鋼結構課程設計改革中BIM技術的應用*

摘" 要" 鋼結構課程設計可以培養(yǎng)學生進行鋼結構構件設計、計算與繪圖的實踐能力。目前鋼結構課程設計中存在學時不足、傳統(tǒng)教學方法無法清晰表示結構和節(jié)點構造等問題。通過混合式教學、利用BIM技術出圖、多環(huán)節(jié)考核等手段進行改革對比，實踐表明：將BIM技術融入鋼結構課程設計中，學生對于鋼屋架的節(jié)點板構造理解更清晰，軟件建模出圖能力有很大提高，可以進一步提高鋼結構教學質量。

關鍵詞" 鋼結構課程設計；BIM技術；混合式教學

中圖分類號：G642.0" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）10-0023-03

1" 鋼結構課程設計的目標

鋼結構由于高強、輕質、抗震性能好、工業(yè)化程度高等特點，已被各種結構類型廣泛使用[1]。隨著“一帶一路”的建設、雄安新區(qū)的崛起、京津冀一體化的進程加快、裝配式建筑的推廣，鋼結構應用型人才的需求也在不斷增加。土木工程專業(yè)評估（認證）標準由全國工程教育專業(yè)認證七個通用標準和本專業(yè)補充的課程體系及師資隊伍兩個標準組成。其中，課程體系明確指出專業(yè)主干課程應設置課程設計，培養(yǎng)學生對知識和技能的綜合運用能力、設計能力和解決工程問題的能力[2]。

鋼結構課程設計是鋼結構課程的后續(xù)實踐性教學環(huán)節(jié)，是對學生所學鋼結構基本原理知識的總結和綜合運用，通過項目設計環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生具備鋼結構設計的基本技能，以及利用相關設計資料進行鋼結構構件設計、計算與繪圖的實踐能力。

2" 鋼結構課程設計改革的必要性

BIM技術是利用信息化模型從設計、建造和運營維護全生命周期段對工程進行管理和優(yōu)化，由于其可視化、模擬性、協(xié)調性好等特點[3]，使得工程領域對于BIM人才的需求也日益增長。美國作為相關技術領先的國家，已將BIM納入工程管理課程的核心部分，且有70%的高校將BIM理論融入課程教學中[4]。GB 50017—2017《新版鋼規(guī)》已經于2018年7月1日起正式實施，一些條文規(guī)定發(fā)生變化，鋼結構課程設計教學大綱和方式有必要根據專業(yè)認證的標準進行教學改革。鋼結構課程設計教學中存在下面一些問題。

1）現(xiàn)有教材和教案多采用二維圖形來描述鋼結構構造，細節(jié)表達不清晰。鋼結構課程設計特別強調節(jié)點板的設計，涉及焊縫和螺栓的軸心線定位、各種構造尺寸等，傳統(tǒng)的教學方式效率低，學習效果不好，很多學生的識圖繪圖能力掌握得并不好[5]。

2）考核方式單一，對學生素質能力考查不足，很多學校都是依據最終提交的計算書和施工圖紙來打分，缺少對于過程中質疑能力、設計能力、創(chuàng)新能力的考查。

3）各高校鋼結構課程學時數普遍偏少[6]，特別是在大土木專業(yè)背景下，培養(yǎng)方案的調整使得鋼結構課程的學時進一步減少，如何讓學生在有限的時間內完成充足的課程設計量值得思考。

3" 課程設計改革實施方案

針對以上，筆者以河北科技大學建筑工程學院2018級土木1班、2班學生為研究對象，對鋼結構課程設計的要求和考核方式進行改革創(chuàng)新。

3.1" 大綱調整

河北科技大學建筑工程學院鋼屋架課程設計的傳統(tǒng)時間為兩周，但是2018級培養(yǎng)方案調整為一周，從一人一題調整為兩人一題。通過分組設計的方式，鞏固學生的理論知識，鍛煉學生的設計能力，加強和培養(yǎng)學生的溝通協(xié)作能力和團隊協(xié)助精神。為了能夠從時間和質量保證設計質量，修改教學大綱中的目標，將“使學生熟悉鋼結構基本構件的設計和構造設計的基本原理和方法，培養(yǎng)學生一定的圖紙表達能力和分析、解決工程實際問題的能力”，改為“使學生學會使用相關規(guī)范和標準和設計手冊進行設計，掌握鋼屋架的基本特性和選型的方法，熟練掌握屋架構件設計計算方法，掌握節(jié)點連接設計方法，掌握計算書的書寫格式和制圖標準等”。

3.2" 利用BIM技術開展混合式教學法

傳統(tǒng)的課程設計一般安排在鋼結構課程講完后的學期末，甚至會放到下學期，很多學生會忘記講過的設計要點。學校圖書館的圖集資料比較有限，很多學生從來沒有見過鋼結構的圖紙，感性認識很少。本次改革利用超星學習通建立鋼屋架課程設計線上課堂，將屋架形式尺寸確定的原則、支撐的布置設置、荷載內力的計算、桿件截面的選擇和驗算、節(jié)點板的設計、施工圖的繪制等各個設計環(huán)節(jié)做成任務點，將鋼屋架設計的相關標準規(guī)范圖集，利用BIM技術制作的焊接和螺栓連接節(jié)點的三維構造模型、BIM施工動畫上傳到學習通相應章節(jié)，便于學生學習參考，增加學生的感性認識，提高學習效率。超星課堂的任務點完成情況、線上考勤、互動討論列入平時成績，由軟件自動統(tǒng)計，更加公平、客觀。

