高衛(wèi)亮 韓 露 劉亞欣 程喜文

(黃河交通學(xué)院 河南 焦作 454950)

BIM(Building Information Modeling)是指建筑信息模型,通過三維數(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,經(jīng)過近20年的發(fā)展,對我國建業(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BIM 技術(shù)的可視化的特點(diǎn),使得構(gòu)件的詳細(xì)構(gòu)造可通過三維形式展示,基于此突出優(yōu)勢,近年來逐漸在各高校的課程建設(shè)中引入,特別是在識圖、算量類的課程中收到了良好的效果[1～3]。

鋼筋平法識圖與算量課程是土建類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程,該課程與工程實(shí)際貼合緊密,該課程的識圖被認(rèn)為是一門工程語言,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)行識圖算量的簡單知識,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的理解鋼筋的構(gòu)造。但由于學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)較差、空間想象力較差、現(xiàn)場實(shí)踐的機(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,對提升學(xué)生的理解有限。導(dǎo)致學(xué)生感覺本課程抽象、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點(diǎn)講深講透。久而久之,學(xué)生漸漸的對課程產(chǎn)生了恐懼、厭學(xué)等心理。

針對以上問題,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BIM 技術(shù)和AR/VR/MR 全息投影等現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合起來,較全面的分析了相關(guān)技術(shù)在鋼筋平法識圖與算量課程中的應(yīng)用。

1 BIM 技術(shù)在鋼筋平法識圖與算量課程中的應(yīng)用

1.1 BIM 技術(shù)可視化引入

通過近幾年地教學(xué)經(jīng)驗(yàn),在本課程學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生空間想象力不足是影響學(xué)生學(xué)習(xí)成績和興趣的主要原因。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題,對提升學(xué)生理解有極大的幫助。比如在課程中利用BIM 建模軟件Revit對梁、板、柱等構(gòu)件進(jìn)行建模,學(xué)生可以簡單地完成對這些構(gòu)件的識圖;對復(fù)雜的鋼筋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模,可以表示出鋼筋的彎折的方向、長度、搭接的位置和長度等信息,再用不同的顏色表示出鋼筋的種類。再將三維視圖與平面圖對應(yīng)起來學(xué)習(xí),這樣學(xué)生對二維圖集的節(jié)點(diǎn)、搭接、錨固的理解程度將大大的提升,學(xué)生對鋼筋工程量的計(jì)算變得容易。如圖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度、搭接范圍、箍筋的間距等信息。從上課表現(xiàn)來看,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,而且對硬件的要求也較高,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)帶來了不便。為了使學(xué)生能夠通過web或移動(dòng)端看到構(gòu)件的三維視圖和鋼筋排布,需要對模型進(jìn)行輕量化處理。在實(shí)際操作中,首先通過建模軟件對構(gòu)件建立的三維模型,然后上傳到云平臺,轉(zhuǎn)化成輕量化模型,生成二維碼,學(xué)生可以通過手機(jī)端或PC端掃描后,對模型進(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,對空間想象力不強(qiáng)的學(xué)生帶來了極大的幫助。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)頁端、手機(jī)小程序端,客戶端多終端查看模型,支持截面分析、測量以及漫游等多種功能,教師還可以隨時(shí)對上傳的模型進(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)生成一種可對參與者直接施加視覺、聽覺和觸覺感受,并允許其交互地觀察和操作的虛擬世界的技術(shù),具有交互性、沉浸感、想象性和自主性的特點(diǎn)。近年來,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,學(xué)生通過佩戴VR 設(shè)備可以沉浸其中,真正實(shí)現(xiàn)近距離的體驗(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、錨固等知識點(diǎn),對學(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)又稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以將將計(jì)算機(jī)所形成的虛擬信息融入到用戶所能看到的真實(shí)環(huán)境中,借助顯示設(shè)備對真實(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)又稱混合現(xiàn)實(shí)技術(shù),既包括增強(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)過程中,可以將圖集中的構(gòu)建節(jié)點(diǎn)通過建模軟件制成3D 模型,通過轉(zhuǎn)化成AR&MR 的文件,并生成二維碼,學(xué)生可以通過手機(jī)端進(jìn)行掃描,就可以在手機(jī)屏幕上呈現(xiàn)3D 立體的效果。學(xué)生可以對模型進(jìn)行360°全方位縮放查看,可以清晰的看到構(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、語音、鍵盤和手柄的人機(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]。可有效的解決學(xué)生立體感不強(qiáng)、學(xué)習(xí)枯燥等問題,從而提高學(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)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)。所投射的畫面清晰、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、抽象的知識點(diǎn)直觀形象的展現(xiàn)在學(xué)生面前。可將制作好的模型懸浮在實(shí)景的半空中成像,營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,通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)與學(xué)生的互動(dòng)。可有效降低課程的難度,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2 得到的效果

BIM、AR、MR 等技術(shù)在鋼筋平法識圖與算量課程中運(yùn)用,有效的克服了學(xué)生空間想象力不足的問題,使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)類型,節(jié)點(diǎn)處復(fù)雜的鋼筋構(gòu)造變得簡單,課堂的趣味性更強(qiáng),增加了課堂活躍性,使課堂不再枯燥,在有限的專業(yè)課時(shí)的條件下,最大限度地完成課程的重難點(diǎn),學(xué)生接受更多的知識點(diǎn)。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的積極性更高,對該課程產(chǎn)生了濃厚的興趣,能夠有效掌握G101等圖集的識圖,對鋼筋工程量的計(jì)算更加準(zhǔn)確,加之課下要求學(xué)生通過建模軟件對鋼筋節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行建立,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。在學(xué)期末的測驗(yàn)中學(xué)生優(yōu)秀率明顯增加,對學(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

隨著BIM、AR、MR 等技術(shù)的不斷發(fā)展,不僅給建筑行業(yè)帶來了巨大的變革,也會(huì)對教學(xué)方法的改革帶來很大的影響。BIM 技術(shù)在鋼筋平法識圖與算量課程中的應(yīng)用具有非常重要的意義。它不僅可將教學(xué)過程中復(fù)雜的構(gòu)件節(jié)點(diǎn),通過三維模型生動(dòng)、形象的向?qū)W生展示,對激發(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)起來更加輕松,從而提高課堂的效率。符合現(xiàn)代新課改的要求。同時(shí),積極對課程現(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。