劉洪波，柳艷杰，姜彥新

（黑龍江大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

混凝土是當(dāng)前土木工程中最常見工程材料，廣泛地應(yīng)用于房屋建筑、道路橋梁、水利工程、地下工程、海港碼頭、鐵路工程、軍事設(shè)施等工程[1]?！盎炷两Y(jié)構(gòu)”課程也成為高等學(xué)校土木工程專業(yè)最重要的核心專業(yè)課程，包括“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”和“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”兩部分。“混凝土結(jié)構(gòu)”課程的實(shí)踐性強(qiáng)，并且與現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程都有著緊密的聯(lián)系。內(nèi)容涉及“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“工程制圖”“土木工程材料”等多門前序課程，是學(xué)好建筑結(jié)構(gòu)抗震、高層混凝土結(jié)構(gòu)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)課，是土木工程專業(yè)學(xué)生成長為結(jié)構(gòu)工程師的基石[2]。“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”這門課程主要包括混凝土和鋼筋兩種材料的基本受力性能，梁、柱、板等基本受力構(gòu)件在荷載作用下的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和施工構(gòu)造要求以及混凝土結(jié)構(gòu)裂縫、變形和耐久性設(shè)計(jì)。“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這門課程主要包括平面樓蓋、框架結(jié)構(gòu)、單層廠房等在外荷載作用下的整體計(jì)算方法和簡化原則，是對(duì)整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算。學(xué)生只有通過對(duì)課程的學(xué)習(xí)，熟悉混凝土結(jié)構(gòu)材料的基本性能、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理，掌握混凝土和鋼筋材料常用級(jí)別和選用原則，掌握基本受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求，才能熟練運(yùn)用理論知識(shí)解決簡單的工程問題，為未來從事設(shè)計(jì)類、施工類工作打下良好的基礎(chǔ)。

隨著科技進(jìn)步和混凝土結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)的規(guī)范不斷修訂，“混凝土結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)也面臨新的挑戰(zhàn)。在有限課時(shí)內(nèi)，研究如何幫助和指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)建立起整體混凝土結(jié)構(gòu)空間概念，使學(xué)生直觀地了解混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部鋼筋的細(xì)部構(gòu)造，從而加深學(xué)生對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)基本理念掌握，提高學(xué)生應(yīng)用混凝土結(jié)構(gòu)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，是“混凝土結(jié)構(gòu)”課程目前教學(xué)改革研究的重要方向。

一、“混凝土結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)存在的問題

“混凝土結(jié)構(gòu)”課程中的公式繁多，而且多為半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，適用條件復(fù)雜，且內(nèi)容抽象，需要將多門學(xué)科融匯貫通并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶋H工程才能理解，隨著課程難度的加大，及缺乏真正工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程的理解更加困難。結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和多所院校畢業(yè)學(xué)生的調(diào)研成果，目前“混凝土結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)經(jīng)常存在以下問題。

（一）教學(xué)方法單一，教學(xué)內(nèi)容枯燥，學(xué)生聽課不集中

1.由于課時(shí)的大力削減，相對(duì)于“混凝土結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)內(nèi)容，按照傳統(tǒng)的授課方法，通常存在學(xué)時(shí)不足的問題，為了按照教學(xué)進(jìn)度安排完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，很多難點(diǎn)問題無法講深講細(xì)講透，學(xué)生失去深度學(xué)習(xí)鉆研的興趣。

2.“混凝土結(jié)構(gòu)”課堂多采用板書加多媒體教學(xué)，課件通常會(huì)插入一些實(shí)際工程結(jié)構(gòu)圖片、圖紙和示意圖，但對(duì)于缺乏空間想象能力的部分學(xué)生，很難通過二維圖片認(rèn)識(shí)理解三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這樣就加深了學(xué)習(xí)難度，導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。

3.部分教師在課堂教學(xué)時(shí)，以理論灌輸為主，而這些混凝土理論往往不能與最后的計(jì)算公式直接對(duì)應(yīng)，而是需要結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡化與修正。如果學(xué)生購買了比較陳舊的教材，混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的修訂將會(huì)使學(xué)生更加無所適從。

