基于BIM 技術的“市政工程識圖”課程教改研究

王鴻斌，任旭，萬俐，黃進，曾麗

（成都大學建筑與土木工程學院，四川 成都 610106）

1 研究背景

1.1 課程教學實踐現(xiàn)狀

“圖紙是工程師的語言”，識讀施工圖是工程技術人員必備的基本技術，識讀能力反映了對施工圖理解和實施的水平?！笆姓こ套R圖”課程以市政工程項目為載體，進行識讀訓練，通過訓練學好該課程，為后續(xù)課程學習打下良好基礎。施工圖的基本識讀能力，即掌握施工圖的基本知識，能正確識讀構筑物圖紙，理解設計意圖，并能對施工圖進行校對審核，從中發(fā)現(xiàn)圖紙的問題?！笆姓こ套R圖”課程為成都大學建筑與土木工程學院工程造價系必修課，主要包括給排水工程識圖、道路工程識圖、橋梁工程識圖、隧道工程識圖及城市軌道交通識圖5 部分內(nèi)容，其授課圖紙主要采用AutoCAD 施工圖紙。在課堂教學過程中存在以下不足：學習市政工程中構筑物，比如橋面和橋墩配筋識圖要求學生有較強的邏輯思維能力、理解能力以及分析能力，現(xiàn)授課素材為二維的CAD 圖紙，需要同學結合構筑物圖紙的立面圖、平面圖和側面圖通過空間想象構建實體模型。經(jīng)實踐教學及調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學生對構筑物內(nèi)部構造難以想象理解，導致學生對課堂學習缺乏積極性，部分甚至存在抵觸心理；教師面臨繁重的教學任務，僅憑構筑物二維CAD 圖紙難以解說構筑物的內(nèi)部構造及鋼筋分布及配置。因此，為了改善現(xiàn)有教學困境，借鑒其他相關專業(yè)課程的教學改革，在該課程教學中引用三維BIM 技術就顯得尤為必要[1]。

1.2 BIM 技術發(fā)展現(xiàn)狀

BIM 為Building Information Model 的縮寫，其概念由EASTMAN 教授在20 世紀70 年代提出。經(jīng)過多年發(fā)展，BIM 技術逐漸滲入工程設計、施工、運營等建設的整個生命周期，如圖1 所示，它是一種三維可視化的方法，摒棄了傳統(tǒng)二維繪圖的局限。與西方發(fā)達國家相比，中國BIM 應用起步相對較晚，但近年來，國內(nèi)BIM 關注度呈井噴式上漲[2]。各級政府、建筑企業(yè)對BIM 技術人才和管理人才要求不斷提升，國內(nèi)高校致力于BIM 技術研究以及應用人才的培養(yǎng)。近幾年，基于BIM 的教學改革研究及實踐已在建筑類相關專業(yè)課程中初露頭角，現(xiàn)有的改革仍在初期階段，仍處于借鑒西方等發(fā)達國家單一課程或交互教學模式。例如成都大學主要以選修課、專家講座、企業(yè)實習等形式普及和強化BIM 技術知識。在課程融入BIM 技術教學過程中最常用的是用生動形象的3D 模擬圖替換PPT中死板枯燥的2D 平面圖，就“市政工程識圖”這門課而言，相對建筑或土木工程技術較為薄弱的學生，可以直接清晰地認識構筑物內(nèi)部構造，比如橋梁、橋墩中鋼筋的種類和分布等，便于造價專業(yè)對工程量精準統(tǒng)計[3]。由此可見，課程中融入BIM 技術不但可以將教學內(nèi)容形象化，利于學生理解，還可以為課堂注入新活力，激發(fā)學生學習BIM 的熱情和興趣。

