基于BIM技術的CAD課程教學改革

許莉　張挺　鄭德炯

摘? 要：近幾年來，工程建設領域的多數世界級龍頭企業都已經拋棄早期的CAD制圖技術，幾乎所有項目都采用了BIM。其他公司也開始從CAD轉向BIM。但是在高校土木工程專業的課程中對于建筑信息模型軟件的講解依然是傳統的AutoCAD軟件為主，為適應時代發展趨勢，我們必須將BIM建模軟件引入到土木工程制圖教學中去。文章通過分析BIM與傳統CAD技術之間的關系，并結合目前CAD課程教學中存在的實際問題，基于建筑行業對BIM技術人才的需求，提出了CAD課程教學改革建議。

關鍵詞：土木工程專業;BIM技術;CAD;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）02-0132-03

Abstract： In recent years， most of the world's leading enterprises in the field of engineering construction have abandoned the early CAD drawing technology and adopted BIM in almost all projects. Other companies are switching from CAD to BIM. However， in the course of civil engineering in colleges and universities， the explanation of architectural information modeling software is still dominated by the traditional AutoCAD software. In order to adapt to the development trend of the times， we must introduce BIM modeling software into the teaching of civil engineering drawing. On the basis of analysis of the relationship between traditional CAD and BIM technology， combined with the practical problems currently existing in the course of teaching CAD， and based on the demand for BIM technical talents in the construction industry， this paper puts forward suggestions for CAD course teaching reform.

Keywords： civil engineering; BIM technology; CAD; the teaching reform

引言

CAD制圖課程是土木工程專業學生實現理論與實踐結合的重要課程。多年來，建筑師一直依靠CAD軟件將頭腦中的建筑設計理念表達在圖紙中。CAD相比于手工繪圖更加方便快捷，整潔統一，能夠大量縮短工程設計周期，在工程設計中承載著不可替代的作用。目前全國乃至全世界高校的建筑類專業，均將這門課程列為必修課。

基于CAD在目前的教學和應用情況的分析表明，大部分高校對于CAD軟件的課程教授僅僅限于低層次的輔助繪圖層面，其很難直觀的表現模型的三維立體感，對于復雜的節點與構件僅采用平面圖繪制的話，會在一定程度上增加學生的理解難度，同時它也不能將三維形體與屬性信息良好的結合起來。顯然如果繼續采用傳統的教學模式進行人才的培養很難滿足當今社會的需求[1]。“建筑信息模型（BIM）”等設計理念在信息時代的推動下對建筑行業的科技進步與轉型升級將產生不可估量的影響。

目前，BIM 技術已經在眾多相關領域得以推廣和應用，而高校在這方面的教育和投入則顯得不溫不火，更缺乏能夠充分反映BIM理念的成熟教材[2]。在工程實踐和理論教學方面存在著巨大的差距和教育的脫軌，迫使計算機輔助設計教學在土木工程專業本科培訓必須快速實現新的轉變。這種轉變需要逐步從傳統的CAD教學轉入基于BIM技術理論的融入式教學。

由于BIM設計理念的出現和不斷提高的人才專業化市場需求，CAD課程教學問題愈發突出，本文從BIM和CAD的關系出發，分析了CAD課程教學現階段面臨的形勢，在如何培養適應行業需求的建筑工程的人才上，提出一些教學改革建議。

一、BIM與CAD的關系

人們普遍認為CAD技術是建筑設計領域的第一次革命，現如今BIM技術則被公認為是該領域的第二次革命。借助CAD技術，設計師們顛覆了傳統的設計方式，由最初的“紙繪圖板”方式轉化成基于計算機技術的數字二維平面設計方式。BIM技術在CAD技術的基礎上進一步提升，把二維平面設計方式轉化為三維空間立體設計方式，突顯了模型繪制效果，更直觀地反映實物情況，并且在諸多領域如軟件研發、項目施工、項目安排、項目運營維護等均有巨大的潛力[3]。相對于CAD技術而言，BIM的優勢是顯而易見的，那么它們是否是即將取代的關系？其實兩者的關系不是替代的關系，或者兩者之間至少存在一個長期的共存緩沖期。主要原因有下列幾點：

（1）硬件原因：Auto-CAD軟件使用者繪制的建筑圖主要由點、線組成，數據量相對較小。相比之下，BIM軟件內部的族組件可以添加各種信息，同時其繪制出的模型是三維圖，同樣的項目文件容量可以達到幾百兆字節。所以數據量比二維CAD大很多。再加上軟件自帶的原因，對計算機的硬件要求較高。以Revit軟件為例，一般4g內存，CPU需要達到i5計算機方可順利運行Revit[4]，急于取代大量的電腦是不現實的。

