冀偉 藺鵬臻 劉世忠

摘要：為探索理論知識、實踐能力和創(chuàng)新能力融合的教學新模式，以道路橋梁與渡河工程專業(yè)的橋梁施工課程為平臺，以當下發(fā)展速度快、應用面廣的BIM技術(shù)為改革手段，通過對課程內(nèi)容體系的整合重構(gòu)，建立了教學情景，體現(xiàn)了橋梁施工過程的整體性和全面性。通過BIM、MIDAS、橋梁博士等有限元軟件的應用實現(xiàn)了仿真模擬，增強了課堂教學的直觀性和生動性，提高了學生的軟件操作和分析能力。通過引入工程實際項目實現(xiàn)了教學與工程實踐的對接，提高了學生解決實際問題，參與工程項目的實踐能力，增強了橋梁施工課程的教學效果，實現(xiàn)了人才培養(yǎng)的目標。

關鍵詞：橋梁施工;教學改革;BIM技術(shù);實踐能力;創(chuàng)新能力

中圖分類號：U445;G6423 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2019）02-0124-07

橋梁是道路的重要組成部分，是交通工程中的關鍵性樞紐，對交通發(fā)展起著非常重要的作用。橋梁也是國家經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎設施，是一個國家或地區(qū)經(jīng)濟實力、科學技術(shù)、生產(chǎn)力發(fā)展等綜合國力的體現(xiàn)[1]。近年來，隨著中國交通事業(yè)的發(fā)展，橋梁在高等級公路、高速鐵路及城市立交道路中所占的比重逐漸加大。橋梁建設發(fā)展也呈現(xiàn)出跨徑不斷增大、橋型不斷豐富和施工技術(shù)不斷革新等趨勢，這對橋梁施工的技術(shù)水平和管理水平提出了更高的要求。作為橋梁工程相關的設計、施工、監(jiān)理和檢測等企事業(yè)單位也迫切需要大量的橋梁工程專業(yè)人才，企業(yè)的競爭歸根到底是人才的競爭。如何為用人單位培養(yǎng)理論基礎扎實、實踐能力強的橋梁工程專業(yè)人才，是學校開設道路橋梁與渡河工程專業(yè)課程主要考慮的問題。

橋梁施工課程作為道路橋梁與渡河工程專業(yè)的核心課程，起到了從設計藍圖向具體工程實體轉(zhuǎn)變的橋梁連接作用。該課程通過對路基工程、路面工程、橋梁基礎、墩臺、橋跨結(jié)構(gòu)和附屬構(gòu)造等的施工內(nèi)容和施工技術(shù)要求，道橋施工的組織設計等內(nèi)容的講授，使學生掌握道路與橋梁工程的施工過程和關鍵技術(shù)要點，具備編制道路與橋梁專項施工方案的能力，理解工程施工與材料、設計方案、技術(shù)進步、投資、環(huán)境與社會等因素之間的復雜關系，培養(yǎng)學生基于工程標準、規(guī)范和規(guī)程的工程質(zhì)量意識。學生通過學習此課程，應掌握橋梁施工技術(shù)和施工組織設計的基本知識，初步具備制定各式橋梁結(jié)構(gòu)施工方案的能力，為畢業(yè)后從事橋梁工程科研、設計、施工與管理等工作奠定基礎。此外，該課程也是道路橋梁與渡河工程專業(yè)理論與實踐結(jié)合的重要課程，是培養(yǎng)學生工程實踐能力，實踐“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的最佳平臺[2]。

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型，是以建筑工程項目的各項相關信息數(shù)據(jù)作為基礎，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[3]。將BIM技術(shù)三維可視化的優(yōu)勢應用于橋梁施工課程教學可以直觀展示橋梁三維結(jié)構(gòu)，模擬真實的橋梁施工過程，激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對教學內(nèi)容的理解，做到學以致用，事半功倍地實現(xiàn)預期的教學效果。

