutoCAD繪圖軟件，結(jié)合手工繪圖形式，培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力以及國(guó)家制圖規(guī)范的掌握能力。對(duì)于復(fù)雜的圖形構(gòu)件，由于人的空間想象局限性和所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)不全等原因，學(xué)生難以形成清晰的三維立體建筑圖形。引入BIM三維模型，結(jié)合二維平面圖，很好地解決了這類(lèi)問(wèn)題。例如學(xué)生繪制建筑剖面圖時(shí)，利用BIM模型的立體剖面，如圖2所示，學(xué)生能夠直觀地理解樓梯立面構(gòu)造及其與周?chē)鷺?gòu)件的關(guān)系[4]。

圖2 文科樓的樓梯豎向三維剖面圖

(2)以房屋建筑學(xué)課程的應(yīng)用為例

房屋建筑學(xué)是研究建筑設(shè)計(jì)和建筑構(gòu)造基本原理的學(xué)科，也是土木工程專(zhuān)業(yè)重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，學(xué)院將這門(mén)課程設(shè)立在大三上學(xué)年。雖然這時(shí)學(xué)生們已具備一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，但房屋建筑設(shè)計(jì)內(nèi)容多而細(xì)，構(gòu)造物復(fù)雜零散，學(xué)生要系統(tǒng)地消化吸收課堂所學(xué)知識(shí)還很困難。通過(guò)引用教學(xué)案例三維模型，一方面可以直觀地理解房屋建筑一些設(shè)計(jì)基本概念，比如建筑物功能、建筑面積、占地面積、容積率及綠化率等。另一方面，可以形象地了解房屋建筑的基本構(gòu)造，如建筑墻體、幕墻、雨披、框架梁柱等，并掌握這些構(gòu)造各自的功能及布置方式和原則[4]，如圖3所示。

圖3 文科樓的樓層水平三維剖面圖

(3)以施工組織設(shè)計(jì)課程的應(yīng)用為例

施工組織設(shè)計(jì)，項(xiàng)目管理等課程多是敘述講解，內(nèi)容極為抽象，這類(lèi)課程知識(shí)若沒(méi)有實(shí)物作為依托，很難理解掌握。教學(xué)中可以運(yùn)用BIM三維建筑模型，結(jié)合Navisworks Manage或者P-BIM等軟件，對(duì)建筑物施工過(guò)程做進(jìn)一步施工進(jìn)度的4D模擬，如圖4所示。通過(guò)學(xué)習(xí)施工模擬動(dòng)畫(huà)，可以直觀了解每個(gè)施工環(huán)節(jié)的工作內(nèi)容及邏輯關(guān)系，便于學(xué)生更好地理解建筑工程實(shí)際施工過(guò)程，進(jìn)而培養(yǎng)建設(shè)工程項(xiàng)目的管理能力。

圖4 文科樓框架結(jié)構(gòu)4D模擬動(dòng)畫(huà)截圖

3.2 應(yīng)用能力課程教學(xué)中的應(yīng)用

應(yīng)用能力課程是為學(xué)生運(yùn)用土木工程的基本專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力而設(shè)立。主要包含基本能力課程、崗位能力課程與實(shí)踐訓(xùn)練能力課程等3大類(lèi)。

(1)基本能力課程教學(xué)中的應(yīng)用

基本能力課程主要為專(zhuān)業(yè)課程，包括土力學(xué)與地基基礎(chǔ)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程概預(yù)算、鋼結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)等。本文以混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程應(yīng)用為例。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為土木工程專(zhuān)業(yè)核心課程之一，主要研究鋼筋混凝土材料性能，各種構(gòu)件的受力特征基本計(jì)算方法及設(shè)計(jì)原理。在教學(xué)過(guò)程中，利用BIM三維模型可以直觀了解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件及其分布形式，如基礎(chǔ)、框架柱、框架梁、樓板、樓梯等，如圖5所示。

圖5 文科樓的框架結(jié)構(gòu)圖及局部梁柱配筋圖

此外，由于REVIT軟件本身對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的功能有限，可將模型導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件(Autodesk Robot Structural Analysis，PKPM，SAP2000，MIDAS等)中進(jìn)行計(jì)算。以PKPM為例，將REVIT模型導(dǎo)入P-BIM平臺(tái)中，由P-BIM軟件導(dǎo)出PKPM模型，經(jīng)過(guò)完善模型的參數(shù)及荷載等信息即可計(jì)算，但目前該平臺(tái)軟件尚未完善，全面運(yùn)用還需要時(shí)間。也可以通過(guò)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力及配筋，并對(duì)該構(gòu)件配置三維鋼筋，如框架梁的縱筋、箍筋、腰筋等，直觀地展示梁構(gòu)件的構(gòu)造措施及實(shí)際施工情況[5]。