（2）軟件原因：CAD軟件易于操作，初學者可快速掌

握。Revit的軟件插件較多，在繪圖界面有很多選項，繪圖操作比CAD復雜，這給初學者的學習帶來了不小的阻礙。更重要的是學生在繪制CAD時，對建筑物的整體格局有了初步印象，根據視圖投影方法將立體圖通過平面投影的方式繪制在二維平面圖中，并通過正面圖、側面圖、剖面等方式展現出來。在整個投影和繪圖過程更有助于學生手腦并用的協調性。可以看出，雖然CAD繪圖是抽象的，但它實際上是幫助學生建立三維感知的輔助手段。

（3）習慣性原因：由于設計部門的工作人員已非常熟練地使用CAD工具軟件，而Revit作為一種新軟件學習需要一定時間和精力，因此設計人員更偏向于使用舊軟件。由此可以看出，BIM軟件在短時間內無法完全取代CAD。就現階段而言，兩者應該屬于并存、相互配合的關系。從高校的角度來看，CAD課程已經相對成熟，而BIM軟件正處于起步階段，我們應該結合CAD和BIM兩種軟件的特點，并利用自身在教學資源上的優勢，合理安排學習CAD課程。例如，CAD對于學生而言，其入手快，使用方便，但繪出的模型只能呈現出其自身固定的數據信息，BIM軟件具有三維可視化功能，可加速學生對三維空間概念的理解，因此將CAD作為學生學習軟件的“跳板”，能更好的促使學生了解從CAD二維到BIM三維繪圖的具體過程。合理利用好CAD和BIM之間的關系，有助于推動CAD課程的改革。

二、建筑CAD課程面臨的形勢和問題

計算機技術的飛速發展，使得計算機輔助建筑設計的設想成為可能。三維建筑信息模型的誕生對二維平面建筑CAD課程教學產生了一定沖擊。目前建筑CAD設計繪制課程有如下幾點弊端：

（一）教學模式單一

信息時代下的學生擁有較高的計算機應用軟件自主學習能力。許多學生在低年級時就已經自學了CAD等軟件。大部分學生雖然會使用CAD軟件，但是僅停留在繪制簡易的二維圖形水平上，軟件熟練度和繪圖質量也無法滿足單位需求;為完成繁多的教學任務，教師在授課過程中多采用多媒體教學，導致學生在CAD課程學習中積極性不高;理論學習與上機實踐無法有效結合;重難點知識無法得到切實的操作體驗，容易遺忘。繼續使用以前的教學模式，很容易產生一些負面影響，學生對軟件的熟悉程度參差不齊也增大了教學難度。

（二）教學內容沒有與時俱進

目前，CAD課程教學過程中最大的矛盾是BIM等計算機輔助新技術的發展和教學內容存在脫軌。CAD課程的教學內容主要圍繞AutoCAD軟件。通常沒有設置三維繪圖和建模的章節，并且繪圖基本上是以平面制圖的形式進行。其主要原因是大多數土木工程本科畢業生主要進入施工單位，而施工崗位對此類技能的需求較少，教學內容較少考慮到除了學習一般知識外，學生在校期間還應該了解熟悉未來將會強制推廣的BIM技術。BIM概念的逐步普及，教學內容也應適應新技術的快速發展，CAD教學改革刻不容緩。

（三）課時分配不均衡

由于高校教學資源不足，多數高校選擇兩階段授課方式開展CAD建筑課程：理論講解與上機實踐。由于CAD教學的前期理論知識較多，但高校無法安排更多的教學課時，導致理論知識點的講解無法全面展開，只能點到即止。而在上機實踐中，教師對理論知識的重復講解再次削減了學生上機操作時長，導致上機實踐課時緊張從而無法達到預期的教學效果。

BIM技術對于提升國家建筑類有關行業的發展，起著至關重要的作用。它不但是建筑設計領域的二次革命，對于整個建筑類行業來說，也是一次重大變革。雖然目前土木類專業學生畢業后，就業情況較為樂觀，但是隨著城市化建設的完善，行業人才的需求量也將到達一定的上限，同時暴露了傳統技術人員發展上的劣勢[1]。國家與有關政府機構也逐漸意識到模型化和信息化的有關建設，對推動建筑行業發展具有相當大的積極作用。隨著我國BIM技術的有關標準與規范的完善，我國BIM技術將會走向飛躍、高效、高質量的研發道路。若高校在課程學習上注重BIM技術的培訓，讓學生對BIM技能有一定的了解和初步掌握，這無疑會增加學生在畢業后的競爭力和優勢。