如圖1所示，在系桿拱橋的BIM模型中，設計規(guī)劃系桿拱橋拱肋節(jié)段吊裝過程中吊車的停放位置、吊臂的工作范圍、拱肋節(jié)段的放置區(qū)域。對比CAD圖紙的場地模擬（圖2），圖1的BIM模型更加直觀、形象地呈現(xiàn)了施工現(xiàn)場布置情況[4]，讓學生一目了然地熟悉和掌握相關知識要點。

文章以蘭州交通大學道路橋梁與渡河工程專業(yè)所開設的橋梁施工課程為研究對象，主要研究以BIM為技術(shù)基礎開發(fā)的情景教學法、仿真模擬動態(tài)展示、工程實踐結(jié)合應用等教學方法如何在橋梁施工課程教學中有效開展，以達到解決學生學習積極性差，理論知識與實踐操作結(jié)合欠佳，傳統(tǒng)教學手段教學效率低等問題。

一、橋梁施工課程教學現(xiàn)狀及問題

蘭州交通大學道路橋梁與渡河工程專業(yè)開設的橋梁施工課程屬于專業(yè)核心課程，開設于第7學期，課時為32學時，前導課程有橋梁工程和墩臺與基礎工程，為學生后續(xù)進行畢業(yè)設計及畢業(yè)后走上橋梁工程設計、施工、管理等崗位奠定基礎。蘭州交通大學作為中國第三所鐵路院校，行業(yè)特色鮮明，道路橋梁與渡河工程專業(yè)的畢業(yè)生大都簽約中國中鐵、中國鐵建等大型鐵路施工企業(yè)，工作于鐵路工程一線，直接參與大型復雜橋梁的建造管理，對畢業(yè)生“所學即所用”“零距離上崗”的要求很高，反推到在校所學的專業(yè)課程，對課程“貼近實踐應用”的要求逐漸提高，這也是專業(yè)實踐課程教學改革的方向。

目前，針對橋梁施工課程，高校實施的教學方式和內(nèi)容改革主要有多媒體課堂教學、互動式教學、換位教學法、施工案例分析、施工現(xiàn)場實習和基于施工圖的教學法等[5-7]。這些嘗試雖然有一些效果，但一方面沒有將不同層次高校的人才培養(yǎng)目標區(qū)別出來，另一方面在教學過程中仍然存在一些問題。

（一）缺乏整座橋梁施工全過程的情景教學

橋梁各部分的施工過程和施工工藝是橋梁施工課程講授的重點，目前主要通過傳統(tǒng)教學方式進行講解，即教師講課以板書為主，多媒體教學等輔助，學生聽課并記錄課堂筆記。這種教學模式可以短時間內(nèi)給學生展示大量的橋梁施工知識，讓學生快速認識并了解橋梁施工的基本概念，也可以通過PPT展示施工圖片，通過施工錄像和視頻資料等多媒體手段增強學生對橋梁施工過程的感性認識。這種傳統(tǒng)的教學方式是以教材為依據(jù)，而大多數(shù)教材將橋梁的上部和下部結(jié)構(gòu)劃分開，分別講授其施工方法，沒有展示橋梁完整結(jié)構(gòu)的施工過程。當前所用的教學大綱也基本按照教材體系編寫，未能體現(xiàn)橋梁施工的整體性和全面性。在此情況下，學生難以從整體上把握某一種橋型的構(gòu)造和施工過程，雖然通過PPT展示施工圖片和視頻展示施工錄像可彌補這一不足，但PPT展示比較片面，完整播放錄像又比較花時間，容易使學生疲倦且縮短了教師的講解時間，不利于實現(xiàn)教學效果。

（二）學生BIM技術(shù)及有限元計算軟件的應用能力較弱

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和BIM技術(shù)在橋梁工程領域的推廣應用，橋梁設計、施工單位在實際工程中也開始較多地使用BIM技術(shù)建立橋梁模型，模擬具體橋型的施工過程。但從目前學生做畢業(yè)設計反饋的信息來看，學生對簡單橋型的BIM建模及施工模擬的操作尚不能熟練掌握，無法滿足以后工作的需要。此外，在畢業(yè)設計階段，學生還需要應用有限元軟件計算橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移，通常存在學生完成后無法判斷對錯等問題。學生應用BIM技術(shù)模擬施工、應用有限元軟件計算模擬受力情況的水平都有待加強。