3.3" 改革課程制圖要求

由于課程設計時間變短，原來的一人一題變?yōu)閮扇艘活}。在本次課程設計改革中，為了能夠更清晰地了解學生的軟件制圖能力，今后更合理地設置課程設計評分標準，保證課程設計質量，將2018級的兩個班進行對比研究，土木2班還是沿用傳統(tǒng)手繪1號圖的標準，土木1班的制圖要求從傳統(tǒng)A1手繪圖變?yōu)镃AD和BIM技術建模出圖。課程設計要求計算書（手算）部分兩人共同完成，軟件出圖一人使用一個軟件建模，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、側面圖要求各作一張，并且附上節(jié)點大樣圖，用軟件自動生成桿件數量統(tǒng)計表。CAD的圖框、標注、材料數量表按傳統(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)的評價依據主要考核學生在課程設計期間的學習態(tài)度、對鋼屋架設計方法的掌握程度、計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+計算書×0.4+手繪圖紙×0.4，指導教師定性地給出成績等級。這樣的評定往往不夠客觀，不能公平、公正地評價學生，特別是分組的情況下不能確定各個學生的團隊貢獻值，更不利于從各個環(huán)節(jié)考查學生是否真正地掌握了鋼結構的設計要點。

本次改革以“學生中心、產出導向、持續(xù)改進”為理念，更加注重產業(yè)需求導向，創(chuàng)新工程教育教學組織模式，提升工程人才培養(yǎng)水平，落實土木工程專業(yè)認證對于學生的要求，綜合考慮影響課程設計的各個環(huán)節(jié)，強調BIM技術在建模出圖方面的效果，增強學生在工程實踐中溝通表達的能力，采用綜合考核法：過程考核（考勤×0.05+章節(jié)學習次數×0.05+互動討論×0.05）+成果考核（計算書×0.3+圖紙×0.45）+答辯考核×0.1。答辯考核類似畢業(yè)設計，每組學生準備一份小組匯報，由組長匯報自己小組的項目成果，各成員分別介紹自己的貢獻部分、給自己和隊友的評分、自己的心得體會。指導教師詢問課程設計相關問題并點評打分。

4" 改革效果分析

本次課程設計的用時相比傳統(tǒng)手繪施工圖要少一個星期，但是因為采用BIM建模出圖，課程設計的完成度還是可以保證的，不足之處是分組答辯時間會比較長，可以根據具體院校的課程設計時間調整為小組報告或者問卷調查的形式。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班課程設計優(yōu)秀率達到40.7%，良好率達到55%，明顯高于不要求應用BIM技術的土木2班。

在小組答辯環(huán)節(jié)，指定用軟件出圖的土木1班有更多學生對于本次課程設計的收獲表示肯定，認為利用BIM建模軟件讓自己對鋼結構的節(jié)點連接構造有了進一步的認識，以前對于螺栓、焊縫、節(jié)點板不清楚的地方現(xiàn)在都能夠豁然開朗，對于今后的學習和工作有了信心。同時，由于有了小組分工，一人在進行屋架選型、尺寸擬定時，小組其他成員可以在設計前期針對屋架支撐進行建模練手，更容易對屋架設計形成全局性理解，有利于課程設計進度的加快。

5" 結束語

總之，采用BIM技術之后，鋼結構課程設計可以更好地順應國家對于新工科課程建設的要求，提高課程建設的質量，鍛煉學生的軟件應用水平，培養(yǎng)鋼結構信息化建設人才，是值得在今后的教學中推廣的新技術。

參考文獻

[1] 謝甫哲.基于“卓越工程師計劃”的鋼結構課程教學探討[J].高等建筑教育，2018，27（5）：86-90.

[2] 馬巍，丁克偉.土木工程專業(yè)課程設計目標達成度評價分析：以鋼結構課程設計為例[J].赤峰學院學報（自然科學版），2019，35（6）：143-145.

[3] 謝恩普，王志濱，鮑依蓓.鋼結構課程教學中BIM技術的應用[J].四川水泥，2018（2）：168.

[4] 余潔歆，謝本飛，朱藝婷.BIM技術在鋼結構課程設計中的應用[J].山西建筑，2021，47（2）：184-185.

[5] 鄭玉瑩，謝偉，王秋分.基于BIM的鋼結構教學改革初探[J].高教學刊，2017（20）：150-151，154.

[6] 余衛(wèi)華，王正中，蔡坤.鋼結構課程設計教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2015，24（1），69-71.

*項目來源：河北科技大學2019年教改項目“專業(yè)認證背景下的鋼結構課程設計教學改革”（2019-QNB01）。

作者：尹冬梅，河北科技大學建筑工程學院，講師，研究方向為鋼結構、BIM技術的教學與研究；黃鸝，河北科技大學，教授，研究方向為鋼結構的教學與BIM技術教學（050000）。