三、《建筑CAD》課程教學改革的解決方案

傳統CAD軟件作為輔助制圖的工具，在與用戶圖文信息交互上多采用簡單的二維方式，只能傳遞建筑的基本幾何信息，而日常生活中的事物多以三維的形式呈現。近年來，建筑的結構形式和空間關系越來越復雜，導致CAD的二維呈現方式與現實建筑物存在較大偏差，建筑和結構細節構造在傳統CAD軟件上很難得到呈現。此外，建筑工程相關信息（如材料的強度、密度、力學性能、造價等），依靠二維圖紙或普通的三維模型無法實現全面表達。但是BIM技術可以實現建筑工程整個生命周期的完備存儲，因此，無論是建筑設計、結構設計、施工管理等方面均可以通過BIM實現信息采集和讀取。為了更好迎合建筑設計發展趨勢，高校必須及時更新人才培養計劃，把BIM技術作為CAD教學改革的突破口，在原有的傳統CAD課程教學的基礎上，新增BIM教學相關的內容，并制定新的教學改革方案。

（一）調整教學內容適應新技術的需要

為了在有限的教學時間內完成教學任務，需要對二維CAD教學內容進行壓縮。其教學內容可分為三個部分：繪圖、編輯和三維繪圖。這些內容的授課時間可以壓縮在10個課時，可以讓學生了解平、立和剖面圖紙繪制以及三維圖形基本概念。教師可以根據實際教學的章節，對一些CAD基礎命令進行簡單講解，并課后讓學生到圖書館或者是網上查找資料擴展相關知識以培養學生的學習積極性。另外新增一部分BIM技術為代表的建筑輔助設計軟件的教學內容，約12學時的課程即可完成。BIM課程結構分為理論教學和案例教學，既有理論基礎也有實踐練習。理論部分重點講述多維數據信息模型、協同工作技術、數據信息集成技術和可視化技術等;實踐操作則針對BIM不同階段所運用的設計軟件以及BIM工程案例進行系統講解，輔以BIM講座，以達到預期的教學效果[2]。

（二）傳統教學與新形式的交流

將現有教學模式與其他流行形式相結合，能有效解決建筑CAD教學課時少但內容多的難題。（1）教師可以把課堂中的知識錄制成教學視頻或者整理成文檔，以便學生在課堂以外的時間進行復習。（2）教學的某些環節可以通過遠程資源在線完成，包括答疑，安排作業和批改作業。（3）在有限的時間內涵蓋較多的學習內容，需要制定合適的教學內容和教學方法，培養學生的學習興趣和學習熱情，有效的完成教學任務。

（三）促進項目驅動的綜合實踐

在實際項目演練中鍛煉學生的BIM設計使用能力。在日常教學時，不僅能給學生們布置課后理論與實踐作業，鞏固學生們的基礎知識，還能從畢業設計、競賽、科研項目等方向出發，為學生們量身定做一些實際課題，讓學生們將課堂基礎理論操作知識與實際項目相結合，鍛煉學生們綜合設計使用能力、獨立分析和解決問題能力，提高學生們項目的系統化理解與標準化操作，以便學生進入職場后快速勝任BIM設計師的崗位要求。圖1、圖2分別為福州大學大學生畢業設計制作的廈門湖里中學BIM模型和“橋梁圖文”大賽制作的鋼箱梁懸索橋BIM模型。

四、結束語

BIM開始并正在改變著建筑領域活動的表達方式、作用方式和建筑方式[6]。BIM技術是未來建筑行業發展的必然趨勢，人才培養是促進BIM技術進步的關鍵因素，因此，培養具備優秀BIM設計和模型應用能力的專業型人才是當務之急。高等院校作為建筑業源源不斷輸送人才的基地，要緊隨時代發展的趨勢，促進建筑CAD課程教學的改革，才能跟上發展的步伐。

參考文獻：

[1]鄧朗妮，黃曉霞，廖羚.基于BIM的土木工程專業制圖教學改革應用與研究[J].價值工程，2017，36（04）：138-140.

[2]許莉，張挺.BIM技術在土木工程專業中課程架構的研究[J].高教學刊，2019（05）：89-91.

[3]陳昕元.基于BIM技術的大型公共建筑機電設計與優化研究[D].西安建筑科技大學，2016.

[4]陳柯達.從CAD到BIM——建筑工程計算機應用類課程的改革思考[J].科教導刊（中旬刊），2014（12）：68-69.

[5]王景陽.《建筑CAD》課程教學改革探討[J].實驗科學與技術，2007（02）：91-94.

[6]查克·伊斯曼，保羅·泰肖爾茲.BIM手冊原著第2版[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.