4.學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，學(xué)習(xí)目的不明確，玩手機(jī)、熬夜打游戲，導(dǎo)致白天上課精力不集中，課堂上缺乏互動(dòng)，課堂氣氛不佳，教學(xué)效果一直不夠理想。

（二）理論教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)

1.“混凝土結(jié)構(gòu)”課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，混凝土本身材料性能離散性較大，內(nèi)部還含有鋼筋，是一種組合構(gòu)件。基于目前混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的設(shè)計(jì)結(jié)果精度很低，誤差很大,為了保證實(shí)際工程安全，規(guī)范的設(shè)計(jì)結(jié)果是具有一定保證率偏于安全的結(jié)果。工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)于從事混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)工作人員極其重要，而學(xué)生最缺乏的就是工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.部分就業(yè)指導(dǎo)教師研究生畢業(yè)后直接任教，具有科研經(jīng)歷，但缺少相關(guān)工作經(jīng)歷，缺乏實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，這導(dǎo)致部分教師的授課理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生更加難以理解與掌握。

3.步入大學(xué)后，學(xué)生進(jìn)入企業(yè)開展實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)比較少，雖然學(xué)校也會(huì)組織開展實(shí)習(xí)實(shí)踐，但多數(shù)企業(yè)出于安全考慮并不會(huì)讓學(xué)生真正參與到工程實(shí)踐，主要還是以觀摩形式為主，這也是學(xué)生入職后實(shí)踐能力不足的重要方面。

對(duì)于培養(yǎng)未來從事土木行業(yè)的應(yīng)用型人才，“混凝土結(jié)構(gòu)”課程是基礎(chǔ)，至關(guān)重要。鑒于教學(xué)現(xiàn)狀，如何改變教學(xué)中普遍采用的填鴨式的教育方法，改變學(xué)時(shí)過少，內(nèi)容過多和陳舊，提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和積極性，將實(shí)踐性與理論性相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐應(yīng)用能力，挖掘?qū)W生的科研創(chuàng)新能力，真正建立起混凝土結(jié)構(gòu)施工圖的立體空間模型，是混凝土結(jié)構(gòu)老師對(duì)課程改革的最終目標(biāo)。直到BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型技術(shù)出現(xiàn)，課程組把BIM 引入到“混凝土結(jié)構(gòu)”課程中，課程變得真正“活”了起來，學(xué)生的興趣也提起來，教學(xué)質(zhì)量也得到了提高。

二、BIM 技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

為深入學(xué)習(xí)習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述精神，堅(jiān)定落實(shí)2022 年全國教育工作會(huì)議要求，不斷推進(jìn)高等教育教學(xué)改革，創(chuàng)新土木類數(shù)字化人才培養(yǎng)模式，促進(jìn)建筑行業(yè)在新時(shí)代背景下與新科技融合創(chuàng)新，更好地服務(wù)國家和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，為國家培養(yǎng)出德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義接班人。高等學(xué)校土木類專業(yè)緊跟行業(yè)發(fā)展步伐，努力培養(yǎng)數(shù)字化新型應(yīng)用型人才，加強(qiáng)校企合作，堅(jiān)持?jǐn)?shù)字教學(xué)改革有助于提高混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)質(zhì)量，為服務(wù)智慧城市、低碳環(huán)保及數(shù)字化建筑貢獻(xiàn)力量。

BIM技術(shù)的提出對(duì)于土木工程行業(yè)來說是一場信息化革命，其空間可視化、實(shí)際工程模擬性強(qiáng)大、可以直觀瀏覽建筑或構(gòu)件內(nèi)部構(gòu)造的特點(diǎn)迅速在混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)中得以應(yīng)用[3]。

