林珍偉 樓瑛

(陽光學院 福建福州 350015)

BIM技術在土木工程專業(yè)教學中的應用研究

林珍偉 樓瑛

(陽光學院 福建福州 350015)

闡述BIM技術在國內高等院校土木工程專業(yè)教學中的運用現(xiàn)狀及改革的必要性。利用REVIT創(chuàng)建實際工程三維模型作為教學案例，并基于BIM建筑模型的可視化和可模擬性等特點，提出BIM技術在土木工程專業(yè)相關課程教學中應用的思路和方法，初步探索了高校應用型技術人才培養(yǎng)的新教學模式。

BIM技術；REIVT；土木工程課程教學；三維模型

0 引言

BIM全稱為Building Information Modeling，中文名為“建筑信息模型”，是一種全新的建筑規(guī)劃、設計、施工、管理的方法。隨著BIM理念在政府機構、建筑等行業(yè)內不斷地被充分認可,BIM技術已經廣泛地運用于工業(yè)廠房、公共建筑、地鐵隧道等領域。據(jù)統(tǒng)計，美國建筑業(yè)中的BIM應用率在2012年就高達71%，而在2008只有28%(Mc Graw-Hill Construction 2012)[1]，足見發(fā)展之速。

盡管相較于北美地區(qū)，中國目前BIM的普及率較低。無論設計行業(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]，但近年來也出現(xiàn)很多典型的BIM應用工程案例，例如北京奧運會水立方、上海中心大廈、上海迪斯尼樂園等[3]。而作為BIM人才最直接輸出基地的高等院校，針對土木工程專業(yè)的應用BIM技術進行教學改革實踐和研究成果還很少。因此，如何將BIM技術融入該專業(yè)教學研究具有積極的現(xiàn)實意義。

1 BIM技術

1.1 BIM技術的特點

BIM以三維數(shù)字技術為基礎建立建筑模型，通過數(shù)字信息仿真，模擬建筑物所具有的真實信息。同時，BIM將規(guī)劃、設計、建造、營運等各個階段的數(shù)據(jù)資料，全部包含在一個三維模型之中。建筑物全生命周期中任何項目實施階段的工作技術人員都能通過信息模型集成進行建筑信息交互協(xié)同，極大提升了項目參與者決策效率與正確性，實現(xiàn)了建筑可視化、可協(xié)調、可模擬性、可優(yōu)化和可出圖五大功能優(yōu)勢。

1.2 BIM技術在教學應用現(xiàn)狀

盡管《2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》已經把BIM技術作為工程總承包、勘察設計和施工類企業(yè)“十二五”信息化發(fā)展必須具備的核心技術之一，國內高校也越來越重視有關BIM應用教學。但多數(shù)是針對研究生的培養(yǎng)，對本科培養(yǎng)教學中的BIM教程還很少，或只是對BIM概念以及基本理論的講解，運用BIM技術的案例教學模式在許多課程領域還處于空白狀態(tài)。

土木工程專業(yè)具有很強的專業(yè)性和實踐性特點，目前專業(yè)課程主要還是延續(xù)“講解——接受”傳統(tǒng)教學模式，多數(shù)任課老師在教學過程中相對獨立，課程內部聯(lián)系不緊密，無法實現(xiàn)各課程知識的相互貫通。要解決這一問題,就亟須BIM技術應用到這些課程的教學中,運用BIM技術創(chuàng)建一個共享建筑信息模型平臺或核心，將學科知識系統(tǒng)的融會串聯(lián)在三維模型中。這樣，一方面可以促進學生對知識的理解，提高學習興趣；另一方面可以加強授課老師之間的溝通與聯(lián)系，達到更好的教學效果[4]。

2 運用REVIT建模的案例

2.1 工程案例概況

用BIM建模軟件建立一個三維建筑模型作為教學案例，案例為福州某高校一座7層框架結構文科樓，右側附帶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?？拐鹪O防烈度7度，結構抗震等級為三級。

2.2 建模過程

首先選擇合適的建模軟件，每個BIM專業(yè)平臺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(達索系統(tǒng))。該工程根據(jù)實際教學情況，綜合考慮后采用Autodesk的REVIT三維建模軟件創(chuàng)建。

(1)標高及軸網的創(chuàng)建

依據(jù)實際工程的層高表設置樓層標高，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個標高層；再根據(jù)建筑平面圖創(chuàng)建模型軸網。

