基于BIM技術的高職《橋梁構造與識圖》課程綜合改革

李 飛，陳 祥，陳艷華，隋玉鳳

(1.湖北三峽職業技術學院， 宜昌 443002；2.三峽大學， 宜昌 443002)

1 引 言

隨著交通強國戰略的大力推進，我國逐漸向橋梁強國轉變。橋梁建設在交通基礎設施中發揮著重要作用，高職院校道路與橋梁工程技術專業高素質技能人才的培養尤為迫切，然而《橋梁構造與識圖》的傳統課程教學，不能適應新時代技能人才培養的發展要求，課程改革迫在眉睫。當前，國內高職院校對《建筑構造與識圖》課程結合BIM技術進行改革的已經有所推動，效果較好，在市政工程中也有所涉及[1]。但是在《橋梁工程》《橋梁構造與識圖》[2-3]課程上較少融入BIM技術，亟待我們進行高職道路與橋梁工程技術專業橋梁識圖課程改革研究。

《橋梁構造與試圖》課程現狀存在諸多問題，專業人才培養的質量與行業需求存在較大的差距[4]，特別是擴招學生素質能力更弱[5]，原有培養模式需要做出改變。同時由于學制較短，前導課程開設不夠，學習專業核心課程的基礎比較薄弱，學生普遍感覺難度較大。此外，綜合類高職院校實訓條件普遍與需求不匹配[6]，現場實踐安全風險較大，教學資源匱乏[7]。因此，為提升學生學習《橋梁構造與識圖》課程的信心，提高教學質量，亟需對課程的教學方法進行改革。

2 BIM技術融入《橋梁構造與識圖》課程主要路徑

2.1 橋梁識圖課程主要教學難點

《橋梁構造與識圖》是一門對前導課程要求較高的專業課，內容難度大，表現如下：

(1)平面繪圖與空間模型的有效轉化。學生空間想象能力不足，缺少幾何知識、缺乏工程經驗，難以將二維圖紙轉化為三維構件。

(2)整體結構與局部構件的構造分析。橋梁圖紙通常需要識圖者切換順橋向與橫橋向視角，同時理解各構件之間的相互關系，初學者很難適應。

(3)橋梁細部構造與工程量分析。鋼筋與預應力鋼筋空間位置和關系復雜，型號眾多，識圖和工程量計算困難。

2.2 融入BIM技術的課程改革實現路徑

BIM軟件在道路橋梁隧道專業的適應性越來越強，國外有Revit、Midas、CATIA、Bentley等眾多優良軟件，國內以同豪土木系列軟件為基礎，推出了公路工程設計BIM系統，行業反應較好，有力推動了橋梁行業BIM技術發展。鑒于高職院校教學資源的限制，兼顧直觀效果好、操作性強、學生興趣足、經濟可行等多方面優勢，可以采用基于BIM技術的橋梁識圖類課程的教學實施[8]。

本次課程改革采用BIM技術解決學生橋梁構造識圖的難點，有效融合了BIM技術三維效果直觀的優點，BIM融入路徑及邏輯架構如圖1所示。

(1)漫游功能解決平面繪圖與空間模型的有效轉化難題。通過不同視角，可以直觀了解橋梁結構或構件的立面圖、平面圖、剖面圖，重點通過BIM模型將點線面之間的關系及三視圖的關系理解。

圖1 BIM融入路徑及邏輯架構

(2)通過三維效果展示解決整體結構與局部構件的構造分析難題。學生沒有實際現場經驗，通過漫游功能，帶領學生仔細觀察各個細部，掌握不同橋梁上下部結構及各個構件，解決部分隱蔽工程的構造認知。例如，裝配式梁橋中，學生很難理解橋墩的方向與主梁的方向不一致，多片主梁如何組裝成梁格體系，但通過橋梁整體BIM模型，帶領學生觀看一遍，即可了解橋梁結構上下部結構關系。