（一）優(yōu)化教學(xué)過程

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，教師往往采用二維平面圖對(duì)學(xué)生進(jìn)行講解，學(xué)生通過把二維平面圖想象成三維立體的樣子，缺乏直觀性。運(yùn)用BIM空間建模技術(shù)，能夠通過教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)空間可視化提高課堂教學(xué)效果。講授截面配筋圖細(xì)部構(gòu)造要求時(shí)，需要學(xué)生對(duì)構(gòu)件內(nèi)部鋼筋具體的構(gòu)造形式予以立體想象，這對(duì)學(xué)生來說有一定的難度[4]。依托BIM信息化技術(shù)建立復(fù)雜混凝土節(jié)點(diǎn)的三維模型或混凝土結(jié)構(gòu)空間模型，讓學(xué)生在可視化情境下開展學(xué)習(xí)互動(dòng)，讓學(xué)生全方位觀察結(jié)構(gòu)的每一個(gè)構(gòu)件，可極大提高教學(xué)效果。

（二）構(gòu)建多元化教學(xué)模式

在教學(xué)過程中采用BIM信息技術(shù)可以豐富課堂教學(xué)，通過有效集成各種混凝土結(jié)構(gòu)材料性能基礎(chǔ)信息、幾何與力學(xué)信息等，引導(dǎo)學(xué)生直觀系統(tǒng)地學(xué)習(xí)多方面相關(guān)知識(shí)。同時(shí)，教師通過教學(xué)中融入BIM技術(shù)，全方面優(yōu)化教學(xué)模式，豐富教學(xué)內(nèi)容，不斷提升教學(xué)指導(dǎo)水平。教師還可以通過指導(dǎo)學(xué)生建立相關(guān)教學(xué)模型，使學(xué)生更加直觀了解混凝土結(jié)構(gòu)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)指導(dǎo)工作效果[5]。

學(xué)生通過對(duì)BIM信息技術(shù)的學(xué)習(xí)，集成混凝土的各類信息過程中，能夠全面深刻掌握相關(guān)知識(shí)。更有助于提高學(xué)生對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求的理解和糾錯(cuò)分析能力，進(jìn)而自發(fā)地進(jìn)行糾正偏差，達(dá)到自主優(yōu)化學(xué)習(xí)成果的教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生還可以應(yīng)用BIM信息技術(shù)將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化成三維模型，若對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求理解得不透，對(duì)構(gòu)件或構(gòu)造尺寸要求把握得不準(zhǔn)，那么建立的混凝土結(jié)構(gòu)三維模型就不會(huì)準(zhǔn)，從而可以直接查找出模型信息中存在的問題，達(dá)到自我學(xué)習(xí)、自我修正的目的[6]。

（三）提高學(xué)生基本識(shí)圖能力

我國混凝土結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)分為三個(gè)階段，從建國初期至2000 年以前主要以“詳圖法”為主，從20 世紀(jì)80 年代初期至90 年代初在東南沿海開放城市短暫的應(yīng)用了“梁表法”，從1996 年開始出現(xiàn)的《混凝土結(jié)構(gòu)施工圖平面整體表示方法制圖規(guī)則和構(gòu)造詳圖》，即96G101，2000 年開始平面整體表示方法逐漸普及，經(jīng)歷了03G101、11G101、16G101 到目前的22G101，更新了多個(gè)版本，應(yīng)用的范圍也由梁、柱、板，發(fā)展到剪力墻、各種基礎(chǔ)、樓梯。平面整體表示方法改革了傳統(tǒng)的逐個(gè)構(gòu)件的表達(dá)方式，選擇與施工順序一致的結(jié)構(gòu)平面布置圖，大幅度降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的工作量，施工人員也可以依據(jù)圖集標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)造詳圖施工，避免出現(xiàn)誤解。但是對(duì)于學(xué)生來講平面整體表示方法不直觀，不易理解。