（三）理論知識與工程實踐結(jié)合較差

橋梁施工課程是培養(yǎng)學生工程實踐能力和綜合能力并實踐“卓越計劃”的最佳平臺，工程教育專業(yè)認證標準也要求學生具有綜合運用所學理論和技術(shù)分析并解決工程問題的基本能力。但目前學校無法創(chuàng)造出各種橋梁施工的真實場景，學生對橋梁局部構(gòu)造及施工關鍵技術(shù)的學習和理解較為吃力。教學計劃中橋梁施工課程僅為32學時，而教學內(nèi)容較多，學生很難掌握整個橋梁的施工過程，往往只能掌握某種橋型甚至某個橋梁結(jié)構(gòu)的幾道工序。

（四）課程內(nèi)容陳舊，未能體現(xiàn)橋梁施工的最新技術(shù)

隨著中國經(jīng)濟建設的發(fā)展，一大批結(jié)構(gòu)新穎和科技含量高的大跨徑橋梁相繼建成，隨之產(chǎn)生了新的橋梁設計理念和施工技術(shù)。但目前橋梁施工課程所使用的教材對知識點的選擇和安排沒有脫離傳統(tǒng)的教學理念，在新材料、新橋型及新施工技術(shù)等方面，知識點更新緩慢，畢業(yè)生在課堂上所學的知識在走上工作崗位前就已經(jīng)不適用了，這也成為廣大畢業(yè)生走上工作崗位后面臨的難題。因此，通過對橋梁施工課程教學方法的改革，在教學中及時補充更新與課程相關的最前沿知識勢在必行。

二、項目研究的目標及擬解決的主要問題

本項目結(jié)合常見典型橋型、施工單位常用的橋梁施工方法和工藝，對原有橋梁課程教學內(nèi)容進行整合重構(gòu)，建立對應不同典型橋型的教學情景，作為教學開展的脈絡。利用BIM技術(shù)構(gòu)建具體橋型的三維模型，增強學生對橋梁構(gòu)造的感性認識，提高學習興趣，通過有限元軟件模擬具體橋型在不同環(huán)境及工況下的施工過程及受力特點，直觀顯示荷載作用下結(jié)構(gòu)各階段的變形形態(tài)，使學生能利用有限元理論分析和解決實踐問題。結(jié)合學院教師承擔的橋梁施工監(jiān)控項目，以工程實際項目作為教學項目，引導學生利用有限元理論去探索、思考和實踐。擬解決的關鍵問題為：

（1）打破學生僅僅掌握某種橋型或某個結(jié)構(gòu)的幾道工序的局限性，建立對應不同典型橋型的教學情景，使學生熟悉并掌握不同橋型整座橋梁的施工過程。

（2）解決課堂教學方式不生動，教學內(nèi)容枯燥，學生學習積極性差的問題。在橋梁施工課程教學中，通過BIM三維模型的展示、橋梁施工過程的動態(tài)模擬使課堂講授更具有吸引力，并增強學生對理論知識的理解掌握。例如：可利用BIM軟件對系桿拱橋拱腳的施工過程進行模擬（表1）[8]，通過動態(tài)模擬使課堂講授更加生動，提高學生積極性和課堂參與度。

表1 拱腳澆筑與施工現(xiàn)場圖

（3）解決學生在實習或就業(yè)后對實際橋梁施工工程進行仿真模擬時無從下手的問題。學生在橋梁施工課程中不僅要學習基本理論知識，還要在課后利用BIM實驗室學習BIM類軟件建模及仿真模擬操作，符合實習及工作中對BIM技術(shù)應用的需求。

（4）采用工程實際項目作為教學項目，引導學生參與實際橋梁工程的施工過程模擬中，完成建模及編制施工方案等任務，以小組討論方式驗證所選施工方案的可行性，培養(yǎng)學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力與綜合解決問題能力。

