基于BIM的鋼結構教學改革初探

鄭玉瑩　謝偉　王秋分

摘 要：鋼結構課程教學目前存在教學模式過于傳統，鋼結構實踐困難等問題。為了培養應用型鋼結構人才，使學生畢業后能更好的勝任相關鋼結構方面的工作。文章針對本科鋼結構教學現狀，利用BIM建立教學資源、改革課程設計、改革畢業設計及實踐教學環節、為學生提供創新平臺等各個方面提出了改革設想。為BIM技術如何融入鋼結構教學提供一個思路。

關鍵詞：鋼結構；教學改革；BIM技術；教學實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）20-0150-03

鋼結構以抗震性能的優異、施工過程的方便和可持續發展的優勢，伴隨著國家及地方政策對裝配式建筑的導向，鋼結構市場在日益增大，鋼結構專門人員的需求量加大，但各鋼結構企業、設計部門的鋼結構人才多是從事多年鋼筋混凝土工程領域轉到鋼結構領域。目前高校鋼結構教學中鋼結構課程偏理論化[1]，距離培養應用型人才還有一定的差距，剛走上工作崗位的大學畢業生不能馬上勝任工作，還需要相當一段時間的培訓。

一、鋼結構教學現狀

（一）傳統鋼結構教學模式存在問題

現在高校普遍開設鋼結構課程，但是教學模式過于傳統，具體來說存在以下問題：

1. 現在鋼結構課程理論方面的敘述過于詳細，內容較多，與工程實際結合實例太少。教材和課件上鋼結構構造多是二維平面圖形。鋼結構的構造和變形比較復雜，有時必須用三維模型才能表達清楚，通過黑板或者PPT圖片無法實現。

2. 實際鋼結構工地較少，實習場所有限，學生沒有直觀印象，無法全面了解實際工程。學生對輕鋼門式剛架、多高層鋼結構、網架等與工程實際密切相關的內容學生只能聽老師講述，無法掌握精髓實質。

3. 鋼結構教學實踐環節安排有困難。課程設計多是課程結束后，一兩周時間集中進行設計，需要大量計算，施工圖紙繪制主要是使用STS基本上也是二維建模。主要問題是時間倉促，學生多半按參考書中例子照搬，軟件二維建模之后也無法幫助學生理解。由于課程設計時鋼結構計算和繪圖相對復雜，學生在畢業設計時很少有人選擇鋼結構設計類題目。

4. 現有教學模式很難跟上現在鋼結構發展形勢。教材更新慢，很多鋼結構新的結構型式、新的構造、新的工藝很難在課堂講授，即使提及學生也很難理解。

（二）BIM在鋼結構中的應用

鋼結構代表了未來建筑結構發展的新模式。目前鋼結構工程的BIM應用主要是概念設計應用Sketchup和Rhino軟件等，結構分析一般應用Midas、PKPM等，鋼結構建模一般使用Tekla Structure、Revit等，數字化加工有Smart Nest等，虛擬建造應用Navisworks、TeklaBIMsight等。BIM在鋼結構工程中的應用從前期投標、深化設計、工廠制造到現場施工是為工程全生命周期提供可靠服務的數字化表達。

從目前BIM在鋼結構工程中應用可以看出在當前鋼結構課程課時緊張的情況下，通過課堂教學讓學生掌握BIM內容是不現實的[5]。通過對這幾年鋼結構教改參考文獻[2]～[4]的研究，發現改革還是針對于教材例題編寫、課程設計題目。學生實習場地受限制，理解困難等問題還是沒有得到解決，總的來講，目前針對鋼結構的教學改革主要還停留在針對傳統實踐模式的改善和優化的階段，尚缺乏對教學模式上的創新，相關研究仍存在著一定的不足。而對于本課題的研究方向——基于BIM的教學模式的探索涉及較少，對BIM如何融入課程建設目前也尚處于初步探索階段。

二、高校結合BIM的鋼結構教學形式

教學改革的目的是以BIM技術為載體形成有特色的鋼結構課程體系，實現教學手段的創新，深化鋼結構課程改革，提升鋼結構人才培養質量。那么如何在傳統的教學內容基礎上，在課程教學中基于BIM進行鋼結構教學改革？《鋼結構制圖識圖》、《鋼結構設計原理》、《鋼結構設計》以及《組合結構設計》這些內容是分布在好幾門專業基礎課或者專業課中[6]，那如何能夠將“碎片化”的知識點系統化？本文旨在合理使用BIM技術，將BIM技術和案例教學法相結合，這將是鋼結構教學改革非常可行的一個方向。

（一）利用BIM實現教學體系系統化

合理使用教學資源，同一個結構模型可以貫穿在一系列鋼結構課程中，并且可以實現課程章節的連續性和一體化，如在《鋼結構設計原理》課程中建立一個鋼結構工作平臺的BIM模型，利用實例可以講解鋼結構工作平臺的結構平面布置，連接這一章可以查看鋼結構主次梁和梁柱節點的連接形式等，受彎構件以主次梁為實例、壓彎構件以柱為實例，各個章節的內容最終結合成鋼結構工作平臺。

（二）利用BIM可以建立鋼結構教學資源庫

對虛擬建造軟件，只需要學生了解，教師可以利用該類軟件建立鋼結構工作平臺、輕鋼門式剛架、鋼結構框架、輕鋼小別墅等鋼結構模型的鋼結構安裝、焊接、螺栓等工藝流程視頻，形成三維可視化教學資源庫。可視化可以增加課堂教學的直觀程度，深化學生對鋼結構構造的理解，提高了教學質量。

