鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)改革中BIM技術(shù)的應(yīng)用*

摘" 要" 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)可以培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)、計(jì)算與繪圖的實(shí)踐能力。目前鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中存在學(xué)時(shí)不足、傳統(tǒng)教學(xué)方法無(wú)法清晰表示結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等問(wèn)題。通過(guò)混合式教學(xué)、利用BIM技術(shù)出圖、多環(huán)節(jié)考核等手段進(jìn)行改革對(duì)比，實(shí)踐表明：將BIM技術(shù)融入鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生對(duì)于鋼屋架的節(jié)點(diǎn)板構(gòu)造理解更清晰，軟件建模出圖能力有很大提高，可以進(jìn)一步提高鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞" 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)；BIM技術(shù)；混合式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）10-0023-03

1" 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)

鋼結(jié)構(gòu)由于高強(qiáng)、輕質(zhì)、抗震性能好、工業(yè)化程度高等特點(diǎn)，已被各種結(jié)構(gòu)類型廣泛使用[1]。隨著“一帶一路”的建設(shè)、雄安新區(qū)的崛起、京津冀一體化的進(jìn)程加快、裝配式建筑的推廣，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用型人才的需求也在不斷增加。土木工程專業(yè)評(píng)估（認(rèn)證）標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證七個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)和本專業(yè)補(bǔ)充的課程體系及師資隊(duì)伍兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成。其中，課程體系明確指出專業(yè)主干課程應(yīng)設(shè)置課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)和技能的綜合運(yùn)用能力、設(shè)計(jì)能力和解決工程問(wèn)題的能力[2]。

鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)課程的后續(xù)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生所學(xué)鋼結(jié)構(gòu)基本原理知識(shí)的總結(jié)和綜合運(yùn)用，通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生具備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本技能，以及利用相關(guān)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)、計(jì)算與繪圖的實(shí)踐能力。

2" 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)改革的必要性

BIM技術(shù)是利用信息化模型從設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)全生命周期段對(duì)工程進(jìn)行管理和優(yōu)化，由于其可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性好等特點(diǎn)[3]，使得工程領(lǐng)域?qū)τ贐IM人才的需求也日益增長(zhǎng)。美國(guó)作為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家，已將BIM納入工程管理課程的核心部分，且有70%的高校將BIM理論融入課程教學(xué)中[4]。GB 50017—2017《新版鋼規(guī)》已經(jīng)于2018年7月1日起正式實(shí)施，一些條文規(guī)定發(fā)生變化，鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱和方式有必要根據(jù)專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行教學(xué)改革。鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)教學(xué)中存在下面一些問(wèn)題。

1）現(xiàn)有教材和教案多采用二維圖形來(lái)描述鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造，細(xì)節(jié)表達(dá)不清晰。鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)，涉及焊縫和螺栓的軸心線定位、各種構(gòu)造尺寸等，傳統(tǒng)的教學(xué)方式效率低，學(xué)習(xí)效果不好，很多學(xué)生的識(shí)圖繪圖能力掌握得并不好[5]。

2）考核方式單一，對(duì)學(xué)生素質(zhì)能力考查不足，很多學(xué)校都是依據(jù)最終提交的計(jì)算書和施工圖紙來(lái)打分，缺少對(duì)于過(guò)程中質(zhì)疑能力、設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力的考查。

3）各高校鋼結(jié)構(gòu)課程學(xué)時(shí)數(shù)普遍偏少[6]，特別是在大土木專業(yè)背景下，培養(yǎng)方案的調(diào)整使得鋼結(jié)構(gòu)課程的學(xué)時(shí)進(jìn)一步減少，如何讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)完成充足的課程設(shè)計(jì)量值得思考。

3" 課程設(shè)計(jì)改革實(shí)施方案

針對(duì)以上，筆者以河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院2018級(jí)土木1班、2班學(xué)生為研究對(duì)象，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的要求和考核方式進(jìn)行改革創(chuàng)新。