三、研究思路和研究方法

首先，結(jié)合當前施工單位常用的橋梁施工方法，選擇難易程度適中、有一定綜合性和代表性的橋梁為研究對象，以不同橋型為分類標準構(gòu)建學習情景;然后，應用BIM技術(shù)創(chuàng)建不同橋型的信息模型，方便學生直觀了解橋梁構(gòu)造，同時應用BIM類軟件模擬不同橋梁施工過程，一方面增強學生BIM軟件仿真模擬操作能力，另一方面增強學生對橋梁施工方法的理解;最后，以實際橋梁工程項目為依托，以建立模型并動態(tài)模擬橋梁施工過程為導向，強化學生橋梁施工監(jiān)測與控制、橋梁施工總體技術(shù)方案制定等方面的訓練。

（一） 構(gòu)建橋梁全過程施工的教學情景

突破原有橋梁施工課程大綱根據(jù)橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)造形式，分別講授其施工過程的模式，以典型工程項目為基礎，構(gòu)建簡支梁橋施工、連續(xù)梁橋施工、剛架橋施工、拱橋施工、斜拉橋施工及懸索橋施工的6個學習情景。針對每個學習情景結(jié)合后期BIM技術(shù)的插入應用，組織有教學及實踐經(jīng)驗的教師進行具體的情景描述，編制詳盡的教學設計方案，包括每個教學情景的教學目標、重點難點、課時分配、教學內(nèi)容、BIM技術(shù)切入方式、學生學習方法等。

（二） BIM建模和有限元三維仿真模擬應用于橋梁施工課程教學

目前橋梁工程常用的BIM類軟件有橋梁博士、MIDAS。利用這類軟件創(chuàng)建以上6個學習情景所對應的6種橋型的三維模型，結(jié)合傳統(tǒng)講授方式使學生直觀認識各種橋梁，了解橋梁結(jié)構(gòu)，熟悉各部位功能和作用，實現(xiàn)學生對此門課程基本知識的理解與掌握。

然后利用此類軟件仿真模擬懸臂法施工、頂推法施工及轉(zhuǎn)體施工等各種橋型的真實施工過程，使學生有身臨其境的感覺。同時應用有限元軟件深入模擬橋梁在各種工況下的受力狀態(tài)，直觀顯示不同荷載作用下結(jié)構(gòu)各階段的變形形態(tài)，進而在后處理平臺上實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的變形特征，并將運算結(jié)果制作成圖片和施工過程的分析動畫。這個仿真模擬展示過程可使學生較深刻地理解橋梁施工知識。

（三）以實際工程項目為載體進行實戰(zhàn)

遴選在施工技術(shù)和構(gòu)造類型方面具有代表性和典型性的實際橋梁工程，收集相關的前期設計資料作為橋梁施工課程的實訓工程案例。模擬實際工作環(huán)節(jié)，實現(xiàn)“教學與工程實踐相結(jié)合”的目標。

學生以4～6人為一組，以實訓工程案例為載體，完成相應的BIM建模、施工過程仿真模擬、設計計算分析、橋梁施工方案制定等任務，并對完成效果進行總結(jié)匯報。

此外，還可安排學生在橋梁關鍵的施工階段進入施工現(xiàn)場觀摩學習，請施工單位的一線技術(shù)人員現(xiàn)場講解施工關鍵技術(shù)，進一步增強學生對課堂理論知識的理解，實現(xiàn)課程教學內(nèi)容與橋梁施工新技術(shù)同步發(fā)展。

若有條件，指導帶領學生參與完成實際工程項目也是實現(xiàn)學生課程學習效果，提高專業(yè)實踐能力的有效途徑。在2017年的橋梁施工教學中，選派學生利用國慶長假分別赴甘肅省臨夏州和政縣、甘肅省天水市秦州區(qū)及青海省西寧市湟中縣展開橋梁的橋位和橋址勘測，回到學校后針對所收集的資料，進行橋梁選型和施工方案設計，并制作了沙盤模型，培養(yǎng)和提高了學生的工程分析和設計能力。