(3)通過BIM三維功能解決主梁等構件復雜鋼筋、預應力筋布置圖的識圖問題。BIM技術可以直觀的將橋梁平面圖紙中的點、線、面結合在一起，并可以通過漫游功能，看到構件的各部位及鋼筋分布。

基于BIM技術的有機融合，本課程主要從課程體系、課程內容、課程實施、評價體系四方面進行綜合改革。采用BIM技術，全景顯示橋梁整體，然后對應視角查看，即可模擬投影關系顯示圖紙，然后翻圖，三維模型生成對應二維圖紙，完成工程量準確統計，橋梁結構動態表達及信息化管理，充分發揮三維空間的想象力，促進融通識圖。

3 基于BIM技術的橋梁識圖類課程改革實施

3.1 融入BIM技術，改革課程體系和內容

為了體現BIM三維展示橋梁整體布置及局部構造[9]的功能(如圖2)，在本課程識圖的基礎上，增加CAD、MIDAS、Revit等相關軟件的操作的初步講授，將原有的單門課程講授轉變為融入BIM基礎的橋梁識圖課程講授，貫通實操繪圖與構造理解全過程。

通過自學、導學、訓練、鞏固過程找規律，建立遞進“自主探究、BIM演示、構造剖析、繪圖抄繪、BIM翻圖”五環節的識圖課程內容改革模式。

引入BIM建模實操技能技術要求，弱化知識的講解，強化操作實訓的部分。融入BIM操作，課時量仍然確定為60學時，理實一體化，將主要的課時分配給常規橋梁結構識圖，實訓先進行圖紙抄繪，然后進行CAD繪制相關圖紙，最后通過Revit軟件進行構件建模。課程內容重構如圖3所示。

圖2 課程橋梁整體BIM模型

圖3 課程內容重構

在教學內容上，結合橋梁項目情景，對本課程劃分橋梁概述、橋梁基礎、橋梁墩臺、上部結構、附屬設施五大學習項目。

核心項目由教師講授、學生實訓兩大部分組成，理實一體化實現。教師講授的部分，概括當前最常用的各構件形式，采用實體模型，圖片與視頻，教師通過Revit軟件建立的變截面箱梁模型，以此來引導學生識讀上部結構中箱梁相關圖紙。

傳統鋼筋圖紙表達，利用BIM模型提供鋼筋三維表達直接顯示鋼筋位置，對鋼筋的搭接、彎起準確展示，初學者能直觀理解鋼筋直徑、等級、間距等信息，利用三維顯示突破鋼筋圖識圖的難點。對比二維圖紙計算單根鋼筋長度進行匯總鋼筋量，通過三維匯總計算提取鋼筋量，更為直觀準確，實現精準算量(見圖4)。

圖4 箱梁鋼筋BIM圖

3.2 面向BIM建模，改革課程實施

基于BIM基礎，融入橋梁構造識圖教學過程，課程實施由課前預習、課中講授、實訓導學、課后作業、教師總結幾部分組成。

課前：學生領取任務及資料，預習本次課的相關知識點，做好準備。

圖5 全橋布置圖

課中：由教師先進行講授，教師講授時采用實體模型和BIM模型切入，對照平面圖紙，重點講授構造的名稱、作用、投影關系。給出BIM模型，動態講解各類構件三視圖及構造關系。

實訓部分：學生在理解教師的講解后，首先將實訓圖紙手工抄繪，以此理解圖紙中的比例、圖樣的線型線寬、標注，然后采用AutoCAD進行繪制，對比手工抄繪的圖紙進行，熟悉CAD操作，最后，將本構件采用Revit建立模型。

課后：對實訓課程項目完善，上交實訓作品。

教師總結：分析本項目學生學習中存在的問題，包括識圖問題、構造問題、軟件操作問題等，并提出解決辦法。為了學生了解更多同類構件，采用其他橋型的BIM模型，帶領學生識圖，使學生達到融會貫通的目的。

