高衛(wèi)亮 韓 露 劉亞欣 程喜文

（黃河交通學(xué)院，河南 武陟 454950）

BIM（Building Information Modeling）是指建筑信息模型，通過(guò)三維數(shù)字技術(shù)將工程項(xiàng)目各信息集成在一起，是項(xiàng)目全生命周期的數(shù)字化表達(dá)，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性的特點(diǎn)，其中，可視化是BIM 技術(shù)最顯著的特點(diǎn)之一。該技術(shù)首先由Autodesk公司在2002年提出，2003年引入到我國(guó)，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，對(duì)我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展起到了巨大的影響，特別是在一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工圖方面，BIM技術(shù)在其中的應(yīng)用有著重大的意義。而B(niǎo)IM技術(shù)的可視化特點(diǎn)，使得構(gòu)件的詳細(xì)構(gòu)造可通過(guò)三維形式展示，基于此突出優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)逐漸在各高校的課程建設(shè)中引入，特別是在識(shí)圖、算量類(lèi)的課程中收到了良好的效果[1-3]。

鋼筋平法識(shí)圖與算量課程是土建類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程，該課程與工程實(shí)際貼合緊密，該課程的識(shí)圖被認(rèn)為是一門(mén)工程語(yǔ)言，而該課程的算量是學(xué)生工程造價(jià)的核心內(nèi)容。因此，學(xué)好本課程對(duì)學(xué)生日后走向工作崗位具有重要的意義。該課程本屬于按標(biāo)準(zhǔn)圖集（G101圖集、G901圖集等）要求進(jìn)行識(shí)圖算量的簡(jiǎn)單知識(shí)，但標(biāo)準(zhǔn)圖集是二維展示的，學(xué)生需要較強(qiáng)的空間想象力才能更好地理解鋼筋的構(gòu)造。但由于學(xué)生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)較差、空間想象力較差、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐機(jī)會(huì)少，從二維模式轉(zhuǎn)化為三維模式還有一定的困難。雖已出版有三維圖集，但仍是靜態(tài)的，對(duì)提升學(xué)生的理解有限，導(dǎo)致學(xué)生感覺(jué)本課程抽象、枯燥難懂，特別是多個(gè)構(gòu)件連接處的鋼筋構(gòu)造，鋼筋間的擺放、搭接、錨固等問(wèn)題學(xué)生很難理解。加之教師實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足、課時(shí)量偏少等原因，在有限的時(shí)間內(nèi)很難利用圖集把知識(shí)點(diǎn)講深講透。久而久之，學(xué)生漸漸地對(duì)課程產(chǎn)生了恐懼、厭學(xué)等心理。

針對(duì)以上問(wèn)題，許多學(xué)者也進(jìn)行了研究，姜兆華[4]將BIM的3D可視化引入了鋼筋平法的教學(xué)中，極大提高了上課的效率，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和熱情。張旭[5]指出，將BIM 技術(shù)運(yùn)用在鋼筋平法識(shí)圖課程中，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，也降低了教師的教學(xué)難度，教學(xué)效果良好。其他學(xué)者針對(duì)BIM技術(shù)在該課程的研究也做了研究，但是大部分都是從某一方面進(jìn)行分析，本文通過(guò)BIM技術(shù)和AR/VR/MR 全息投影等現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合起來(lái)，較全面地分析了相關(guān)技術(shù)在鋼筋平法識(shí)圖與算量課程中的應(yīng)用。