(2)崗位能力課程教學(xué)中的應(yīng)用

崗位能力課程，主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件分析、施工技術(shù)應(yīng)用軟件分析等。美國(guó)Building SMART聯(lián)盟主席Dana K.Smitnz指出“依靠一個(gè)軟件解決所有問(wèn)題的時(shí)代已經(jīng)一去不復(fù)返了”。在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)運(yùn)用BIM一系列的專(zhuān)業(yè)軟件，包括結(jié)構(gòu)分析軟件、建筑設(shè)計(jì)軟件、節(jié)能設(shè)計(jì)軟件、計(jì)價(jià)算量軟件等，對(duì)已有案例模型做進(jìn)一步的研究分析，以達(dá)到學(xué)生掌握不同軟件操作的教學(xué)目的[6]。

(3)實(shí)踐訓(xùn)練能力課程教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)踐訓(xùn)練能力課程包含土木工程專(zhuān)業(yè)的所有實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等。例如在設(shè)計(jì)題材的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，學(xué)生可以在設(shè)計(jì)一棟建筑的建施及結(jié)施的同時(shí)，使用REVIT創(chuàng)建該建筑物的三維模型，并對(duì)模型做相應(yīng)的后續(xù)分析。這樣，一方面可讓學(xué)生學(xué)以致用，把所學(xué)的知識(shí)內(nèi)容融合匯總于BIM三維模型中，另一方面可讓畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容更為豐富飽滿，與時(shí)俱進(jìn)。

因此，要培養(yǎng)高校土木工程專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才，就應(yīng)改革以往傳統(tǒng)教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中穿插運(yùn)用BIM技術(shù)。一方面可以更好地讓學(xué)生形成專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系，另一方面更好地將專(zhuān)業(yè)知識(shí)運(yùn)用于工程實(shí)踐。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)創(chuàng)建某學(xué)校文科樓的建筑結(jié)構(gòu)三維模型作為教學(xué)案例，本文結(jié)合當(dāng)下BIM技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用情況，探索了三維模型在土木工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的適用性。分析表明，結(jié)合BIM模型能夠有效地進(jìn)行土木工程課程的教學(xué)活動(dòng)，為教學(xué)改革提供了很好的參考依據(jù)。最后，針對(duì)BIM模型在教學(xué)中的應(yīng)用，提出以下3點(diǎn)展望：

(1)BIM技術(shù)在建筑工程中已有較廣泛運(yùn)用，但在建筑工程教學(xué)中課程較少，且以概念介紹及工程造價(jià)運(yùn)用居多。如何利用BIM技術(shù)結(jié)合更多實(shí)際工程案例，豐富本專(zhuān)業(yè)教學(xué)平臺(tái)，并運(yùn)用于相關(guān)課程教學(xué)中，是每位土木建筑工程教育者的當(dāng)務(wù)之急。

(2)對(duì)于土力學(xué)與地基基礎(chǔ)等相關(guān)課程，BIM三維教學(xué)案例模型僅模擬建筑基礎(chǔ)以上部分，地基土層的相關(guān)知識(shí)還需用Civil 3D等軟件進(jìn)行相關(guān)地質(zhì)模擬，為該類(lèi)課程所用[7]。

(3)BIM技術(shù)目前大量用于房屋建筑的建設(shè)項(xiàng)目中，對(duì)于道路、橋梁、隧道等中運(yùn)用相對(duì)較少。如何利用不斷發(fā)展的BIM技術(shù)，使之成為橋梁與渡河工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的一項(xiàng)工具，有待我們做進(jìn)一步的研究與探討。

[1] 張尚,任宏,Albert P.C.Chan.BIM的工程管理教學(xué)改革問(wèn)題研究[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2015，26(2):92-96.

[2] 寧忠意.中國(guó)BIM應(yīng)用價(jià)值研究報(bào)告[J].中外建筑，2015(06):19-21.

[3] 何清華.BIM在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的現(xiàn)狀及障礙研究[J].工程管理學(xué)報(bào)，2012，26(1):12-16.

[4] 王建超.BIM技術(shù)在建筑類(lèi)高校專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索[J].高等教學(xué)教育，2017，26(1):161-164.

[5] GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[6] 尚春靜，李艷榮.基于BIM的工程管理專(zhuān)業(yè)理論課程與實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新研究[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2015,36(9):129-132.

[7] 錢(qián)睿.基于BIM的三維地質(zhì)建模[D].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2015.

The Application of BIM Technology in the Civil Engineering Teaching

LINZhenweiLOUYing

(Yango University,Fuzhou 3500015)

This paper expouds the application of BIM technology and the necessity of reform in the construction engineering teaching in the universities of china.Using REVIT to create a 3D model of actual project as a teaching case.It provides some ideas and methods of BIM technology application in the related courses of civil engineering basing on the visualization and simulation of BIM building model,in order to explore the new teaching mode of cultivating applied talents in colleges and universities.

BIM technology；REIVT；Teaching of civil engineering；3D modeling

林珍偉(1983.7- ),男,工程師,講師。

E-mail:68868484@qq.com

2017-06-07

TU17

A

1004-6135(2017)09-0125-04