BIM技術在《城市地下工程施工技術》課程教學中的應用

饒平平　徐　明　邵兆通　王翔宇　王喜春

(1.上海理工大學土木工程系，上海　200093；2.上海市楊浦區建筑業管理事務中心，上海　200093；

3.上海延華智能科技(集團)股份有限公司,上海　430073)

BIM技術在《城市地下工程施工技術》課程教學中的應用

饒平平1徐明2邵兆通1王翔宇3王喜春3

(1.上海理工大學土木工程系，上海200093；2.上海市楊浦區建筑業管理事務中心，上海200093；

3.上海延華智能科技(集團)股份有限公司,上海430073)

【摘要】城市地下工程施工技術課程教學中涉及較多不常見的建筑空間與難以表達的施工工藝，需要形象的空間表現與教學演示工具。BIM技術能夠提供優秀的信息傳達與表現能力。將BIM技術應用到城市地下工程的教學實踐中，嵌入Unity3D引擎到Winform中瀏覽地下工程構件，并對地下工程構件進行有效分類，實現三維旋轉、縮放、平移等多種方式查看；結合Navisworks的API開發城市地下空間漫游程序，實現重力作用下虛擬空間的漫游，簡化了瀏覽方式；開發了施工流程演示需要的播放器，對城市地下工程課程教學進行了一定的創新實踐。

【關鍵詞】BIM；城市地下工程施工；課程；教學

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.12

1引言

據百度大數據觀測，2011年起BIM引起國內相關行業工作者關注，自2012年12月至2016年5月，“BIM”關鍵詞在百度的搜索指數上漲了18倍[1]。BIM在綜合管線碰撞分析、施工進度模擬、材料統計與概預算、復雜結構的節點分析等方面取得了較大進展。此外，BIM結合點云技術實現工程逆向建模，結合3D打印提速產品研發，結合RFID技術實現建筑構件實時追蹤。BIM在教學方面的應用主要集中在BIM的課程設計：劉紅勇等[2]根據土木類專業教學方案和人才培養計劃，論證了高校開設BIM課程的可行性，提出了該課程的教學課時、教學方式和師資的建議；張尚等[3]基于美國BIM教學改革經驗，詳細介紹了BIM教學中的課程內容、組織形式和技術選擇，提出了工程管理專業BIM教學改革的建議；尚春靜等[4]闡述了BIM與工程管理專業的相關性，國外大學BIM課程的設置情況與BIM與專業課程集成的創新模式與實踐措施。將BIM技術作為工具應用到高等院校教學中的案例實屬少見：鐘煒等[5]將BIM與可視化仿真方法結合應用到工程項目管理專業教學實踐中，使教學內容更加直觀、生動。Forest P等[6]將BIM技術應用在工程管理課程的教學上，從學生4年學習成績對比證實BIM提高了知識水平，通過斯坦福大學和特溫特大學課程的對比證實BIM提高了教學水平。

BIM技術由于其可視化程度高、傳達信息能力強等特點可以應用在城市地下工程課程的教學中。通過在該課程中的實踐應用，找到了BIM在教學中的應用點與實施方法，活躍了課堂氣氛，在學生學習效果上取得了較好的反響。

2城市地下工程課程介紹

2.1城市地下工程課程教學實踐

城市地下工程施工技術是土木工程類相關專業開設的一門新課，也是相關專業重要的必修或選修課。同時還是一門綜合性、實踐性很強的學科，課程的總體目標是在具有扎實基礎理論知識的基礎上，掌握城市地下工程的基本作業、輔助作業、環境控制以及施工管理等內容，培養具有綜合實踐能力的應用型人才。本課程內容設置一方面參照了我國當前有關的地下工程施工技術標注、規范和規程，另一方面也吸收了今年來地下工程施工中發展的各種新科技成果和新技術，全面系統的介紹了各種城市地下工程施工技術。課程內容主要為地下連續墻施工技術、基坑工程施工技術、盾構法施工技術、掘進機(TBM)施工技術、頂管法施工技術、沉管法施工技術和城市地下工程施工組織和施工監測[7]。重點鍛煉學生理論聯系實際的能力，重點掌握各類城市地下工程施工技術的基本內容，使學生具有組織現場施工管理的能力，同時能夠分析解決現場施工遇到的一般技術問題。