1 BIM技術(shù)在鋼筋平法識(shí)圖與算量課程中的應(yīng)用

1.1 BIM技術(shù)可視化引入

通過(guò)近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在本課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生空間想象力不足是影響學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)和興趣的主要原因。BIM 可視化可將復(fù)雜的構(gòu)件與鋼筋之間的關(guān)系通過(guò)三維效果的形式展示在學(xué)生面前，這將有效改善學(xué)生空間想象力不足問(wèn)題，對(duì)提升學(xué)生理解力有極大的幫助。比如在課程中利用BIM 建模軟件Revit 對(duì)梁、板、柱等構(gòu)件進(jìn)行建模，學(xué)生可以簡(jiǎn)單地完成對(duì)這些構(gòu)件的識(shí)圖；對(duì)復(fù)雜的鋼筋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，可以表示出鋼筋的彎折方向、長(zhǎng)度、搭接的位置和長(zhǎng)度等信息，再用不同的顏色表示出鋼筋的種類(lèi)。再將三維視圖與平面圖對(duì)應(yīng)起來(lái)學(xué)習(xí)，這樣將大大提升學(xué)生對(duì)二維圖集的節(jié)點(diǎn)、搭接、錨固的理解程度，學(xué)生對(duì)鋼筋工程量的計(jì)算變得容易。圖1為某框架柱鋼筋三維視圖與平面圖，按構(gòu)件實(shí)際尺寸建立的模型，真實(shí)表示出某框架柱的縱筋錨固長(zhǎng)度、搭接范圍、箍筋間距等信息。從上課表現(xiàn)來(lái)看，學(xué)生能夠輕松地計(jì)算出鋼筋工程量。

圖1 某框架柱鋼筋算量三維視圖與立面圖

1.2 模型輕量化處理

建模軟件創(chuàng)建的模型一般需要軟件進(jìn)行打開(kāi)，而且對(duì)硬件的要求也較高，學(xué)生很難實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地輕松地觀看。有些學(xué)者也通過(guò)建立模型，然后需下載APP掃描查看，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)了不便。為了使學(xué)生能夠通過(guò)web 或移動(dòng)端看到構(gòu)件的三維視圖和鋼筋排布，需要對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理。在實(shí)際操作中，首先通過(guò)建模軟件對(duì)構(gòu)件建立的三維模型，然后上傳到云平臺(tái)，轉(zhuǎn)化成輕量化模型，生成二維碼，學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)端或PC 端掃描后，對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察、第一視角觀察、截面分析、分解模型等方式預(yù)覽。學(xué)生可以近距離地看清構(gòu)件中鋼筋的排布、搭接、位置擺放等情況，對(duì)空間想象力不強(qiáng)的學(xué)生帶來(lái)了極大的幫助。比如紅瓦科技公司出的協(xié)同大師，支持分享輕量化模型，網(wǎng)頁(yè)端、手機(jī)小程序端，客戶(hù)端多終端查看模型，支持截面分析、測(cè)量以及漫游等多種功能，教師還可以隨時(shí)對(duì)上傳的模型進(jìn)行更新。圖2為樓層框架梁和中柱鋼筋的二維碼，將構(gòu)件的二維碼放入課件中，方便學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)習(xí)。

圖2 梁構(gòu)件和柱構(gòu)件三維視圖二維碼

1.3 BIM+VR技術(shù)在課程中的應(yīng)用

VR 技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)生成一種可對(duì)參與者直接施加視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)感受，并允許其交互地觀察和操作的虛擬世界技術(shù)，具有交互性、沉浸感、想象性和自主性的特點(diǎn)。近年來(lái)，在課程建設(shè)上也得到應(yīng)用[6]。BIM+VR 技術(shù)相結(jié)合，能夠創(chuàng)建一個(gè)虛擬仿真的平臺(tái)，學(xué)生通過(guò)佩戴VR設(shè)備可以沉浸其中，真正實(shí)現(xiàn)近距離地體驗(yàn)構(gòu)件間、鋼筋的相關(guān)關(guān)系，學(xué)生觀看完后基本能掌握鋼筋的排布、錨固等知識(shí)點(diǎn)，對(duì)學(xué)生理解和掌握構(gòu)件中鋼筋的組成起到了極大的作用。例如利用建模軟件Revit 建好鋼筋模型，將建好的三維模型一鍵導(dǎo)入到Fuzor軟件或在Enscape插件中進(jìn)行VR渲染體驗(yàn)，還可以設(shè)置知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生佩戴VR眼鏡后可以身臨其境的學(xué)習(xí)，趣味性和學(xué)習(xí)性得到了統(tǒng)一。圖3為某框架梁的在Enscape軟件中的VR顯示。

圖3 三維模型在Revit軟件和Enscape插件中的同步呈現(xiàn)