(2)結構框架的創(chuàng)建

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

(3)建筑墻體及門窗等構件的創(chuàng)建

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

(4)樓梯，雨棚等細部構件的創(chuàng)建

建筑主體構件創(chuàng)建完成后，對建筑的細部構件如樓梯、雨棚、坡道、臺階和明溝等進行創(chuàng)建。這些構件，一部分可利用程序自帶圖元來布置，另一部分(如明溝等)則需創(chuàng)建新的族構件來布置。

(5)室外場地的創(chuàng)建

文科樓主體創(chuàng)建完成，則布置文科樓建筑的室外場地，并通過布設RPC構件達到實際場景的模擬。至此，該教學工程案例的REVIT建筑結構三維模型基本完成。

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)，選取該建筑某個視角視圖，通過渲染功能，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模型在相關教學中的應用

文科樓的三維模型創(chuàng)建完成后，即可作為教學案例為土木工程專業(yè)的相關課程教學所用。一方面，在教學過程中結合三維建筑模型，能夠更形象更準確地讓學生了解及掌握房屋建筑的有關知識；另一方面，可以通過教學發(fā)現(xiàn)案例模型中的不足之處，并對其不斷完善修正。

以下針對BIM三維模型在土木工程專業(yè)的專業(yè)知識和應用能力兩大課程體系的應用，做進一步的分析和探討。

3.1 專業(yè)知識課程教學中的應用

專業(yè)知識包含跨專業(yè)知識及專業(yè)基礎大兩類，為學生學習專業(yè)知識以及將來從事土木工程相關專業(yè)的工作打下基礎，包括工程制圖、房屋建筑學、施工組織設計等課程。

(1)以土木工程制圖課程的應用為例

傳統(tǒng)工程制圖課程授課過程中主要是利用AutoCAD繪圖軟件，結合手工繪圖形式，培養(yǎng)學生的空間思維能力以及國家制圖規(guī)范的掌握能力。對于復雜的圖形構件，由于人的空間想象局限性和所學專業(yè)知識不全等原因，學生難以形成清晰的三維立體建筑圖形。引入BIM三維模型，結合二維平面圖，很好地解決了這類問題。例如學生繪制建筑剖面圖時，利用BIM模型的立體剖面，如圖2所示，學生能夠直觀地理解樓梯立面構造及其與周圍構件的關系[4]。

圖2 文科樓的樓梯豎向三維剖面圖

(2)以房屋建筑學課程的應用為例

房屋建筑學是研究建筑設計和建筑構造基本原理的學科，也是土木工程專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎課程，學院將這門課程設立在大三上學年。雖然這時學生們已具備一定的專業(yè)知識，但房屋建筑設計內容多而細，構造物復雜零散，學生要系統(tǒng)地消化吸收課堂所學知識還很困難。通過引用教學案例三維模型，一方面可以直觀地理解房屋建筑一些設計基本概念，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造，如建筑墻體、幕墻、雨披、框架梁柱等，并掌握這些構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)以施工組織設計課程的應用為例

施工組織設計，項目管理等課程多是敘述講解，內容極為抽象，這類課程知識若沒有實物作為依托，很難理解掌握。教學中可以運用BIM三維建筑模型，結合Navisworks Manage或者P-BIM等軟件，對建筑物施工過程做進一步施工進度的4D模擬，如圖4所示。通過學習施工模擬動畫，可以直觀了解每個施工環(huán)節(jié)的工作內容及邏輯關系，便于學生更好地理解建筑工程實際施工過程，進而培養(yǎng)建設工程項目的管理能力。

圖4 文科樓框架結構4D模擬動畫截圖

3.2 應用能力課程教學中的應用

應用能力課程是為學生運用土木工程的基本專業(yè)知識，提高專業(yè)實踐能力而設立。主要包含基本能力課程、崗位能力課程與實踐訓練能力課程等3大類。

(1)基本能力課程教學中的應用

基本能力課程主要為專業(yè)課程，包括土力學與地基基礎、混凝土結構設計、工程概預算、鋼結構、建筑結構抗震設計等。本文以混凝土結構設計課程應用為例。

混凝土結構設計作為土木工程專業(yè)核心課程之一，主要研究鋼筋混凝土材料性能，各種構件的受力特征基本計算方法及設計原理。在教學過程中，利用BIM三維模型可以直觀了解鋼筋混凝土結構的主要構件及其分布形式，如基礎、框架柱、框架梁、樓板、樓梯等，如圖5所示。