2.2創新教學方式

本課程知識點較多，需要采用多種方式讓學生對該課程有多方位學習。城市地下工程施工技術這一課程涉及較多的地下結構和空間，在平時生活學習中，學生除了對地下車庫的空間布置有所了解外，其他空間如人防區域、地下倉庫，地鐵基坑等接觸機會較少。教學時采用課堂教學、現場觀摩和視頻教學結合的方式進行，共設置課堂教學30個課時，實踐教學2個課時。

除現場觀摩外，作者在如何讓教學活動更加生動方面做了一些嘗試。BIM技術在建筑領域應用的熱潮讓作者有了將BIM引入課程實踐的想法。BIM為建筑工程領域帶來大量的信息集成，具有很好的表現力，結合BIM理念與教學內容的特殊性進行一些課程實踐，可以為相關課程教學提供一些參考。

3城市地下工程結構三維構件模型演示

3.1三維構件演示技術實現

為了讓學生更清晰的了解城市地下工程涉及的研究對象，開發了三維構件模型演示模塊，界面如圖1。基于微軟.Net平臺，將Unity3D引擎嵌入WinForm應用程序中展示城市地下空間模型：

(1)安裝Unity3D和VisualStudio軟件；

(2)創建WinForm應用程序；

(3)在工具箱位置右鍵后點擊“選擇項”，打開“COM組件”；

(4)選中UnityWebPlayer Control后確定；

(5)拖動該控件到窗體，更改SRC屬性即可。

通過Unity3D展示地下空間結構的模型對象好處在于學生能夠對三維模型進行平移、旋轉等操作，可以多角度查看，簡便易用、效果逼真。

圖1　基于Unity3D的模型演示

3.2三維構件演示構件分類

對城市地下空間課程中涉及到的模型對象進行了梳理。由于模型較多，需要對模型分類以便于查看。按用途分類如圖2所示，其中施工機械為輔助模型。

圖2　地下空間演示模型分類

4城市地下結構空間與施工流程演示

4.1地下空間漫游模塊

如果沒有在施工現場的親身體會，學生很難對地下空間有真實的感性理解。開發城市地下結構空間與施工工藝演示模塊，能夠讓學生身臨其境一般在地下空間的車道上漫步，能夠讓學生觀看結構施工的工藝流程，對該學科研究的對象記憶更加深刻。

Autodesk Navisworks是一款可以將多格式、多專業的模型統一集成在一起的軟件平臺，可以兼容大多數的三維設計和激光掃描格式，能夠快速創建動畫和視點，并以影片和靜態圖片的格式輸出，具有重力的自動計算，可以模擬用戶在虛擬空間地板或道路上的漫步。

在向學生演示城市地下工程空間時，可以基于Navisworks提供的API開發地下空間漫游模塊。將Navisworks瀏覽器嵌入WinForm應用程序中，能夠實現Navisworks自身的所有功能，為了簡化界面可以去除不必要的功能，在本模塊中嵌入的功能有Navigate Walk漫游，重力計算，三維旋轉等功能。如圖3所示。

圖3　地下空間漫游模塊

圖4　城市地下工程施工工藝演示

之所以不采用Navisworks軟件直接操作是為了使演示更簡單，《城市地下工程施工技術》課程將BIM作為工具的需求是具體的：虛擬空間漫游、4D施工演示、不同視點的切換，不同專業間的模型協調等。將這些功能集成在WinForm中，界面大大簡化，后期可以統一整合到教學演示系統中。

4.2施工流程演示

地下工程的施工工藝和流程更加需要形象的演示方式。明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法、盾構法等，如果只是圖片演示或口頭闡述，學生很難有較深的印象，數字動畫和現場視頻是比較有效的表達方式，數字動畫可以采用3dmax建模，經過調整燈光、材質，渲染后可以達到影視級別效果，其缺陷是對計算機要求較高，渲染比較消耗計算資源，可以借助近期興起的云渲染平臺實現。如果對畫質效果要求不高，可以制作Flash二維動畫，這種動畫體積小，能夠有效表達施工工藝流程。

將施工現場拍攝的視頻與數字動畫集成到程序中，需要考慮開發視頻播放模塊，可以使用：Windows Media Player控件，該方法比較簡單，但界面比較固定，支持的視頻格式有限，如圖4所示；微軟的DirectX，該方法的優點是可以自定義界面，支持格式較多，但播放視頻時需要另外安裝解碼器；DirectShow程序，該程序是開源的，支持格式較多。播放Flash文件時，需要添加“Shockwave Flash Object”Com組件。從工具箱拖動Flash控件到Form中，設置名稱為flsPlayer，設置flsPlayer的Movie屬性為Flash文件的完整路徑，然后調用flsPlayer的Play方法即可。

