BIM信息技術(shù)在“橋梁施工”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用探討

沈正　孟云梅　曹云　李紅梅　張德育　賈彩虹

關(guān)鍵詞： BIM 信息技術(shù) 三維模型 橋梁施工課程 教學(xué)改革

中圖分類號： U445-4;G712 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0187-04

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，建立三維建筑模型，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物的真實信息，具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性的特點[1-5]。橋梁施工課程教學(xué)過程中引入BIM 技術(shù)可以顯示橋梁三維結(jié)構(gòu)，模擬橋梁施工實際過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解，做到“學(xué)以致用，事半功倍”地實現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)效果，因此被廣泛應(yīng)用到“橋梁施工”課程教學(xué)中[6-9]?！皹蛄菏┕ぁ睂I(yè)教學(xué)內(nèi)容中運用BIM 技術(shù)，深化教學(xué)改革，既是提高教學(xué)質(zhì)量的有效方法，又是行業(yè)發(fā)展對施工技術(shù)人才的緊迫要求。

1 該課程在教學(xué)過程中存在的問題

1.1 課程教學(xué)難度相對較大

相較其他土木工程專業(yè)課程，橋梁施工課程教學(xué)難度較大。主要原因是橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造技術(shù)難度大，作業(yè)現(xiàn)場流動性大，使專業(yè)教學(xué)難度偏高，特別是強調(diào)施工技術(shù)的教學(xué)思想無法落實。一是學(xué)生沒有掌握各類大橋建造的實際情況，因此學(xué)生掌握橋的結(jié)構(gòu)和施工要點就十分吃力；二是校外實習(xí)也存在較大問題，針對不同的施工橋型、施工地點和施工進度，考慮到安全問題、實習(xí)時間的限制，在施工現(xiàn)場實習(xí)的學(xué)生很難掌握橋梁施工全過程。

1.2 教材更新不及時，難以滿足教學(xué)需要

隨著路橋施工技術(shù)的不斷進步，課程教材的更新速度已落后于施工技術(shù)的發(fā)展。目前，教程存在著如下問題：一是對橋梁構(gòu)造與施工方式的闡述已經(jīng)陳舊；二是對最新技術(shù)引進不足；三是教科書插圖與實際施工案例較少，與現(xiàn)場的實際施工情況有很大差異。

2 BIM 技術(shù)特點及應(yīng)用在教學(xué)中的優(yōu)點

2.1 BIM 技術(shù)的特點

根據(jù)目前橋梁施工專業(yè)課教學(xué)狀況及其面臨的問題，利用BIM 方法可以進行很好的處理。BIM 具有如下特點：可視化、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性、模擬性、可出圖性[10]。

2.2 教學(xué)中應(yīng)用BIM 技術(shù)的優(yōu)點

2.2.1 實現(xiàn)教學(xué)流程、教學(xué)結(jié)果的可視化

采用BIM 三維建模技術(shù)，可把施工圖紙變成三維的實體模型，從而實現(xiàn)教學(xué)過程可視化。學(xué)生可以將施工圖紙與三維實體模型進行對比，判斷模型的正確性，加深對課程的理解，從而提升教學(xué)效果。

2.2.2 協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性

協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性特點可提高學(xué)生對模型結(jié)果的理解、分析水平。使用Revit 軟件可以創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)橋梁模型庫，三維建模的尺寸參照了實際的施工圖紙尺寸。如果建模失敗，學(xué)生可以利用自己形成的三維模型進行研究，查找建模過程中出現(xiàn)的錯誤，由此培養(yǎng)學(xué)生對模型結(jié)果的理解和研究方法。

2.2.3 模擬性，克服了學(xué)生外出實踐難的問題

在計算機上完成虛擬工程實驗，雖然不能完全替代生產(chǎn)實習(xí)，但避免了外出實習(xí)的安全隱患。利用BIM 技術(shù)的虛擬施工功能，可以有效規(guī)避安全風(fēng)險，同時又可以營造身臨施工現(xiàn)場的真實感。

2.2.4 可出圖性，可以使教學(xué)內(nèi)容更加形象化

通過與實際橋梁施工圖核對，學(xué)生更容易掌握圖紙的真實效果。利用BIM 技術(shù)能夠?qū)θS橋梁造型進行剖切，自動輸出不同截面的CAD 的平面文件，并配上圖框，一方面能夠?qū)⒔虒W(xué)效果細化；另一方面，學(xué)生能對效果做出檢驗和判斷。

