姚剛+岳文峰+楊陽+張愛莉

摘要：近年來，我國土木工程施工技術(shù)有了日新月異的發(fā)展，其中最具代表性的無疑是BIM（建筑信息模型）技術(shù)。引入BIM技術(shù)為代表的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為施工教學(xué)實(shí)驗(yàn)，有效地解決了開設(shè)實(shí)體施工實(shí)驗(yàn)的難題。以基于BIM的框架結(jié)構(gòu)三維虛擬建模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為對(duì)象，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等研究方法，設(shè)計(jì)了框架結(jié)構(gòu)三維虛擬實(shí)驗(yàn)方案，并編制了上機(jī)手冊(cè)、實(shí)驗(yàn)任務(wù)書、實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫指示書。通過Revit軟件虛擬創(chuàng)建信息模型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)BIM理論知識(shí)的理解及信息模型創(chuàng)建方法的掌握。

關(guān)鍵詞：土木工程施工 ；教學(xué)改革；BIM技術(shù)；信息模型

中圖分類號(hào)：G642.42；TU74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2017）03-0091-05

一、土木工程施工課程設(shè)置虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)的必要性

（一）土木工程施工課程教學(xué)環(huán)境的變化

1.施工技術(shù)的快速發(fā)展

近幾年來，土木工程施工技術(shù)的發(fā)展迅速，最主要原因是本學(xué)科技術(shù)所需的跨學(xué)科基礎(chǔ)理論發(fā)展和對(duì)本學(xué)科的滲透，使土木工程施工技術(shù)實(shí)際融入了多種工程技術(shù)成就，特別是現(xiàn)代信息技術(shù)，再加上社會(huì)生產(chǎn)形態(tài)從粗放型向集約型方式的轉(zhuǎn)換，施工技術(shù)呈現(xiàn)精細(xì)化的發(fā)展趨勢(shì)，土木工程施工課程教學(xué)環(huán)境也必須做出相應(yīng)的變化。

2.土木工程施工教學(xué)加入虛擬實(shí)踐操作環(huán)節(jié)

建筑市場(chǎng)的變化使建設(shè)行業(yè)對(duì)人才呈現(xiàn)多樣性的需求，因此需要學(xué)校培養(yǎng)具有較強(qiáng)動(dòng)手能力、較寬知識(shí)面的學(xué)生。近年來，高校在課程設(shè)置、課程內(nèi)容、教學(xué)方法等方面進(jìn)行了大膽的探索，并取得了顯著效果。但土木工程施工課程的教學(xué)方法基本上采用“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)方法，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性[1]?，F(xiàn)如今的實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式存在著一些問題：一是專業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)，基本上是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，而綜合性實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少；二是實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容單一陳舊，脫離社會(huì)實(shí)踐的現(xiàn)實(shí)需要[2]。為解決上述問題，對(duì)虛擬教學(xué)課程設(shè)置體系進(jìn)行了較大調(diào)整，在課時(shí)總數(shù)不變的情況下，加入虛擬實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，既解決了施工實(shí)驗(yàn)短期內(nèi)無法完成的難題，又為專業(yè)課程所必須的實(shí)踐操作環(huán)節(jié)提供有效支持，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)的不足，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力及對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)質(zhì)量。