圖5 文科樓的框架結構圖及局部梁柱配筋圖

此外，由于REVIT軟件本身對結構計算的功能有限，可將模型導入專業(yè)結構設計軟件(Autodesk Robot Structural Analysis，PKPM，SAP2000，MIDAS等)中進行計算。以PKPM為例，將REVIT模型導入P-BIM平臺中，由P-BIM軟件導出PKPM模型，經過完善模型的參數(shù)及荷載等信息即可計算，但目前該平臺軟件尚未完善，全面運用還需要時間。也可以通過計算得到結構構件的內力及配筋，并對該構件配置三維鋼筋，如框架梁的縱筋、箍筋、腰筋等，直觀地展示梁構件的構造措施及實際施工情況[5]。

(2)崗位能力課程教學中的應用

崗位能力課程，主要包括結構設計軟件分析、施工技術應用軟件分析等。美國Building SMART聯(lián)盟主席Dana K.Smitnz指出“依靠一個軟件解決所有問題的時代已經一去不復返了”。在教學過程中，應運用BIM一系列的專業(yè)軟件，包括結構分析軟件、建筑設計軟件、節(jié)能設計軟件、計價算量軟件等，對已有案例模型做進一步的研究分析，以達到學生掌握不同軟件操作的教學目的[6]。

(3)實踐訓練能力課程教學中的應用

實踐訓練能力課程包含土木工程專業(yè)的所有實驗、課程設計以及畢業(yè)設計等。例如在設計題材的畢業(yè)設計中，學生可以在設計一棟建筑的建施及結施的同時，使用REVIT創(chuàng)建該建筑物的三維模型，并對模型做相應的后續(xù)分析。這樣，一方面可讓學生學以致用，把所學的知識內容融合匯總于BIM三維模型中，另一方面可讓畢業(yè)設計內容更為豐富飽滿，與時俱進。

因此，要培養(yǎng)高校土木工程專業(yè)應用型人才，就應改革以往傳統(tǒng)教學模式，在教學過程中穿插運用BIM技術。一方面可以更好地讓學生形成專業(yè)知識體系，另一方面更好地將專業(yè)知識運用于工程實踐。

4 結語

通過創(chuàng)建某學校文科樓的建筑結構三維模型作為教學案例，本文結合當下BIM技術在教學中的應用情況，探索了三維模型在土木工程專業(yè)教學中的適用性。分析表明，結合BIM模型能夠有效地進行土木工程課程的教學活動，為教學改革提供了很好的參考依據(jù)。最后，針對BIM模型在教學中的應用，提出以下3點展望：

(1)BIM技術在建筑工程中已有較廣泛運用，但在建筑工程教學中課程較少，且以概念介紹及工程造價運用居多。如何利用BIM技術結合更多實際工程案例，豐富本專業(yè)教學平臺，并運用于相關課程教學中，是每位土木建筑工程教育者的當務之急。

(2)對于土力學與地基基礎等相關課程，BIM三維教學案例模型僅模擬建筑基礎以上部分，地基土層的相關知識還需用Civil 3D等軟件進行相關地質模擬，為該類課程所用[7]。

(3)BIM技術目前大量用于房屋建筑的建設項目中，對于道路、橋梁、隧道等中運用相對較少。如何利用不斷發(fā)展的BIM技術，使之成為橋梁與渡河工程專業(yè)教學中的一項工具，有待我們做進一步的研究與探討。

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

[2] 寧忠意.中國BIM應用價值研究報告[J].中外建筑，2015(06):19-21.

[3] 何清華.BIM在國內外應用的現(xiàn)狀及障礙研究[J].工程管理學報，2012，26(1):12-16.

[4] 王建超.BIM技術在建筑類高校專業(yè)課程教學中的應用探索[J].高等教學教育，2017，26(1):161-164.

[5] GB 50010-2010 混凝土結構設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[6] 尚春靜，李艷榮.基于BIM的工程管理專業(yè)理論課程與實踐教學創(chuàng)新研究[J].建筑經濟，2015,36(9):129-132.

[7] 錢睿.基于BIM的三維地質建模[D].北京:中國地質大學，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