BIM+三維模擬情景教學法在“橋梁工程”教學中的探討＊

齊東春，雷進生，陳興華

（三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌443002）

建筑信息模型（BⅠM）在近10年迅速發展，推動了整個土木建筑行業新的變革[1]。BⅠM技術能夠集成橋梁工程項目在設計、施工及后期管養各個階段的相關信息數據，實現橋梁工程項目全壽命周期的數據共享，有利于實現橋梁全壽命設計理念及目標，以提升項目質量、降低全壽命建造及維護成本[2]。目前，BⅠM技術在橋梁工程中的應用主要體現在優化設計方案、碰撞檢查、三維施工方案模擬、工程量精確量算、信息交互及運維管理平臺等方面[3]，如圖1所示。盡管中國BⅠM技術存在應用能力不平衡、集成化程度不高等問題，并沒有在橋梁工程項目中得到全面推廣，但基于BⅠM技術的智能化和高精度化的全壽命橋梁設計勢必是未來發展的方向[4]。

圖1 BⅠM技術在橋梁工程各階段的應用

1 “橋梁工程”課程教學現狀及存在的問題

“橋梁工程”結構體系眾多、構造復雜，是一門實踐性很強的課程，對于沒有實踐經驗、缺乏生活常識的學生學習復雜的橋梁構造是困難的，而掌握橋梁構造特點是正確進行橋梁結構設計的基礎。目前在橋梁各部分構造的教學中，教師仍主要應用傳統媒體如幻燈片、施工照片、教學視頻（自制或來源于網絡）及教學模型。新形勢下教學改革理念是培養學生自主學習能力和創新能力，教學以“學生為中心”，教師主要起引導及答疑作用[5]。經過幾輪培養方案的調整，道橋類專業課學時數已大幅減少，一些必修課程也變為選修課程。如何充分發揮學生的主觀能動性、充分利用課堂以外的時間進行自主學生和創新就顯得尤為重要。

2 以BIM為手段的三維模擬情景法教學

在課堂教學課時不斷被縮減而教學內容不斷更新和擴充的矛盾下，必須采用更加先進的教學手段來確保課堂教學的質量[6]。隨著BⅠM技術不斷被推廣和普及，將BⅠM技術融入課程教學中已成為可能。采用BⅠM技術對橋梁工程中一些復雜構造構建三維參數化模型，可更加直觀、形象地展示橋梁的復雜的細部構造，以BⅠM先進的技術和手段更好地實現直觀教學法，大幅度提高課堂教學效率及質量。

2.1 三維模擬情景法教學案例的設計

根據新工科對學生復合交叉、實踐創新能力培養的要求，結合橋梁工程中重難點知識點，采用常規教學手段難以講解清楚的內容，選擇三維模擬情景法教學內容。

通過反復優化調整最終確定建模內容，如表1所示。

表1 三維模擬情景法教學內容

在開展橋面布置與構造教學時，可根據實際橋梁工程的施工圖紙采用Revit軟件將主梁之上的橋面系部分建立三維參數化模型，該模型不僅能清晰地展示橋面鋪裝、伸縮縫、防排水系統、人行道及欄桿的總體布置，而且也能顯示各組成部分的細部構造，如常見橋面鋪裝的三角墊層、防水層、行車道鋪裝層等。學生可非常形象直觀地掌握橋面系的各組成部分及構造特點，避免按圖片和文字講解而導致內容繁多、枯燥乏味等問題。

簡支T梁橋的計算是橋梁工程教學的重點和難點，掌握其構造是進行計算分析的前提條件，而由于缺乏工程經驗和空間想象力，學生很難通過二維平面圖弄清楚其復雜的構造，若采用BⅠM軟件對簡支T梁橋上部結構進行參數化建模，則可清楚展示T梁、橫梁及橋面板的布置及連接。解決了教師采用常規教學手段難以將T梁橋上部構造講解清楚的困惑。

懸臂施工法是大跨徑橋梁最常用的施工方法，在各種橋型中均有廣泛應用。掌握該工法是正確進行分階段懸臂施工的橋梁結構計算的前提。可利用BⅠM技術創建三維動畫模型，生動形象地展示整個懸臂施工工序，在動畫中鏡頭由遠處向一個標準懸臂節段靠近，充分展示一個標準懸臂節段施工所包括的關鍵工序，即掛籃前移及調整—混凝土澆筑—預應力張拉。整個動畫模型設計緊湊、逼真，很好地展示了整個懸臂施工流程及關鍵工序。

其他教學案例的設計因篇幅所限不一一展開，其共同特點是利用BⅠM強大的三維可視化技術對橋梁工程教學中一些難以通過二維平面圖或照片講解的重難點問題進行參數化建模，以實現三維模擬情景法教學。

