BIM技術在高校建筑結構教育優化中的應用

李尚林 郭維東 徐偉 牛晉坤

摘要：為解決傳統建筑結構設計中存在的弊端，利用BIM技術對高校教育進行改善和優化。以三灣泵站建筑結構設計為例，介紹利用BIM技術建立工程數據模型的具體方法，以及混凝土配筋的關鍵操作，為優化傳統教學提供現代技術。

關鍵詞：BIM技術;三維信息模型;教育優化;建設結構

中圖分類號：G424.1????文獻標識碼：A????文章編號：1674-1161（2019）06-0081-03

當今，社會對建筑人才的要求越來越高，需要其熟練掌握理論知識并用于實踐。然而，傳統建筑結構學習存在一些弊端，學生將理論知識用于實踐的機會較少，推動高校教育優化迫在眉睫。BIM（Building?Information?Modeling）是以三維數字技術為基礎，集工程實體與功能為一體的數字化建筑信息模型。其是一種對建設項目全生命周期的項目設計和項目數據進行管理的過程，也將是高校建筑結構學習和設計優化的強力技術工具。

1 將BIM技術引入建筑結構教學的必要性

在高校對建筑結構的傳統教育中，由于技術和條件有限，一般局限于課本和平面圖紙等二維信息載體。學生理解建筑物的結構構成時，往往只能通過文字敘述和一些二維平面圖去想象三維空間結構。這不僅對文字理解能力有要求，對空間想象力的要求更高。對于一些識圖能力較差的同學來說，學習難度比較大。

BIM是對工程項目設施實體與功能特效數字化表達的共享知識資源，擁有自動處理化能力，需要項目各主體的參與和配合。BIM集成建設工程在設計、施工、運營管理各階段協調的、一致的、可計算信息的工程數據模型，可作為貫穿建設工程全生命周期的信息環境和實現工具。因此，BIM不僅是工程技術上的革新，更是工程建設業務流程上的革新。

將BIM引入教學中，利用其應用較為廣泛的Revit軟件建立建筑結構的三維信息模型，可解決這一問題。BIM通過相關繪圖軟件創建三維模型，并賦予模型相關信息和參數，將二維圖紙信息數據轉為三維信息模型，使空間結構躍然紙上。三維模型能讓學生快速了解結構構成，極大提高學習效率。

2 BIM建模技術的應用

選用BIM中應用較為廣泛的Revit軟件進行建模。Revit軟件可實現參數化建模，設置基本圖元構件（門、窗、柱、墻、樓板、管道等）的參數，得到滿足需要的圖元。例如，繪制同型號門窗時，通過設置門窗的材質、類型、長、寬等屬性，得到滿足需要的門窗圖元。學生可通過點擊建筑模型上的圖元了解結構名稱、所用材料及屬性，有助于高效、準確地掌握相關結構。

2.1 構建泵站模型

三灣水利樞紐位于遼寧省丹東市振安區，地處愛河干流下游，是愛河流域規劃和中朝界河鴨綠江干流（遼寧段）綜合整治規劃確定的大型水利樞紐工程。以三灣水利樞紐工程中的泵站工程為例建模，進行教育優化研究。

2.1.1 選取項目樣板 首先，選取合適的項目樣板。不同的項目樣板預定義設置不同，滿足不同的專業建模需求。根據泵站工程的側重點選擇新建結構樣板。

2.1.2 創建標高和軸網 為構建模型時有參照標準，先在立面圖中創建標高，然后在平面圖中創建軸網。標高為建模提供相當于基準面的豎向高度信息，軸網是用軸線繪制的參照網，二者均是建模的參照基準線。

2.1.3 構建泵房主體 泵房主體部分包括墻、柱子、樓板、欄桿、門、窗和泵房屋頂等。建模時選擇符合要求構件，如果Revit中所給構件與泵站要求不同，需對其編輯類型，賦予滿足要求的材質、幾何尺寸、恰當名稱。繪制平面圖后，通過修改其上下約束或者直接賦予高度數值，得到符合設計要求的三維結構或構件。CAD制圖中用不同的線型表示不同的構件，Revit輸入構件信息參數。泵房模型見圖1和圖2。