2 基于BIM 技術課程教改的作用及意義

2.1 認知BIM 的主要特征，打造應用基礎

BIM 具有模型可視化、作業(yè)可協(xié)調(diào)性、對象可模擬性及標準可轉化性等主要特征，其可通過數(shù)字化形式無形地傳遞系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)方案，并關聯(lián)實體對象，實現(xiàn)全生命周期的數(shù)據(jù)共享，協(xié)同作業(yè)，如圖2 所示。具體表現(xiàn)如下：①模型可視化。通過BIM 的運用可實現(xiàn)項目全過程的可視化，不僅可在圖紙設計中，還可在施工運維等不同階段均做到模型的可視化，使項目在信息的傳遞過程數(shù)據(jù)、信息可視，為建筑類等項目助力。②作業(yè)可協(xié)調(diào)性。BIM 具有協(xié)調(diào)功能，可以產(chǎn)生統(tǒng)一的協(xié)作意見并實時將信息傳給各方，實現(xiàn)設計方、施工方、運維方協(xié)同處理，并記錄協(xié)同處理進度和結果，方便各方跟進、確認。當構筑物部件與部件之間發(fā)生碰撞時，具備協(xié)同修改作用。③對象可模擬性。通過BIM 對需建設的構筑物進行不同維度的模擬，根據(jù)模擬效果可知曉構筑物自身擬存在的問題以及待修改的內(nèi)容。另外，可對不同生命周期的活動（施工、檢測、招投標及計量等）作出模擬，進一步達到推進項目開展，促進項目成本節(jié)省等作用。④標準可轉化性。BIM 軟件在設計構筑物時可選擇采用工業(yè)基礎分類標準（Industry Foundation Classes，IFC），目前該標準被國際標準組織所認可，因此，在授權范圍內(nèi)可通過技術手段進行數(shù)據(jù)交互讀取IFC 格式輸出的數(shù)據(jù)并轉化為軟件支持的協(xié)議標準，從而實現(xiàn)標準的可轉化性。

通過課程和BIM 的結合，可使同學進一步了解BIM 的主要特征，為解決實際工程問題提供基礎。

2.2 增加學生感官認識，提升教學效果

市政工程包括道路、橋梁、隧道、城市建設等工程項目，這門課針對工程造價本科生開設。應用BIM模型，可以直接服務于市政工程的各個環(huán)節(jié)，對信息數(shù)字化的信息進行協(xié)同、優(yōu)化部署，保證信息的實時性和準確性，提高管控效率。

在展示BIM 模擬市政工程構筑物時，可構建一個空間和時間維度的3D 模型，如圖3 所示，讓學生更直觀和準確地了解構筑物施工過程，并結合施工方案、計劃、資源配制以及進度管理全過程分析系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)，進行模擬運算以及施工調(diào)整方案等，進而達到資源的最大化配制。對于工程造價的學生更關心物料、設備的配制。道路、橋梁或隧道的施工通常會使用上萬甚至幾百萬個物料部件，物料的計量運算對造價師是一種考驗。運用BIM 物料設備管理模塊，可從時間和空間上打破對物料設備信息統(tǒng)計的約束，還可實時跟蹤信息傳遞，達到不受時間節(jié)點限制。

圖3 市政工程中部分BIM 可視化圖

市政工程識圖以構筑物的AutoCAD 識讀為主，其目的是讓學生熟練認識構筑的外形、尺寸、屬性信息。傳統(tǒng)的教學案例比較獨立零散，不易于學生對施工全過程的把握，通過構建BIM 施工案例，將BIM 融入市政工程識圖中，以三維可視化模型觀察和分析構筑如內(nèi)部結構和布置，使得學生沉浸至每個施工場景，從而增加學生感官認識，不僅提升構筑物識讀質(zhì)量和效率，同時可培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實踐能力。

BIM 的可視化采用三維立體構筑物代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維線條式構筑物，能夠更清晰地展現(xiàn)構筑物整體結構以及內(nèi)部構造。通過模型中參數(shù)可使學生更加清晰地了解構筑物的幾何、材料和邏輯信息。比如橋梁、橋墩中混凝土標號、鋼筋種類、鋼筋數(shù)量、鋼筋位置等，這樣一來學生潛移默化中形成構筑物的空間結構，不但提升了教學效果，還增強了學生用知識解決實際問題的能力。