3.1" 大綱調(diào)整

河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院鋼屋架課程設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)時(shí)間為兩周，但是2018級(jí)培養(yǎng)方案調(diào)整為一周，從一人一題調(diào)整為兩人一題。通過(guò)分組設(shè)計(jì)的方式，鞏固學(xué)生的理論知識(shí)，鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，加強(qiáng)和培養(yǎng)學(xué)生的溝通協(xié)作能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)助精神。為了能夠從時(shí)間和質(zhì)量保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，修改教學(xué)大綱中的目標(biāo)，將“使學(xué)生熟悉鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)的基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生一定的圖紙表達(dá)能力和分析、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力”，改為“使學(xué)生學(xué)會(huì)使用相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，掌握鋼屋架的基本特性和選型的方法，熟練掌握屋架構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算方法，掌握節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)方法，掌握計(jì)算書的書寫格式和制圖標(biāo)準(zhǔn)等”。

3.2" 利用BIM技術(shù)開(kāi)展混合式教學(xué)法

傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)一般安排在鋼結(jié)構(gòu)課程講完后的學(xué)期末，甚至?xí)诺较聦W(xué)期，很多學(xué)生會(huì)忘記講過(guò)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。學(xué)校圖書館的圖集資料比較有限，很多學(xué)生從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)鋼結(jié)構(gòu)的圖紙，感性認(rèn)識(shí)很少。本次改革利用超星學(xué)習(xí)通建立鋼屋架課程設(shè)計(jì)線上課堂，將屋架形式尺寸確定的原則、支撐的布置設(shè)置、荷載內(nèi)力的計(jì)算、桿件截面的選擇和驗(yàn)算、節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)、施工圖的繪制等各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)做成任務(wù)點(diǎn)，將鋼屋架設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范圖集，利用BIM技術(shù)制作的焊接和螺栓連接節(jié)點(diǎn)的三維構(gòu)造模型、BIM施工動(dòng)畫上傳到學(xué)習(xí)通相應(yīng)章節(jié)，便于學(xué)生學(xué)習(xí)參考，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率。超星課堂的任務(wù)點(diǎn)完成情況、線上考勤、互動(dòng)討論列入平時(shí)成績(jī)，由軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，更加公平、客觀。

3.3" 改革課程制圖要求

由于課程設(shè)計(jì)時(shí)間變短，原來(lái)的一人一題變?yōu)閮扇艘活}。在本次課程設(shè)計(jì)改革中，為了能夠更清晰地了解學(xué)生的軟件制圖能力，今后更合理地設(shè)置課程設(shè)計(jì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，保證課程設(shè)計(jì)質(zhì)量，將2018級(jí)的兩個(gè)班進(jìn)行對(duì)比研究，土木2班還是沿用傳統(tǒng)手繪1號(hào)圖的標(biāo)準(zhǔn)，土木1班的制圖要求從傳統(tǒng)A1手繪圖變?yōu)镃AD和BIM技術(shù)建模出圖。課程設(shè)計(jì)要求計(jì)算書（手算）部分兩人共同完成，軟件出圖一人使用一個(gè)軟件建模，并且打印成A2大小。BIM軟件推薦用Revit出圖，可以自己選擇方位作為主視圖，但是總體圖不少于兩張，平面圖、立面圖、側(cè)面圖要求各作一張，并且附上節(jié)點(diǎn)大樣圖，用軟件自動(dòng)生成桿件數(shù)量統(tǒng)計(jì)表。CAD的圖框、標(biāo)注、材料數(shù)量表按傳統(tǒng)手繪圖要求，桿件軸向和寬度可以選擇不同的比例尺寸繪圖。最后都要上交圖紙打印版和電子版。

3.4" 改革考核方式

傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)依據(jù)主要考核學(xué)生在課程設(shè)計(jì)期間的學(xué)習(xí)態(tài)度、對(duì)鋼屋架設(shè)計(jì)方法的掌握程度、計(jì)算書編制和鋼屋架施工圖繪制的規(guī)范度，方式一般是考勤×0.2+計(jì)算書×0.4+手繪圖紙×0.4，指導(dǎo)教師定性地給出成績(jī)等級(jí)。這樣的評(píng)定往往不夠客觀，不能公平、公正地評(píng)價(jià)學(xué)生，特別是分組的情況下不能確定各個(gè)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)值，更不利于從各個(gè)環(huán)節(jié)考查學(xué)生是否真正地掌握了鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