3.建設(shè)行業(yè)對(duì)掌握建筑信息化（BIM）技術(shù)的專門人才需求

在不斷強(qiáng)化以人為本的教育理念前提下，市場(chǎng)對(duì)人才的需求促使高校教育向多樣性和市場(chǎng)化方向發(fā)展。教師也應(yīng)給予學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，使學(xué)生有積極的精神狀態(tài)和學(xué)習(xí)行為，真正成為學(xué)習(xí)的主人[3]。根據(jù)土木工程專業(yè)人才市場(chǎng)的要求，本專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生不僅能從事傳統(tǒng)的工業(yè)與民用土木工程施工，而且應(yīng)具有目前社會(huì)上最新的施工技術(shù)，這樣才能在社會(huì)工作中處于主動(dòng)地位。因此，新的培養(yǎng)目標(biāo)要加強(qiáng)基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)知識(shí)，學(xué)生不僅要掌握傳統(tǒng)的土木工程施工技術(shù)專業(yè)知識(shí)，還要掌握與本學(xué)科有關(guān)的已經(jīng)或即將應(yīng)用的新設(shè)備、新產(chǎn)品和新技術(shù)，目前從國家到地方政府都出臺(tái)了推進(jìn)建筑信息化的相關(guān)政策文件，國家及地方信息化標(biāo)準(zhǔn)正相繼頒布實(shí)施，可以說，建筑信息化貫穿于規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的全過程。然而，現(xiàn)在的推進(jìn)工作受制于人才，所以增加虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握建筑信息化的相關(guān)知識(shí)，對(duì)解決信息化建設(shè)人才匱乏短板，提高學(xué)生的就業(yè)率具有重要意義。

（二）土木工程施工課程教學(xué)面臨的矛盾

傳統(tǒng)的應(yīng)試教育重知識(shí)灌輸而忽略了獲得知識(shí)的方法，而事實(shí)上，獲得知識(shí)的方法乃教育之本，學(xué)習(xí)的真諦在于學(xué)會(huì)如何學(xué)習(xí) [4]?，F(xiàn)代教學(xué)情境的變遷使目前土木工程施工課程教學(xué)面臨著諸多矛盾，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）土木工程施工新技術(shù)的發(fā)展與本課程教材相對(duì)落后間的矛盾。

（2）土木工程施工技術(shù)內(nèi)容的豐富與本課程課堂教學(xué)學(xué)時(shí)相對(duì)不足的矛盾。

（3）大眾化教育和人才多樣性要求與傳統(tǒng) “接受性學(xué)習(xí)”課堂教學(xué)模式的矛盾[5]。

二、基于Revit的框架梁、柱虛擬建模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基本原理

（一） 虛擬建模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法

虛擬建模是在土木學(xué)院的虛擬仿真信息化實(shí)驗(yàn)室硬件支持下，通過教師講解和示范，以混凝土矩形梁、柱為例，創(chuàng)建一個(gè)混凝土梁、柱族，并將載有相應(yīng)信息的族載入到模型中。從基本術(shù)語、基本命令等方面介紹族和項(xiàng)目的基本知識(shí)，為深入學(xué)習(xí)Revit的后續(xù)知識(shí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二） 虛擬建模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原則

（1）Revit基本術(shù)語，完成對(duì)Revit族編輯界面的認(rèn)識(shí)，包括功能區(qū)、應(yīng)用程序菜單、工具欄、項(xiàng)目瀏覽器、狀態(tài)欄、屬性對(duì)話框、View Cube等。

（2）基本命令和基本圖元命令。

（3）實(shí)現(xiàn)建筑基本模型——梁、柱構(gòu)件族的建立。

（4） Revit參數(shù)化、信息化的由來。

（三）土木工程施工課程教學(xué)與“虛擬建模實(shí)驗(yàn)”的有機(jī)結(jié)合

土木工程施工課程內(nèi)容具有很強(qiáng)的專業(yè)性。學(xué)生雖然在日常生活中經(jīng)常接觸到建筑施工技術(shù)，但是對(duì)于專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知很淺。通過虛擬建模實(shí)驗(yàn)，使課堂教學(xué)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐高度結(jié)合，通過上機(jī)操作達(dá)到虛擬仿真的效果，使知識(shí)獲得更加形象。

虛擬建模實(shí)驗(yàn)通過上機(jī)操作，讓學(xué)生在更加廣闊的空間吸取知識(shí)，打破了傳統(tǒng)學(xué)科一貫以教材為主的課程教學(xué)形式，充實(shí)了教材內(nèi)容，彌補(bǔ)土木工程施工教材相對(duì)滯后的情況。