2.3 應(yīng)用BIM 技術(shù)可解決的教學(xué)問題

2.3.1 有利于將BIM 技術(shù)和“橋梁施工”課程相結(jié)合

為順應(yīng)社會發(fā)展趨勢、適應(yīng)企業(yè)需要，學(xué)校利用BIM 技術(shù)開展“橋梁施工”專業(yè)教學(xué)改革，重新編制課堂教學(xué)大綱，優(yōu)化教材內(nèi)容，以提升教學(xué)效果，為行業(yè)輸送合格的應(yīng)用型技術(shù)人才。

2.3.2 有利于提升“橋梁施工”教學(xué)效果

橋梁施工課程教學(xué)中，將課堂搬到施工現(xiàn)場不太現(xiàn)實，所以在橋梁施工課程教學(xué)中，以施工圖設(shè)計和BIM 方法為載體進行的教學(xué)改革是非常必要的。BIM技術(shù)具備高度可視化特性，可依據(jù)BIM 技術(shù)建立橋梁構(gòu)造的三維模型，在高度可視化模型下實現(xiàn)教學(xué)互動，很大程度上提升課程教學(xué)效果。

2.3.3 有利于緩解學(xué)校配套教材數(shù)量不夠的情況

目前，將BIM 軟件教學(xué)和橋梁實訓(xùn)相結(jié)合的配套課程還非常少?？梢酝ㄟ^課程教學(xué)改革，根據(jù)BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制橋梁施工教材，并提供路橋施工BIM軟件應(yīng)用的操作視頻錄像，以形成不同橋梁結(jié)構(gòu)的三維模型庫。

3 橋梁施工課程應(yīng)用BIM 技術(shù)進行改革的實施

按照施工圖紙上標(biāo)注的尺寸，使用Revit 等軟件建立1∶1 的三維實體模型。該模型不但能夠整體顯示，還可以把橋梁各部位拆分開來細看，充實課程教學(xué)素材，豐富課堂教學(xué)手段，使課堂教學(xué)和施工現(xiàn)場的具體施工技術(shù)、施工工藝同步更新。

整合路橋施工課程結(jié)構(gòu)，把原來的基礎(chǔ)施工課程與橋梁施工課程融合為一門課程。按照橋梁施工的自然次序，先從大橋基礎(chǔ)的施工入手，然后逐漸地向橋墩、橋臺過渡，最后再講解上部主梁和橋面攤鋪的部分內(nèi)容。這種教學(xué)模式能夠很好地與施工內(nèi)容銜接，從而可以增強學(xué)生對工程邏輯性的訓(xùn)練。

策劃以三維建模、專業(yè)施工課程圖紙識讀為基礎(chǔ)的職業(yè)技能訓(xùn)練。橋梁施工教學(xué)的一項重點內(nèi)容就是訓(xùn)練學(xué)生識讀施工圖紙的技能，只有讀懂了圖紙，才能對施工圖紙的結(jié)構(gòu)形成正確的理解，并正確地把圖紙上結(jié)構(gòu)物轉(zhuǎn)化為施工實體，進而才能夠開展實際施工訓(xùn)練。因此，根據(jù)行動導(dǎo)向教學(xué)法的啟示以及筆者學(xué)院的實際情況，在組織開展橋梁施工教學(xué)改革過程中，按照圖紙識讀能力與實際施工能力培養(yǎng)的思路設(shè)計了教學(xué)改革方案，具體如下。

第一，教學(xué)改革成員在掌握了全部典型橋梁圖紙的基礎(chǔ)上，根據(jù)由簡單到復(fù)雜、由單體到整體的教學(xué)規(guī)律，選擇了正在用于橋梁施工的整套圖紙設(shè)計實習(xí)課程，并根據(jù)圖紙的實際尺寸，用Revit 建立了1∶1 的三維實體模型，在建模時有總體結(jié)構(gòu)效果圖，同時也有各部分的細部結(jié)構(gòu)布置圖。

第二，通過已掌握的圖紙，在能夠創(chuàng)建橋梁模型的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會運用Revit 等模型軟件，使學(xué)生在熟練查看已創(chuàng)建模型和圖樣的同時，能夠加以比較分析，逐漸掌握通過圖紙準(zhǔn)確創(chuàng)建三維BIM 圖的能力，并能在訓(xùn)練的過程中實現(xiàn)熟練使用的目的。例如：大橋上部預(yù)制T 梁和下部的樁柱臺BIM 模型，分別如圖1和圖2 所示。

