BIM技術在建筑工程實踐教學中的探索

楊文東，薄純杰，張如林，程旭東，張艷美

（中國石油大學（華東） 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

建筑信息模型（building information modeling，BIM）具有可視化、協調性、模擬性的特點[1-8]，現已廣泛應用于建筑工程各相關領域，成為當今土木工程專業發展趨勢。BIM技術被譽為工程領域繼CAD輔助設計技術后的第二次革命[9]，越來越多的工程項目利用BIM進行三維建模、信息存儲、方案修改、施工管理，大大提高了建筑產業信息化水平。目前，土木工程領域對BIM技術人才的需求量日益增多，因此各高校土木工程專業應盡量適應行業的發展需要，組織開展BIM技術相關理論和實踐的教學，提高學生利用BIM技術解決工程實際問題的能力，加深學生對專業知識的理解以及對工程全生命周期的認識。

1 建筑工程專業傳統教學方式的局限性

（1）目前，普通高校土木工程專業的主要教學內容側重于專業課理論、實驗和課程設計，學生通過學習對本專業的理論知識掌握比較扎實，動手實驗能力較強，但是學生對于行業現狀了解不多，校外實習的機會比較少，對建筑行業全生命周期的各項工作沒有整體的思路，剛畢業時從事設計或現場施工工作經驗不足，學校學到的理論知識與實際的工作范圍有所差距，往往需要經歷較長時間的實習期才能真正了解本行業的工作內容。

（2）普通高校對于 CAD輔助設計技術的教學相對成熟，學生在課程設計和畢業設計中能夠熟練運用CAD進行設計，但是二維的設計存在一定的缺陷，無論是設計師還是業主單位只有等到工程竣工才能知道它的整體效果，很難實現項目的可視化，這樣就有可能導致設計師設計的方案和實際竣工的效果有所偏差；而且在 CAD繪圖中，對于平面圖、剖面圖、詳圖等，修改其中一個區域需要對多個圖相應位置重新修改，這樣就增大了工作量和后期修改的復雜性，許多工程項目因為施工圖較多而花費大量的人力物力進行修改；CAD作為設計繪圖的工具，不能詳細和全面地提供建筑結構的設計模型和具體參數，信息化水平不高，在土木工程專業的發展中存在較大的局限性。

（3）現階段的教學模式下，學生的創新能力培養較慢，施工項目投入的大量資金不允許設計和施工的任何階段出現漏洞，而對于學生來講，很難做到對每個工序或結構都熟練掌握，因此學生無法大膽地進行設計，將自己所學到的理論知識運用于設計中，設計出的建筑結構也不能保證完全符合規范要求。這在很大程度上限制了學生的創新思維發展，因此探索能開拓學生創新思路的教學模式顯得尤為重要。

2 BIM應用于建筑工程實踐教學的優勢

BIM為建筑工程的發展注入了活力，許多國內外項目運用BIM技術進行設計、施工模擬、建設規劃等，如布魯塞爾大橋、香港港島東中心項目、英杰華體育館。應用BIM技術可以大幅度提高效率，節省大量人力物力財力。

BIM技術可以存儲大量的項目信息，這在建筑工程數量和規模日漸擴大的當代是非常有必要的，建筑企業可以利用這些信息有效地控制成本，合理規劃設計和施工。高校作為人才培育的搖籃，必須緊跟社會需求，培養更多適應行業發展需要的BIM人才[10]。

由于 BIM 技術有模擬性、可視化和協調性的特點，很容易應用到建筑工程的實踐教學中。學生可以利用 BIM 建立三維模型，掌握項目設計的內容和方法，一方面可以提高創新能力，學生根據自己對規范要求和施工環境的理解大膽地建立項目模型，另一方面可以提高空間想象力并且加深對各個建筑部件的理解。利用 Revit軟件建立模型時，建筑結構的一些基本的構件，如梁、板、柱、門窗、樓梯，都可以直接使用，這就提高了建模的效率；模型建立完成后，還可以利用BIM技術進行施工環境模擬和進度模擬，根據模擬結果優化施工方案。通過BIM的學習，學生利用軟件就可以對工程項目的全生命周期有較為清晰的理解，彌補了學生校外實踐時間少的不足。

3 BIM在實踐教學中的實現

3.1 創建三維模型

從事 BIM 教學的教師可以通過與建筑施工企業或設計院協商，也可以通過互聯網查找各種項目案例開展BIM的教學工作，BIM的教學應以工程實際項目為背景，這樣可以提高學生的參與感。通過一段時間的學習，學生可以自主建立項目模型，然后與設計院或施工單位的模型進行對比，分析自己在設計中存在的不足，調整思路，進行修改整理，學習效果提升明顯。