在“混凝土結(jié)構(gòu)”課程傳統(tǒng)的教學(xué)中，混凝土結(jié)構(gòu)識(shí)圖就是根據(jù)平面整體表示法制圖規(guī)則，通過抽象的數(shù)字及符號(hào)反映出構(gòu)件的配筋信息，要求學(xué)生具有良好的空間想象能力和識(shí)圖能力，建立混凝土構(gòu)件內(nèi)部鋼筋立體空間結(jié)構(gòu)，教師難以直觀地講述相關(guān)知識(shí)，嚴(yán)重影響教學(xué)效果，通過BIM技術(shù)與制圖規(guī)則相結(jié)合，學(xué)生可以在軟件中從不同角度觀察混凝土結(jié)構(gòu)的布置情況，全面了解混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，提高學(xué)生的識(shí)圖能力同時(shí)增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

（四）培養(yǎng)建模與設(shè)計(jì)能力

BIM 建模技術(shù)目的在于幫助實(shí)現(xiàn)建筑信息的集成，從工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理直至項(xiàng)目終結(jié)。建立模型能力培養(yǎng)是BIM信息技術(shù)的基礎(chǔ)，在學(xué)生學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件、受壓構(gòu)件中關(guān)于縱筋彎起、截?cái)?、搭接等?xì)部構(gòu)造時(shí)，教師可以指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的理解應(yīng)用BIM軟件建立相關(guān)模型，學(xué)生可以深入理解掌握鋼筋構(gòu)造知識(shí)和空間布置情況，不僅能夠提升學(xué)生的基礎(chǔ)建模能力，還可以培養(yǎng)其空間想象能力。此外，教師還可以展示混凝土框架結(jié)構(gòu)的施工動(dòng)畫，讓學(xué)生直接了解梁、板、柱的構(gòu)造方式和施工工序。

培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力是土木工程專業(yè)畢業(yè)要求中重要內(nèi)容，通過BIM信息技術(shù)，將混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論知識(shí)直觀生動(dòng)地展現(xiàn)在學(xué)生面前，從二維平面教學(xué)飛躍到了三維上，通過BIM技術(shù)做出項(xiàng)目空間三維復(fù)雜形態(tài)的表達(dá)，提供直觀、準(zhǔn)確的空間規(guī)劃，給教學(xué)指導(dǎo)工作提供了優(yōu)質(zhì)保證。教師可以給出學(xué)生感興趣的設(shè)計(jì)案例，讓學(xué)生在此基礎(chǔ)上模仿設(shè)計(jì)，不僅要考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸和材料符合規(guī)定，還要考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能、耐久性等，學(xué)生自主設(shè)計(jì)之后并為大家展示，促進(jìn)大家相互學(xué)習(xí)，增強(qiáng)整體的教學(xué)效果。

（五）培養(yǎng)工程造價(jià)能力

BIM信息模型技術(shù)的一大特色是可以涵蓋一個(gè)項(xiàng)目的全壽命周期，在造價(jià)階段，可以通過BIM模型中包含的建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等專業(yè)的準(zhǔn)確信息，統(tǒng)計(jì)混凝土、鋼筋、模板等工程量，結(jié)合全國各地定額就很容易統(tǒng)計(jì)計(jì)算出工程造價(jià)。教師可以讓學(xué)生應(yīng)用自己所學(xué)的知識(shí)，對(duì)自己所建立的BIM模型進(jìn)行工程造價(jià)預(yù)算，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果[7]。

“混凝土結(jié)構(gòu)”教學(xué)過程中，教師使用BIM 模型模擬混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算工程造價(jià)?；炷劣昧?、鋼筋用量以及人工費(fèi)是影響混凝土結(jié)構(gòu)部分成本的主要因素。同樣受力情況下，鋼筋用量增多則混凝土用量就會(huì)減少，使學(xué)生所學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)知識(shí)與工程造價(jià)知識(shí)緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生利用兩方面的知識(shí)，借助BIM模型全面分析工程中的成本控制問題，初步形成自己的成本控制經(jīng)驗(yàn)。學(xué)生還可以進(jìn)一步結(jié)合施工管理方面的知識(shí)，通過BIM建模方法扮演施工管理角色和工程造價(jià)成本控制角色，掌握影響工程造價(jià)的主要因素，總結(jié)工程成本控制的寶貴經(jīng)驗(yàn)[8]。