3.3 對標BIM應用，改革評價體系

對標BIM應用職業技能考核要求，引入形成性評價內容的同時，結合期末的測試，形成基于形成性評價的綜合評價體系。

形成性評價占比60%，由參與度、動手能力、成果準確度形成，評價注重學生在過程中的團隊合作、學習能力。項目情景中均會設置考核點，將大部分考核貫穿于學生學習過程的考核，在繪圖、CAD操作、BIM建模的過程中考核學生的各項能力，同時在期末采用理論測試與實操，考核學生核心知識點的掌握情況。

4 某預應力混凝土簡支T梁識圖案例

某公路橋梁主梁結構，采用3根長30m預應力混凝土簡支T梁結構，樁柱式橋墩，主梁構造與鋼筋較為復雜，學生識圖困難。為解決這一難題，本研究基于BIM技術進行教學，突破構造識圖難點。

4.1 BIM三維表達與二維圖紙識讀

基于真實橋梁圖紙，建立BIM模型，通過不同視角顯示，得到對應二維視圖，關聯三維模型與二維表達，拓展學生空間思維能力，提升學生學習體驗感。在視角切換中，剖析空間維度變化，深化二維圖紙識讀，促進三維表達理解。

通過圖5、6的對比識讀，可以建立學生對裝配式簡支T梁的BIM模型與平面圖紙的對應關系。

4.2 主梁細部布置與BIM模型分析

對于主梁，由整體圖與局部大樣圖分析主梁位置關系，在梁的端部截面T梁肋的矩形，跨中部位為馬蹄形，過渡區段為變截面區域(見圖7、8)。利用BIM模型表達，全面真實截面的的變化過渡段，直觀區分端部截面與跨中截面位置，通過模型對比，提升局部與整體關系分析能力。

圖6 全橋BIM模型

圖7 T梁一般構造圖

圖8 T梁BIM模型表達

4.3 預應力鋼束與BIM模型表達

預應力鋼束是T梁的重要組成部分，正確識讀鋼束線型極為關鍵，課程教學通過BIM 模型預應力三維表現，漫游表達預應力剛束空間位置(圖9)以便于學生正確理解圖紙。

4.4 鋼筋識圖算量與BIM模型表達

以一榀T梁為例，如圖10所示，通過CAD圖紙與BIM模型構建分析，平面繪圖與軟件翻圖協作，提升圖紙識圖與構造關系理解。提取主梁工程量，并與主梁工程數量表進行對比，完成工程量復核。

圖9 預應力鋼束BIM模型表達

圖10 T梁鋼筋構造圖紙與BIM模型

根據BIM模型中的三維鋼筋結構，突出顯示各鋼筋之間的位置關系，學生通過平面圖紙的投影關系，結合三維相關表達，即可理解鋼筋之間的相互關系，學生在理解鋼筋三視圖的基礎上，計算每一根鋼筋的長度，復核鋼筋數量表的內容。圖紙工程量和BIM軟件在建模時一致，說明按圖建立BIM模型。傳統方法為學生自行看圖，理解計算工程數量。新方法為學生借助BIM模型，了解鋼筋布置情況和形狀后，根據圖紙進行統計工程量。

通過圖10理解每一根鋼筋的形狀和相對位置關系后，學生掌握了鋼筋形狀和長度，即可較為準確地計算出鋼筋數量。

4.5 手繪及CAD抄圖加深圖紙理解

針對課程任務，要求學生通過尺規手工作圖和CAD抄圖的形式，加深學生對平面圖紙的理解，同時提升學生動手能力。學生采用A3圖幅，確定繪圖比例，按照圖紙給出的尺寸，在規范指導下進行尺規繪圖。在繪圖過程中注意繪圖細節，線寬、布局等。學生通過前面過程的學習，使用AutoCAD軟件進行圖樣的繪制。通過“學練做”一體融通，強化構造識圖與繪圖技能。