2.2 教學優化

水利工科專業學生需要學習各種不同的水工建筑物。為更好地理解和掌握重要的水工建筑物結構，開設相應的結構課程設計。比如泵站結構的課程設計前，需充分了解泵站的結構構成，再依據規范計算尺寸和穩定性。然而，很多同學識圖能力有限，依靠二維平面圖信息和文字敘述，很難理解一些細部結構的具體位置，設計穩定性時不確定用哪一段的距離進行計算，進而降低課程設計質量。

BIM技術能夠有效解決這一問題。使用BIM下的Revit軟件并根據不同高程的泵房平面圖和立面圖信息數據建立三維信息模型后，點擊模型上的任一圖元，就可查看其名稱和所用材料等屬性信息，在最短時間內快速準確地掌握泵站的空間結構。建好的模型可以漫游，讓學生仿佛身處模型當中任意位置，為后續設計奠定堅實基礎。圖3為泵站內部漫游的一幀畫面。

3 BIM智能配筋技術的應用

學生設計結構課程時，對結構混凝土配筋是必不可少的一步。其中，混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力。科學合理的配筋能使鋼筋和混凝土充分發揮作用，具有良好的外力承載能力，是工程建設中極其關鍵的環節。然而，配筋計算是一項繁重工作，需要考慮各種規范要求對計算的約束，還要在計算后驗算。不同情況下的配筋方案不同，還需要根據配筋結構需求選用不同種類、尺寸、數量的鋼筋。初次接觸到配筋的同學，難以掌握正確的方法。

在傳統教學中，學生在二維圖紙上生搬硬套教材內容配筋，容易出現疏漏，需要大量實踐驗算并更改錯誤，才能較好地掌握配筋方法。最重要的是，學生不能舉一反三。將BIM技術中的Revit軟件與GSCAD軟件相結合，能在泵站三維信息模型上對泵站的梁、樓板、柱等空間結構進行配筋。學會基本配筋計算方法后，在三維信息模型上自主配筋，帶給學生真實的配筋體驗。在這個過程中，需要關注空間結構之間的受力關系，賦予各結構將要承受的荷載值。若配筋失敗，根據書中公式分析錯誤原因，并更改初始條件。在智能配筋時，需建立泵房建筑受力支撐部分的建模，如圖4所示，再如圖5對建筑結構進行配筋。

執行計算時，系統會自動驗證泵房建筑結構設計尺寸或者混凝土強度同否合理。若不合理，就會生成錯誤報告，提示泵站建筑哪一層哪一部分結構配筋失敗并標明配筋失敗原因，如圖6所示。

根據報告提示信息對建筑結構截面尺寸或者鋼筋混凝土強度進行修改，直至配筋成功，生成如下兩種格式的配筋圖。生成配筋后的各種承載力曲線及計算說明書。有利于學生更深層次地了解建筑物承載力分布情況，并對配筋重要性有更真切的體會。

三維模型配筋能產生更加直觀的配筋效果，增加學生的參與感，使其直觀了解建筑物各結構之間的荷載關系，對增加學習主動性和興趣具有一定作用。

4 結語

建筑結構是每個水利工科學生的必學課程，傳統教學采用二維圖紙，對空間想象力要求較高。高校在建筑結構設計中引入BIM技術，是教育改革的必然趨勢。相信不久的將來，我國BIM行業涉及的領域會得到充分發展。

收稿日期：2019-09-23

基金項目：國家自然科學基金項目（31200392）;遼寧省農業領域青年科技創新人才培養計劃項目（2015048）

作者簡介：李尚林（1996—），男，碩士，從事寒區水工建筑物方面的研究。

通信作者：郭維東（1969—），男，博士，教授，從事水力學及河流動力學方面的研究。

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Application?of?IBM?Technology?in?the?Optimization?of

College?Building?Structure?Education

LI?Shanglin，?GUO?Weidong，?XU?Wei，?NIU?Jinkun

（College?of?Water?Conservancy?Shenyang?Agricultural?University，?Shenyang?110866，China）

Abstract：?In?order?to?solve?the?defects?existing?in?the?traditional?architectural?structure?design，?BIM?technology?is?used?to?improve?and?optimize?the?university?education.?Taking?the?structural?design?of?Sanwan?pump?station?as?an?example，?this?paper?introduces?the?specific?method?of?using?BIM?technology?to?build?engineering?data?model，?as?well?as?the?key?operation?of?concrete?reinforcement，?in?order?to?provide?modern?technology?for?optimizing?traditional?teaching.

Key?words：?BIM?technology;?3D?information?model;?education?optimization;?building?structure