（四） 課程案例的具體設計

基于BIM技術(shù)的“情景教學-仿真模擬-工程應用”的橋梁工程施工課程具體設計內(nèi)容為：

（1）以培養(yǎng)學生自主學習和研究性學習為目標，基于橋梁工程實際問題進行探究式教學課程講義編制，基于BIM技術(shù)進行多媒體課件設計。

（2）以實際的一座系桿拱橋為例（圖3），指導學生運用BIM技術(shù)建立該橋的BIM模型，并利用BIM模型進行施工過程模擬。結(jié)合BIM模型重點學習拱橋施工中的內(nèi)外吊桿施工順序、拱腳施工及下錨塊施工等關鍵施工技術(shù)。

（3）運用BIM技術(shù)設計虛擬施工情境，培養(yǎng)學生綜合分析與解決問題的能力。以一座處于不同環(huán)境的系桿拱橋為例（圖4），學生在教師的指導下針對不同環(huán)境中的拱橋提出具體的施工方案，并對其合理性進行論證，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識分析和解決問題的能力。

（4）以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力與團隊協(xié)作能力為目標的項目參與式教學。將學生分成若干小組，針對不同的施工方案，每組學生完成各自施工方案的成本估算和論證施工方案的優(yōu)缺點，訓練學生的團隊協(xié)作能力與創(chuàng)新能力。

四、預計實施效果

基于BIM技術(shù)的“情景教學-仿真模擬-工程應用”教學改革在橋梁工程施工課程中的應用預計有以下效果：

（1）分析整合橋梁施工課程內(nèi)容，并以典型橋型為分類依據(jù)建立6個學習情景，突破了以往教學大綱及傳統(tǒng)教材對教學內(nèi)容劃分缺乏整體性的局限，重構(gòu)了教學內(nèi)容，使教學內(nèi)容更能體現(xiàn)橋梁施工的完整過程，更貼近于工程實際。

（2）通過BIM類軟件建立不同類型橋梁的三維可視化模型，模擬橋梁施工的全過程，加深了學生對課堂理論知識的理解，增強了學生對橋梁構(gòu)造和橋梁施工過程的直觀認識，同時增強了課堂的趣味性，激發(fā)了學生的學習興趣。

（3）通過BIM類軟件仿真模擬橋梁在不同工況下的受力情況、變形過程，并進行分析計算，輔助學生理解比較枯燥的受力分析理論知識，提高了學生對BIM類軟件的操作應用能力，培養(yǎng)了學生分析解決問題的實踐能力。

（4）將實際工程項目作為教學案例引入橋梁工程施工課程，使課堂教學內(nèi)容更貼近于工程實踐，使學生在學校所學知識更貼近于本門學科的發(fā)展前沿，達到“所學即所用”的目標，有效地實現(xiàn)了理論與實踐的結(jié)合。

（5）引導學生分組完成案例項目的實訓任務，激發(fā)學生自主學習、思考和實踐的潛力，鍛煉學生的實際動手能力，培養(yǎng)學生團隊協(xié)作的精神，在一定程度上增強了學生的科研意識和科研能力。

五、項目研究的實踐意義與推廣價值

橋梁施工課程教學改革已在生源質(zhì)量較好的2013級和2014級本科土木工程專業(yè)茅以升班（橋梁工程方向）實施，學生的學習興趣有較大提高，教學效果良好。隨后將在總結(jié)教學實踐經(jīng)驗和改革成果的基礎上，在土木工程2015級橋梁方向所有班級中全面推廣實施。

基于BIM技術(shù)的“情景教學-仿真模擬-工程應用”教學改革與實踐以實現(xiàn)橋梁工程施工課程教學效果為出發(fā)點，以當下發(fā)展速度快、應用面廣的BIM技術(shù)為改革手段，以培養(yǎng)橋梁工程專業(yè)高素質(zhì)、高技能人才為目標，以服務于中國橋梁建設事業(yè)為最終落腳點，通過對課程內(nèi)容體系的整合重構(gòu)，建立了教學情景，通過BIM技術(shù)的應用實現(xiàn)了仿真模擬，通過引入工程實際項目實現(xiàn)了教學與工程實踐的對接。此項教學改革與實踐的成果提高了橋梁工程施工課程的教學效果，可為同類院校橋梁工程施工課程改革提供參考，還可為借助BIM技術(shù)提高教學效果的其他課程教學改革提供借鑒，具有較好的推廣應用價值。

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