5結論

本文將BIM技術應用在城市地下工程課程教學中，做了以下嘗試并取得了一些成果：

(1)將Unity3D引擎嵌入到WinForm窗體中以顯示地下工程研究對象，實現自由縮放、平移與多角度觀察功能，并對城市地下工程施工中涉及到的對象進行有效分類。

(2)將Navisworks ViewControl嵌入到WinForm中，結合其API實現重力作用下地下工程空間的虛擬漫游功能，4D施工功能，多視點查看功能，精簡了主程序的界面。

(3)開發了用于施工流程演示的視頻播放和Flash動畫播放功能，介紹了視頻和動畫演示的流程，使城市地下工程課程更生動、有趣。

對城市地下工程施工課程輔助工具開發中的理解與思考：

(1)通過本文基于BIM在《城市地下工程施工技術》課程中的開發實踐，能夠有效將各模塊集成為統一的教學輔助系統。設置了相應的上傳模塊后可以方便服務器數據積累，為各高校相關課程提供豐富的教學資源。

(2)為了擴展教學輔助系統的功能，可以與地下工程施工企業合作集成工程實時錄像，將示范工程作為高校的學科專業教學試點。

(3)基于BIM的教學輔助系統各模塊功能完備后，可以基于該技術進行應用擴展。為工程管理、橋梁隧道、暖通空調、建筑結構等土木二級學科專業學生提供支持，可考慮設置各專業學生的學科間協作方式。

參考文獻

[1]來源：百度指數.http：//index.baidu.com/?tpl=trend &word=BIM.

[2]劉紅勇，何維濤，黃秋爽.普通高等院校BIM實踐教學路徑探索[J].土木建筑工程信息技術，2013，5(5)：98-101.

[3]張尚，任宏，Albert P.C.Chan.BIM的工程管理教學改革問題研究(二)—BIM教學改革的作用、規劃與建議[J].建筑經濟，2015，36(9)：129-132.

[4]尚春靜，李艷榮，任思佳 等.基于BIM的工程管理專業理論課程與實踐教學創新研究[J].建筑經濟，2015，36(2)：92-96.

[5]鐘煒，張馨文，姜騰騰.BIM仿真在工程項目管理課程教學改革中的應用研究[J].土木建筑工程信息技術，2013，5(6)：7-11.

[6]Forest Peterson，Timo Hartmann，Renate Fruchter et al.Teaching construction project management with BIM support：Experience and lessons learned[J].Automation in Construction，2011，20:115-125.

[7]吳能森，熊孝波，王照宇.地下工程結構[M].武漢理工大學出版社，2015.

Application of BIM Technology in the Teaching of Construction Technology of Urban Underground Engineering

Rao Pingping1,Xu Ming2,Shao Zhaotong1,Wang Xiangyu3,Wang Xichun3

(1.DepartmentofCivilEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.ConstructionManagementAffairsCenterofYangpuDistrict,Shanghai200093,China; 3.ShanghaiYanhuaSmartTechGroupCo.,Ltd.,Shanghai430073,China)

Abstract:In the teaching of construction technology of urban underground engineering,image spatial representation and teaching demonstration tools are needed when it involves unusual architectural space and the construction process which is difficult to express.BIM can provide excellent information communication and expression ability and can be applied to the teaching practice of construction technology of urban underground engineering.Urban underground engineering components are classified and viewed effectively by embedding Unity3D engine to Winform; urban underground space roaming program has been developed by Navisworks API,which realizes virtual space roaming under the gravity.And a demo player for construction process is developed.The conclusion has certain significance on the teaching of construction technology of urban underground engineering.

Key Words：BIM; Urban Underground Engineering; Curriculum; Teaching

【基金項目】上海市教委精品課程項目,上海市教委本科重點課程項目，上海理工大學教師教學發展研究重點項目(編號：CFTD16011Z)

【作者簡介】饒平平(1984-)，男，博士，副教授。主要從事巖土力學、BIM技術教學與科研工作。

【中圖分類號】TU411

【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)03-0062-04