第三，針對具體教學(xué)情景的要求，在每一個大的場景建成后，選擇典型圖紙的一個構(gòu)建細節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生用Revit 軟件，精確地按照大小構(gòu)建橋梁各部分的實體模型。建模設(shè)計制作過程中必須嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計施工圖進行精確建模，一方面能夠訓(xùn)練學(xué)生實際動手解決問題的能力；另一方面所形成的模型是可視化的，方便學(xué)生檢驗設(shè)計施工圖是否科學(xué)合理。橋梁施工教學(xué)中，樁基承臺、橋墩橋臺、主梁各部分等教學(xué)情景與教學(xué)中不斷實施三維建模的過程，使學(xué)生的施工圖識讀能力得到真正提高。

此外，學(xué)校還強化了橋梁施工課程實訓(xùn)條件的建設(shè)，配置了滿足三維模型要求的高端獨立顯卡計算機50 臺，并且建設(shè)了專門機房，配套了三維模型軟件，組織BIM應(yīng)用技能大賽。圖3為學(xué)生三維建模比賽現(xiàn)場。

4 教學(xué)效果分析

4.1 試點安排

按照學(xué)校具體教學(xué)安排，在土木工程專業(yè)2018級、2019 級交通土建方向的橋梁施工教學(xué)中開展了試點教學(xué)，從該專業(yè)6 個教學(xué)班中選取了3 個教學(xué)班開展試點，由3 名老師分別帶一個試點班和1 個普通班，每班人數(shù)約35 人。期末時通過期末考試成績進行比較分析，對試點班和非試點班進行匯總，從平均成績和題型得分兩個方面進行分析。

4.2 數(shù)據(jù)分析

試點班級2018 級橋梁施工課程的平均得分比非試點班級高出14.5 分，比去年同期高23.2%，具體如圖4 所示。

此外，從試題類型上看，試點班的填空題與非試點班的填空題評分率差別并不大，但試點班的案例分析題均值分較非試點班高5.4 分，同比增長上升了21.8%；試點班的識圖題平均分較非試點班高7.1 分，同比上升26.6%。出現(xiàn)上述差異主要原因是填空題主要是靠記憶形式的考核內(nèi)容比較多，而BIM 技術(shù)應(yīng)用對增加學(xué)生記憶形式內(nèi)容的提高并不是非常突出，但是案例分析題和識圖題的平均成績有了顯著提升，尤其是識圖試題的提升幅度超過了26.6%。這就表明：在橋梁施工教學(xué)過程中運用BIM 技術(shù)，可以顯著增強學(xué)生對橋梁構(gòu)造與施工流程的理解，更加提高學(xué)生識圖能力與優(yōu)化施工方法的能力。

根據(jù)圖5 可知：2019 級試點班橋梁施工課平均分成績較非試點班高17.1 分，同比提高26.2%，比2018 級提升了17.9%；從試題題型上看，2019 級試點班填空題與非試點班得分率差別不大，2018 級基本差別不大；2019 級試點班案例分析題均較非試點班高5.7 分，同比提高21.3%，比2018 級提升6%；2019 級試點班的識圖題均比非試點班高9.4 分，同比提高33.1%，比2018 級提高6%。重點是填空題，靠記憶的考查范圍比較多，而BIM 技術(shù)應(yīng)用對學(xué)生記憶內(nèi)容的改善沒有很突出，但是案例分析題和識圖題的平均總分提升非常明顯，尤其是識圖題的提升特別大。

由圖6、圖7 可發(fā)現(xiàn)：2018 級和2019 級非試點班的對比成績提高得十分有限，教學(xué)效果也并未明顯提高；2018 級、2019 級試點班的教學(xué)成績都有了較大幅度的提高，尤其是2019 級試點班的識圖題、案例分析題得分率提高幅度較大。這也表明：在橋梁施工教學(xué)過程中運用了BIM 信息技術(shù)，隨著教師授課能力水平的提高，教學(xué)資料與課程設(shè)計的逐步完善，以及教學(xué)設(shè)備的更新，可以顯著增強學(xué)生掌握橋梁施工課程相關(guān)知識的能力，提高學(xué)生識圖、制訂施工方案的能力，增強學(xué)生認知能力與理解能力，提高學(xué)習(xí)的效率與效果。

5 總結(jié)及展望

橋梁施工教學(xué)經(jīng)過幾年的改革，取得了一定的成績。利用Revit 等軟件技術(shù)實現(xiàn)了橋梁三維模型化，使復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)立體化、可視化，使工藝問題簡單化、清晰化，解決了課堂教學(xué)過程出現(xiàn)的各種問題。這次教學(xué)改革有一定的成果，但對教學(xué)環(huán)境和設(shè)施的要求較高，教育投入也相對較大，因此各學(xué)校在教學(xué)實施過程中要結(jié)合實際條件進行應(yīng)用。