通過上機(jī)操作，學(xué)生對(duì)土木工程施工產(chǎn)生直觀認(rèn)識(shí)，達(dá)到了人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求。虛擬建模實(shí)驗(yàn)主張學(xué)生自己動(dòng)手，熟悉軟件和操作命令，有目的進(jìn)行操作，這樣在教學(xué)上更加注重學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)。課堂教學(xué)和上機(jī)教學(xué)相輔相成，使課堂教學(xué)在教學(xué)空間上得到延展和豐富，上機(jī)教學(xué)鞏固了課堂教學(xué)所獲得的知識(shí)[6]。

建筑施工技術(shù)一直處在高速發(fā)展的階段，新技術(shù)和新工藝層出不窮，掌握最新的技術(shù)才能使學(xué)生在將來的工作中掌握主動(dòng)權(quán)。而虛擬建模實(shí)驗(yàn)則是基于當(dāng)前行業(yè)應(yīng)用最具潛力的BIM技術(shù)，這也是對(duì)土木工程施工課程前沿性教學(xué)極大的補(bǔ)充。

三、 基于Revit的框架梁、柱虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

Revit是為建筑信息模型（BIM）而設(shè)計(jì)的系列軟件，包括建筑、結(jié)構(gòu)及設(shè)備相關(guān)的功能模塊，為建筑工程行業(yè)提供BIM解決方案。以框架梁或柱為例，講述如何創(chuàng)建混凝土梁族或柱族，將從基本術(shù)語和命令等方面介紹族設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，為深入學(xué)習(xí)Revit的后續(xù)知識(shí)奠定基礎(chǔ)。步驟如下：

第一， Revit新建族樣板文件，建立不同的鋼筋形狀族以便后期載入到模型中，包括鋼筋的模型創(chuàng)建和族類型、族參數(shù)、族類別的基礎(chǔ)信息建立。

第二，Revit新建族樣板文件，建立不同的框架梁柱族以便于后期載入到模型中，包括框架梁、柱的模型創(chuàng)建和族類型、族參數(shù)、族類別的基礎(chǔ)信息建立。

第三，Revit新建建筑項(xiàng)目，把框架梁、柱族和鋼筋族分別載入模型項(xiàng)目，通過定義相應(yīng)的族參數(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)梁構(gòu)件的建立。

通過以上3個(gè)步驟的學(xué)習(xí)，初步認(rèn)識(shí)了Revit軟件，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件基本模型——梁、柱構(gòu)件族的建立，并掌握Revit的參數(shù)化、信息化理念，體會(huì)建筑信息的關(guān)聯(lián)功能。

（二）實(shí)驗(yàn)步驟及方法

1.受力鋼筋族創(chuàng)建

繪制鋼筋形狀，創(chuàng)建的過程需要用到“放樣”的命令，“放樣”是用于創(chuàng)建需要繪制或應(yīng)用輪廓（形狀）并沿路徑拉伸此輪廓的族的一種建模方式。

創(chuàng)建受力鋼筋族過程，在族類型名稱建立之后，創(chuàng)建族類型對(duì)話框，如圖1。

在創(chuàng)建受力鋼筋族過程中，需要將添加的族參數(shù)與模型關(guān)聯(lián)。圖2和圖3、圖4和圖5表示族參數(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)的過程。

圖5 鋼筋直徑d關(guān)聯(lián)結(jié)果在族類型對(duì)話框中實(shí)現(xiàn)族參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，如圖6。

得到關(guān)聯(lián)之后的鋼筋受力族，信息模型如圖7。該模型通過族參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，滿足鋼筋的施工構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)參數(shù)化的優(yōu)勢(shì)。

2.梁柱信息模型的創(chuàng)建

Revit創(chuàng)建梁柱信息模型的過程，實(shí)質(zhì)是將系統(tǒng)族組合到項(xiàng)目樣板文件成為一個(gè)項(xiàng)目，梁柱信息模型創(chuàng)建過程如下：