3 基于BIM 技術課程教改的實踐措施

3.1 BIM 納入CAD 課程教學

在過去的30 多年，CAD 在市政工程建設項目中發(fā)揮了重要的作用，現(xiàn)階段CAD 相關課程教學仍是國內(nèi)高校開設的專業(yè)基礎課程[4]。面對BIM 技術的興起，CAD 及相關課程成為BIM 教學改革的切入點。首先，開展BIM 基礎課，使學生對BIM 基本概念和應用有初步認識；然后，在CAD 制圖課程中植入Revit 教學，立足CAD 基礎，促進BIM 發(fā)展，相對CAD 而言，其不但包含圖形幾何信息，還包含圖形參數(shù)和構造參數(shù)信息，通過CAD 二維圖紙和BIM 三維實體進行緊密聯(lián)系來培養(yǎng)學生的空間想象力和邏輯思維能力[5]。教學中可圍繞CAD 和BIM 的安裝方法、操作界面、對象編輯命令等相似之處，采用類比教學法促進學生從CAD 向BIM 的過渡和轉變；最后，可以CAD 為基礎，建立BIM 思維，通過將二維平面圖轉化為三維的可視圖，鍛煉學生空間想象及構造力，同時讓學生認識到設計人員成果的交付，不僅局限于一張張圖紙，還需交付一個可用ⅤR 眼睛觀看的虛擬構筑物，讓學生能全過程了解市政工程從CAD 繪圖設計到BIM 建模完成的步驟和流程。

3.2 建立BIM 實訓平臺

建立BIM 實訓平臺，直接將機房作為授課實訓地點，課前教師制作好各構筑物的三維模型；課上多視角全方位展示，對知識點進行詳盡解析；課后布置作業(yè)以鞏固學生掌握內(nèi)容?？紤]成都大學為應用型本科院校，造價類專業(yè)學生基礎薄弱，教師應引導學生運用畫法幾何與工程制圖等相關理論來使用Revit 軟件繪制構筑物的三維模型，培養(yǎng)學生繪圖能力和實踐動手能力。同時，教學中應加強校企合作，邀請工程經(jīng)驗豐富的BIM 設計專業(yè)人員參與課程建設，以實際工程案例為背景，進行BIM 的實訓操作，使學生能近距離地接觸到未來工作中的相關工程繪圖或計量標準和要求，這也將較大程度地增強學生學習的熱情和主動性。另外，可將BIM 建設設計引入造價工程專業(yè)的課程設計、生產(chǎn)實習和畢業(yè)設計中，進而達到學以致用，融會貫通的目的。

3.3 BIM 課程師資培養(yǎng)

目前校企合作、產(chǎn)教融合中普遍存在一種問題，“雙師型”師資培養(yǎng)模式不夠成熟。為適應教學需求，應對課程教師進行專業(yè)的師資培訓，打造“雙師型”教師培養(yǎng)，在培養(yǎng)過程中開展校企合作。通過深入企業(yè)跟工程經(jīng)驗豐富的BIM 工程師學習交流，將經(jīng)典的工程案例納入教學案例，增加教學的多元性。并開展BIM 相關技能培訓，尤其是軟件操作方面，通過實訓積累經(jīng)驗提高業(yè)務水平。鼓勵教師申報課題，縱向研究、橫向拓展，在實際項目中增加經(jīng)驗，不斷學習和研究BIM 技術，從而提高教學水平。同時建議教師參與各類BIM 技能大賽，通過和學生共同參賽，或以指導教師身份參加，進一步督促教師對BIM 技術軟件的學習和應用，提升課程教學綜合能力水平。

3.4 課程引入BIM 元素

通過前期學習，學生掌握了BIM 的基本理論，熟悉了建模軟件的簡單操作。在“市政工程識圖”課程教學中引入BIM 元素，運用Revit 軟件構建模型、渲染、施工圖展示、工程量表明細等基本操作，直觀清晰地表現(xiàn)所講授構筑物的整體結構和構件之間的關系。以混凝土橋梁結構為例，通過Revit 構建模型，能直觀地表達其蓋板、主梁、系梁、橋墩等構件的相對位置及荷載關系，明確構件中鋼筋的種類、數(shù)量、位置等。這樣一來，不僅可提升教學質(zhì)量，而且可激發(fā)學生的主觀能動性。為了達到更好的教學效果，可加強課程教學師資隊伍建設，適應新課程的教學要求，保障教改課程的教學質(zhì)量。

4 總結

“市政工程識圖”是一門比較抽象難教的課程，在課程中融入BIM 三維可視化模型，能夠清晰地展現(xiàn)構筑物整體結構以及內(nèi)部構造，使學生潛移默化中形成構筑物的空間結構，增加學生感官認識，提升其對構筑物識讀質(zhì)量和效率；更清晰地了解構筑物的幾何、材料和邏輯信息等，不但提升了教學效果，還可增強了學生運用知識解決實際問題的能力。通過教學改革，一方面可激發(fā)學生的主觀能動性，改善教學實踐效果；另一方面，也可培養(yǎng)學生的空間想象力和邏輯思維能力。