2.2 三維模擬情景法教學案例的實施

以懸臂施工掛籃構造為例，介紹三維模擬情景法教學的實施過程。掛籃是大跨徑橋梁懸臂施工的主要施工裝置，是梁段節段施工的工作平臺。在教材中用了大量篇幅對掛籃進行講解，若能在懸臂法施工現場對照教材則很好理解，但對沒有工程閱歷的學生來說則會一頭霧水，此時授課教師若能利用BⅠM技術對掛籃進行三維參數化建模，則能清晰地展示掛籃各受力構件的布置、掛籃與梁體的連接、掛籃的移動及調節等。在三維模型中，整個掛籃的形成過程應分步展示，從軌道及頂推設備安裝→主桁架安裝→吊桿及橫梁安裝→模板安裝，在每步中盡可能地將各個細部構造及連接措施描述清楚，如圖2所示。在安裝掛籃軌道時，將掛籃的移動裝置（前后工作車）、頂推裝置（千斤頂和油缸），以及工作車與軌道和梁體的連接等細節一并展示出來，這樣學生便可深入理解掛籃逐步形成過程及工作原理。可見引入BⅠM模型后教師可用相同的教學時間輕松地將掛籃的構造、安裝及工作原理講解清楚。學生也可以從晦澀難懂的文字和圖片中解脫出來，激發學習熱情，提高學習效率。

圖2 掛籃安裝

要實現上述教學目標和效果，要求授課教師掌握至少1種BⅠM軟件，并花大量時間和精力進行備課，精細組織教學內容，以實際工程為依托，根據二維平面施工圖建立BⅠM三維可視化模型，并采用渲染、透視、拆分、局部放大、標注說明等手段制作表現力強的參數化模型。

2.3 三維模擬情景法的交互式教學

隨著“橋梁工程”課堂教學學時被大幅壓縮，如何將部分專業知識的課堂學習延伸到課外學習，是需要探討的問題。由于BⅠM技術將成為未來土木建筑行業高校安全發展的重要手段，為適應社會需求，在各校人才培養方案中已紛紛加入BⅠM相關課程，學生對BⅠM的學習熱情也十分高漲。橋梁工程課程一般在大三下學期或大四上學期開設，此時學生已具備一定的BⅠM基礎，在這一背景下，教師可引導學生利用課余時間進行橋梁結構BⅠM參數化建模。

具體實施時，可將教學班級劃分為幾個小組，每組5人左右，設組長負責具體任務分配與協調。教師以項目制的方式擬定各小組需完成的任務，需結合教學的需要從實際工程項目中選擇合適的建模內容，提供施工圖紙及參考資料，明確建模的具體內容，指導學生分步完成建模任務。各小組依據教師指定的任務進行分工協作，首先是實際工程圖紙的識圖工作，需利用已學的工程識圖知識將二維平面圖轉換為三維空間圖，然后選擇熟悉的BⅠM軟件（如Revit、Navisworks等）進行三維參數化建模，按照從整體到局部的順序對模型進行檢查和調整，以保證模型的正確性與橋梁結構的實際構造一致，然后采用渲染、標注等手段使模型具有良好的可視化效果，最后提交模型并準備答辯。在課堂教學的相關章節可安排學生講解，展示學生的BⅠM作品，安排小組進行匯報和答辯，要求小組全部成員均上臺，1人主講，其他成員補充和答辯，教師最后進行總結和評述，并根據模型的完成情況和答辯情況進行評分，作為學生的平時成績，在這一過程中實現了師生的交互和課堂翻轉。在這種教學模式中，教師主要起規劃、引導和答疑的作用，學生則是主體，通過查閱大量資料，綜合利用所學知識完成預定任務[5-7]。

3 結語

由于“橋梁工程”課程的特殊性，傳統的教學手段與方法已不適應當前的人才培養方案，“橋梁工程”課程教學改革已迫在眉睫。基于BⅠM技術的三維模擬情景教學法已在三峽大學土木與建筑學院“橋梁工程”教學中得到應用，通過連續三屆的教學實踐，取得良好的效果。最為明顯的進步體現在：教師授課更加輕松自如，自我認同感提升；課堂吸引力增強，學生學習熱情高漲；師生互動增強，學生更愿意提問，解決問題的能力提高；學生的BⅠM應用水平普遍提高。存在的問題如下：教師需要具有較高的BⅠM應用水平及豐富的工程經驗，這對教師提出了更高要求；教師需要花大量時間制作三維參數化模型，并需利用空余時間為學生指導、答疑；學生水平參差不齊，提交的作品有一部分達不到要求。