（1）梁或柱族的導(dǎo)入，如圖8。

（2）鋼筋形狀族的導(dǎo)入，如圖9。

（3）梁信息模型建立，如圖10。

（4）柱信息模型建立，如圖11。

（三）實(shí)驗(yàn)作業(yè)布置

課程實(shí)驗(yàn)作業(yè)應(yīng)與實(shí)驗(yàn)上機(jī)操作相輔相成，使之成為課堂知識(shí)點(diǎn)的擴(kuò)展。具體實(shí)施方法是通過給出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男畔ⅲㄟ^Revit軟件來實(shí)現(xiàn)模型的建立并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，跨度為6 m，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30及HRB400級(jí)鋼筋，截面尺寸為200×500 mm，縱向受力鋼筋為3根直徑18 mm的鋼筋，箍筋選用φ6@200，架立筋為2根14 mm鋼筋。某多層鋼筋混凝土框架房屋底層中柱的底層層高為3.3 m，基礎(chǔ)頂面標(biāo)高為-0.3 m，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30及HRB400級(jí)鋼筋，截面尺寸為300×300 mm，縱向受力鋼筋采用4根18 mm鋼筋，箍筋選用φ6@200。

2. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫要求

實(shí)驗(yàn)報(bào)告包括實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)心得等內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求書寫完整，體現(xiàn)出構(gòu)件族建立的過程，配合相應(yīng)的截圖和文字描述。

需提交的模型包括“鋼筋族”和“建筑模型”，鋼筋族的命名方式為“縱向受力鋼筋”，模型的命名方式為“梁模型”或者“柱模型”。

（四）考核方式

與以上實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案對(duì)應(yīng)的是學(xué)生多元化評(píng)價(jià)體系的建立及執(zhí)行。一是通過學(xué)生在上機(jī)實(shí)驗(yàn)課中的表現(xiàn)來判斷，如是否認(rèn)真參加每一次的上機(jī)操作，是否認(rèn)真完成Revit軟件的操作，是否與教師上課形成良好的互動(dòng)，將這些表現(xiàn)情況計(jì)入平時(shí)成績。二是根據(jù)學(xué)生提交的信息模型來進(jìn)行判斷，如族參數(shù)的關(guān)聯(lián)函數(shù)、建筑模型受力鋼筋和箍筋的布置是否符合規(guī)范要求，模型的視覺樣式，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫情況等，將這些表現(xiàn)計(jì)入最終成績。

虛擬建筑模型在土木工程施工教學(xué)改革的實(shí)施，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和上機(jī)操作水平，拓展了學(xué)生的思維領(lǐng)域，達(dá)到了全面培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)的目標(biāo)，受到廣大學(xué)生的好評(píng)。同時(shí)也完善了優(yōu)質(zhì)課程的建設(shè)，充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)課程優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)了土木工程施工課程特色，但仍然在很多方面存在不足，計(jì)劃下一步工作是實(shí)現(xiàn)建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備三個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握建設(shè)項(xiàng)目三個(gè)階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容，應(yīng)用BIM于建筑全生命周期，為學(xué)生進(jìn)入工作崗位提供有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 田江永.《建筑施工技術(shù)》課程教改的探討[J].時(shí)代教育：教育教學(xué)版，2008（6）：136-137.

[2] 孫楠，劉東，汪志君.土木工程專業(yè)多樣化實(shí)踐教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2009，18（3）：108.

[3]陳鵬，曹雨.“建筑施工技術(shù)”課程教改探究[J].中國建設(shè)教育，2015（6）：27-28.

[4] 韓慶祥.素質(zhì)教育的本質(zhì)：能力教育[J].高等教育研究，2000，21（4）：23-26.

[5] 卜延森.在《建筑施工》教學(xué)中實(shí)施任務(wù)引領(lǐng)學(xué)習(xí)[J].才智，2010（31）：245-246.

[6]吳蔚.改革建筑學(xué)專業(yè)的建筑技術(shù)課之淺見——以“建筑設(shè)備”教改為例[J].南方建筑，2015（2）：62-67.

[7]吳蔚，董姝婧.建筑技術(shù)課程中能耗模擬軟件Ecotect教學(xué)探討[J].建筑學(xué)報(bào)，2012（S2）：186-188.