1.4 BIM+AR＆MR技術(shù)在課程中的應(yīng)用

AR技術(shù)又稱(chēng)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將計(jì)算機(jī)所形成的虛擬信息融入用戶(hù)所能看到的真實(shí)環(huán)境中，借助顯示設(shè)備對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行景象增強(qiáng)的技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被人類(lèi)感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。MR技術(shù)又稱(chēng)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬，是合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互輸入。在教學(xué)過(guò)程中，可以將圖集中的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)通過(guò)建模軟件制成3D模型，通過(guò)轉(zhuǎn)化成AR＆MR 的文件，并生成二維碼，學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行掃描，就可以在手機(jī)屏幕上呈現(xiàn)3D 立體效果。學(xué)生可以對(duì)模型進(jìn)行360°全方位縮放查看，可以清晰地看到構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處的鋼筋排布。例如佩戴MR 設(shè)備Magic Leap 和Hololens 眼鏡，可支持手勢(shì)、語(yǔ)音、鍵盤(pán)和手柄的人機(jī)交互輸入，可實(shí)時(shí)空間建模、實(shí)時(shí)空間追蹤、播放空間聲音等[7-8]，從而有效地解決學(xué)生立體感不強(qiáng)、學(xué)習(xí)枯燥等問(wèn)題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和掌握的程度。

1.5 BIM+全息投影技術(shù)在課程中的應(yīng)用

全息投影技術(shù)屬于3D技術(shù)的一種，也稱(chēng)虛擬成像技術(shù)，是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像記錄和再現(xiàn)的技術(shù)。所投射的畫(huà)面清晰、色彩鮮明、具有非常真實(shí)的特征，有利于將一些復(fù)雜難懂、抽象的知識(shí)點(diǎn)直觀形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前?？蓪⒅谱骱玫哪Ｐ蛻腋≡趯?shí)景的半空中成像，營(yíng)造了亦幻亦真的氛圍，具有強(qiáng)烈的縱深感，可全方位180°或360°多視角顯示構(gòu)件效果，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)與學(xué)生的互動(dòng)，有效降低課程的難度，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2 取得的效果

BIM、AR、MR 等技術(shù)在鋼筋平法識(shí)圖與算量課程中運(yùn)用，有效地克服了學(xué)生空間想象力不足的問(wèn)題，使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、節(jié)點(diǎn)處復(fù)雜的鋼筋構(gòu)造變得簡(jiǎn)單，課堂的趣味性更強(qiáng)，增加了課堂活躍性，使課堂不再枯燥，在有限的專(zhuān)業(yè)課時(shí)的條件下，最大限度地完成課程的重難點(diǎn)，使學(xué)生接受更多的知識(shí)點(diǎn)。在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)本門(mén)課程的積極性更高，對(duì)該課程產(chǎn)生了濃厚的興趣，能夠有效掌握G101 等圖集的識(shí)圖，對(duì)鋼筋工程量的計(jì)算更加準(zhǔn)確，加之課下要求學(xué)生通過(guò)建模軟件建立鋼筋節(jié)點(diǎn)模型，大大加深了學(xué)生的印象，能夠使得學(xué)生真正掌握所學(xué)知識(shí)。在學(xué)期末的測(cè)驗(yàn)中學(xué)生優(yōu)秀率明顯增加，對(duì)學(xué)生日后走向工作崗位奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著B(niǎo)IM、AR、MR等技術(shù)的不斷發(fā)展，不僅給建筑行業(yè)帶來(lái)了巨大的變革，也會(huì)對(duì)教學(xué)方法的改革帶來(lái)很大的影響。BIM 技術(shù)在鋼筋平法識(shí)圖與算量課程中的應(yīng)用具有非常重要的意義，不僅可將教學(xué)過(guò)程中復(fù)雜的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)，通過(guò)三維模型生動(dòng)、形象地向?qū)W生展示，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增加空間想象力都有很大幫助，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)更加輕松，從而提高課堂效率，符合現(xiàn)代新課改的要求。同時(shí)，積極對(duì)課程現(xiàn)有的教學(xué)模式、教學(xué)方式、教學(xué)手段等進(jìn)行改革，改變課程目前的教學(xué)現(xiàn)狀，提高教學(xué)的效果和質(zhì)量，為培養(yǎng)順應(yīng)時(shí)代和行業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)應(yīng)用型人才而努力。