（三）利用BIM豐富課程設計內容形式

鋼結構設計計算過程相對復雜，很多結構形式不適合手算，因此學生課程設計選題單一，重復計算量大，學生對鋼結構識圖和制圖能力較差，對整體理解把握能力不強。結合Midas等可以完成輕鋼門式剛架、重型單層工業廠房、多層框架結構等多類型鋼結構課程設計題目，豐富課程設計內容，弱化不必要的計算，利用Revit軟件建模，提高學生的理解和對結構整體的認知。

（四）結合BIM提高學生制圖識圖能力

在上述課程設計過程中發現學生鋼結構制圖能力很差，或者直接軟件作出的二維圖紙完全和手算內容對不上，反映學生識圖能力也較弱。通過BIM軟件三維模型再轉生成二維圖紙提高學生對鋼結構圖紙的識圖能力，這樣也深化了對鋼結構原理的理解。

（五）開設BIM鋼結構實踐環節

這解決了實際工程現場參觀實習受到限制的難題。目前學生實習主要是以鋼筋混凝土結構為主，很少到實際的鋼結構工程或者是參觀已經建成的鋼結構類建筑看不到關鍵部位施工，嚴重影響鋼結構課程的實習效果。BIM鋼結構實踐環節可以以學生為主，形式靈活，能夠結合真實設計任務完成BIM仿真設計工作，為學生的實習實踐類課程提供了強有力的支持。

（六）為學生的鋼結構科技創新活動提供了可實現的平臺

學生可以利用BIM設計各類鋼結構模型，節省了實驗室經費投入，同時培養訓練了學生的工程設計能力，提高了學生創新能力。組織參加大學生鋼結構設計、結構創新大賽、廣聯達BIM大賽等賽事。必然會推進鋼結構實踐教學水平的進一步提升。

對上述幾種教學形式進行整合，實現教學的連續性和整體性，以實現有限教學資源的最大利用，提升實踐教學效果。對鋼結構課程以BIM為主線的一體化教學進行研究。利用BIM建立實際工程案例將鋼結構所有課程、所有教學環節和絕大部分知識點串連起來，使各課程間相互聯系和銜接更加緊密，使理論教學和實踐教學之間過渡更加自然，從而改變傳統教學中各個課程零散相互無聯系，理論和實踐脫節的現狀。目前看來，多個教學環節貫穿使用是比較理想的教學形式。具體運用實例如圖1～圖4，以一商業綜合體高層鋼結構為案例，在鋼結構制圖課中以此為模型讓學生進行制圖練習；在鋼結構設計原理中講解樓蓋設計主次梁布置、選型和設計；鋼結構設計中對整體結構布置進行講解如支撐布置，洞口布置等；鋼與混凝土組合結構中對鋼管混凝土和柱腳等進行講解。通過各種實例的講解發現在鋼結構設計課程設計環節尤其是綜合實訓中愿意選擇鋼結構多高層框架和網架的學生人數逐年增多。

三、結論

本課題組針對鋼結構的課程改革進行了一系列的研究，主要包括：1.以鋼結構課程教學特點、當前鋼結構課程教學中存在的問題進行改革研究；2.建立鋼結構課程精品課件和教案；3.鋼結構課程設計題目的精選及學時安排的增加；4.教學內容、教學方法、教學模式、教學手段的改革研究。

根據這些研究，本課題組重新編寫了多門鋼結構課程的教學大綱，對學時和內容進行了適當的調整，減少了多高層鋼結構的學時，增加了部分網架、網殼鋼結構的內容。另外本課題組按不同的結構體系編寫了教學案例，采用案例教學法有利于提高學生綜合應用能力。主要改革是針對于利用BIM實現三維可視案例，根據案例進行例題編寫和課程設計題目的改革。本課題的研究方向——基于BIM的教學模式的探索尚涉及較少，對BIM如何融入課程建設目前也尚處于初步探索階段，可是如果能夠合理使用BIM技術，既能滿足鋼結構課程的需求也能符合目前高校改革對BIM學習的要求。另外也能解決學生實習場地受限制，理解困難等問題。

我系在實踐過程中取得了一系列的成果，包括學生競賽和學生就業等方面：1. 充分利用BIM技術的跨專業協作優勢，土木+工管、土木+工管+建環跨專業畢業設計連續兩年取得很好的成績。2016年獲得了江蘇省優秀團隊畢業設計和全國高校BIM畢業設計大賽二等獎，2017年獲得全國高校BIM畢業設計大賽一等獎、二等獎。2. 嘗試在綜合實訓環節中設置基于BIM的鋼結構設計題目，學生綜合能力得到了極大的鍛煉。3. 連續兩年的鋼結構課程改革之后，學生畢業后從事鋼結構方面的人數逐年上升。

參考文獻：

[1]郝際平，孫曉嶺，等.綠色裝配式鋼結構建筑體系研究與應用[J].工程力學，2017，34（1）：1-13.

[2]熊瑞生.鋼結構課程的單元練習與課程設計一體化改革與實踐[J].山東建筑工程學院學報，2003（3）：62-66.

[3]余衛華，王正中，等.鋼結構課程設計教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2015，24（1）：69-71.

[4]胡長威，陶杰，等.關于《鋼結構》課程設計教學改革的幾點思考[J].武漢生物工程學院學報，2016，12（2）：109-110.

[5]姚剛，岳文峰，等.基于BIM的框架結構三維虛擬建模實驗設計[J].高等建筑教育，2017，26（3）：91-95.

[6]郝麗.BIM技術融入高校工程類專業教學的應用研究[J].土木建筑工程信息技術，2015，7（4）：108-111.

[7]王文芳.高職院校建筑類專業BIM課程設置探析——以蘭州石化職業技術學院為例[J].高教學刊，2017（15）：180-181+184.