圖1所示為建筑模型的部分CAD圖紙，由教師提供給學生作為設計依據。學生可以根據平面圖、剖面圖和配筋圖等自由設計模型方案，在設計過程中遇到問題可以和教師或其他學生溝通交流，老師須定期檢查學生設計中存在的問題并及時糾正，同學之間定期交流互換繪圖過程中學到的技巧和經驗，互相借鑒，使建模更方便快捷。

圖1 建筑模型的部分CAD圖紙（單位：mm）

利用BIM技術建立的三維結構物理模型（見圖2）具有可視化的特點，可以通過旋轉查看空間結構的任意角度和方位的結構布置，并且每個構件的信息（尺寸標注、標高、結構材質等）都可以在屬性欄里查閱到。如果要核查建筑內部構件的信息，直接利用剖面框選擇適當剖面即可。另外，還可以通過臨時隱藏功能暫時隱藏不需要的圖元，從而使查詢信息或修改設計更方便。如圖3所示，BIM信息化程度非常高，因此可以很直觀地發現設計中存在的問題并及時改正，還可以根據需求調整參數達到想要的效果，進而優化設計方案。

在BIM技術的實現方面，族有著至關重要的作用，族指的是在項目中使用的自定義構件。對某個建筑項目而言，有些構件類型（如特殊的門、窗、基礎等）在軟件中不存在，因此就需要設計人員根據效果圖和構件信息新建族類別并導入建筑模型中使用。圖2所示模型就使用了大量新建的構件族（見圖4），而這些新建的族也可以用于其他項目，提高了建模效率。

圖2 Revit建立的三維建筑模型

圖3 構件信息和剖面效果

3.2 施工與管理方案優化設計

利用BIM技術創建三維模型后，可繼續對設計方案優化：利用3ds Max軟件生成三維地形圖，然后對圖渲染得到與實際相近的周邊環境模型；還可以利用3ds Max軟件進行建筑施工工序模擬，學生通過三維動畫更深刻地理解建筑施工的工序。另外，如果建筑模型的設計方案發生改動，可以利用BIM技術進行修正，修正后自動更新施工動畫，從而節省分析時間。

圖4 項目中部分新建的構件族

在工程項目管理方面，可以合理地利用BIM技術對管理機制與體系優化，提出先進性和現代化的管理模式。對建筑工程而言，數據管理是極為重要的部分。通過BIM技術對于數據的整理與整合，能夠把最終建筑項目的成本分析更精細化，更有利于人們對建筑項目各方面進行把控[11]。學生可以利用BIM創建三維模型并保存各項數據，明確各施工人員和管理人員的工作內容和任務量，進而對人員分配進行分析預算，不斷修改調整，直至確定最經濟合理的方案。

3.3 學校BIM研究中心平臺建設

目前，國家在大力促進企業技術中心建設，一些高校也與企業合作成立協同創新中心[12]。筆者所在學校于2019年1月24日，以儲運與建筑工程學院建筑系為依托，正式成立中國石油大學（華東）BIM技術應用研究中心。BIM技術相關課程將不斷向其他專業開放，為有需求的學生提供學習機會。

另外，建筑企業擁有較為豐富的BIM應用經驗、研究平臺以及資金投入。學校將進一步以BIM研究中心為平臺，廣泛聯系建筑施工企業，積極開展橫向合作與技術交流，并且結合社會熱點與需求，開展BIM相關的課題研究。通過與建筑企業合作，學生以BIM為平臺，將自己所學所想真正地應用到實際工程項目，再利用企業的硬件設備和實踐經驗，進一步優化設計，將學校和企業合作確定的最終設計方案應用于施工現場，大大提高實踐水平和創新能力，并且激發進一步學習的動力。

4 結語

BIM在建筑工程設計施工過程中的應用越來越廣泛。將BIM技術應用于教學實踐也存在很大的優勢，學生通過BIM創建三維模型，進行施工動畫模擬和管理方案制定，提高了自主學習和創新創造的能力，彌補了土木工程專業校外實踐的不足。高校應重視BIM的教學工作，加強與建筑企業和設計院的合作，幫助學生利用BIM解決實際工程問題，縮小理論與實踐的差距。BIM技術作為完備的信息模型，應該在土木工程相關專業的教學中推廣。