本次改革以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”為理念，更加注重產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向，創(chuàng)新工程教育教學(xué)組織模式，提升工程人才培養(yǎng)水平，落實(shí)土木工程專業(yè)認(rèn)證對(duì)于學(xué)生的要求，綜合考慮影響課程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)BIM技術(shù)在建模出圖方面的效果，增強(qiáng)學(xué)生在工程實(shí)踐中溝通表達(dá)的能力，采用綜合考核法：過(guò)程考核（考勤×0.05+章節(jié)學(xué)習(xí)次數(shù)×0.05+互動(dòng)討論×0.05）+成果考核（計(jì)算書×0.3+圖紙×0.45）+答辯考核×0.1。答辯考核類似畢業(yè)設(shè)計(jì)，每組學(xué)生準(zhǔn)備一份小組匯報(bào)，由組長(zhǎng)匯報(bào)自己小組的項(xiàng)目成果，各成員分別介紹自己的貢獻(xiàn)部分、給自己和隊(duì)友的評(píng)分、自己的心得體會(huì)。指導(dǎo)教師詢問(wèn)課程設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題并點(diǎn)評(píng)打分。

4" 改革效果分析

本次課程設(shè)計(jì)的用時(shí)相比傳統(tǒng)手繪施工圖要少一個(gè)星期，但是因?yàn)椴捎肂IM建模出圖，課程設(shè)計(jì)的完成度還是可以保證的，不足之處是分組答辯時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，可以根據(jù)具體院校的課程設(shè)計(jì)時(shí)間調(diào)整為小組報(bào)告或者問(wèn)卷調(diào)查的形式。土木1班被指定采用BIM或者CAD出圖，土木2班不做硬性要求，軟件出圖或者手繪圖二選一。圖1顯示采用軟件出圖的土木1班課程設(shè)計(jì)優(yōu)秀率達(dá)到40.7%，良好率達(dá)到55%，明顯高于不要求應(yīng)用BIM技術(shù)的土木2班。

在小組答辯環(huán)節(jié)，指定用軟件出圖的土木1班有更多學(xué)生對(duì)于本次課程設(shè)計(jì)的收獲表示肯定，認(rèn)為利用BIM建模軟件讓自己對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，以前對(duì)于螺栓、焊縫、節(jié)點(diǎn)板不清楚的地方現(xiàn)在都能夠豁然開(kāi)朗，對(duì)于今后的學(xué)習(xí)和工作有了信心。同時(shí)，由于有了小組分工，一人在進(jìn)行屋架選型、尺寸擬定時(shí)，小組其他成員可以在設(shè)計(jì)前期針對(duì)屋架支撐進(jìn)行建模練手，更容易對(duì)屋架設(shè)計(jì)形成全局性理解，有利于課程設(shè)計(jì)進(jìn)度的加快。

5" 結(jié)束語(yǔ)

總之，采用BIM技術(shù)之后，鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)可以更好地順應(yīng)國(guó)家對(duì)于新工科課程建設(shè)的要求，提高課程建設(shè)的質(zhì)量，鍛煉學(xué)生的軟件應(yīng)用水平，培養(yǎng)鋼結(jié)構(gòu)信息化建設(shè)人才，是值得在今后的教學(xué)中推廣的新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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*項(xiàng)目來(lái)源：河北科技大學(xué)2019年教改項(xiàng)目“專業(yè)認(rèn)證背景下的鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革”（2019-QNB01）。

作者：尹冬梅，河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，講師，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)、BIM技術(shù)的教學(xué)與研究；黃鸝，河北科技大學(xué)，教授，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的教學(xué)與BIM技術(shù)教學(xué)（050000）。