（六）將BIM 技術(shù)引入“混凝土結(jié)構(gòu)”實(shí)訓(xùn)教學(xué)

“混凝土結(jié)構(gòu)”課程是理論與實(shí)踐結(jié)合的課程，BIM技術(shù)引入混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程如下。

1.將學(xué)生分為若干個(gè)實(shí)訓(xùn)小組，每個(gè)小組六名學(xué)生，自行推舉一名學(xué)生為組長，余下學(xué)生根據(jù)自己的優(yōu)勢(shì)選擇職位，根據(jù)需求擬定五個(gè)職位——建模員、質(zhì)量員、資料員、造價(jià)員、分析員。團(tuán)隊(duì)里的每個(gè)成員都需要認(rèn)真完成自己的工作，并且及時(shí)相互溝通，才能做出一個(gè)完整準(zhǔn)確的項(xiàng)目，在提高自己專業(yè)能力的同時(shí)，也培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作能力。

2.根據(jù)教師提供的建筑施工圖，各組組長先帶領(lǐng)成員通過查閱圖集等方法讀懂施工圖，充分了解各構(gòu)件的構(gòu)造，因?yàn)樽R(shí)圖是作為土木工程界工作人員最基本的能力，所以該階段盡量全組成員合作完成。

3.在掌握施工圖各部分構(gòu)件之后，開始應(yīng)用BIM技術(shù)建立結(jié)構(gòu)模型，采用Revit 軟件，建立三維模型，本階段以建模員為主，其他學(xué)生可以加以輔助。建模是一個(gè)項(xiàng)目的首要任務(wù)，因此在建模過程中要邊建立邊核對(duì)，確保模型的準(zhǔn)確性，從而保證后續(xù)工作的有效性。

4.模型建立之后，要進(jìn)行模型的檢測與糾錯(cuò)，該階段主要由質(zhì)量員完成，其余成員可以配合一些其他工作。主要是依據(jù)《施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)模型的配筋、質(zhì)量等各方面進(jìn)行檢測，并做好記錄工作。

5.最后，需要每一名成員都撰寫一份實(shí)訓(xùn)報(bào)告，主要內(nèi)容就是項(xiàng)目整個(gè)過程自己做了哪些方面工作，在各個(gè)階段都遇到了哪些問題，最后如何解決以及實(shí)訓(xùn)的收獲和心得，此外還可以進(jìn)行一定的自我發(fā)揮，提高實(shí)訓(xùn)報(bào)告的水準(zhǔn)[9]。

三、結(jié)論

近幾年，“混凝土結(jié)構(gòu)”教學(xué)受諸多因素影響，還存在不足之處，無法確保教學(xué)指導(dǎo)效果。采用BIM技術(shù)開展教學(xué)工作，有助于提升教學(xué)的直觀性，因此，在實(shí)際教學(xué)過程中，教師應(yīng)該樹立正確的教學(xué)理念，采用BIM技術(shù)措施創(chuàng)新培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、識(shí)圖、成本控制與設(shè)計(jì)的能力，培養(yǎng)學(xué)生在混凝土結(jié)構(gòu)方面的專業(yè)學(xué)習(xí)能力，彌補(bǔ)教學(xué)工作中的不足，完成教學(xué)指導(dǎo)工作的目標(biāo)和要求。

BIM技術(shù)作為土木類專業(yè)的新型技術(shù)，在未來無疑會(huì)受到行業(yè)內(nèi)各大企業(yè)的青睞，將此技術(shù)引入高等學(xué)校土木類專業(yè)的教學(xué)課堂，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)自身專業(yè)知識(shí)的理解，同時(shí)也需要教師不斷提升自身的專業(yè)素養(yǎng)，熟練掌握BIM技術(shù)的應(yīng)用，為國家培養(yǎng)高質(zhì)量數(shù)字化應(yīng)用型人才做好準(zhǔn)備。