BIM 技術在鋼筋平法識圖與算量課程教學中的應用*

高衛亮 韓 露 劉亞欣 程喜文

(黃河交通學院 河南 焦作 454950)

BIM(Building Information Modeling)是指建筑信息模型,通過三維數字技術將工程項目各信息集成在一起,是項目全生命周期的數字化表達。具有可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性的特點,其中可視化是BIM 技術最顯著的特點之一。

該技術首先由Autodesk 公司在2002 年提出,2003年引入到我國,經過近20年的發展,對我國建業的發展起到了巨大的影響,特別是在一些復雜的結構和鋼筋混凝土結構施工圖方面,BIM 技術在其中的應用有著重大的意義。而BIM 技術的可視化的特點,使得構件的詳細構造可通過三維形式展示,基于此突出優勢,近年來逐漸在各高校的課程建設中引入,特別是在識圖、算量類的課程中收到了良好的效果[1～3]。

鋼筋平法識圖與算量課程是土建類專業學生開設的一門實踐性很強的專業課程,該課程與工程實際貼合緊密,該課程的識圖被認為是一門工程語言,而該課程的算量是學生工程造價的核心內容。因此,學好本課程對學生日后走向工作崗位具有重要的意義。該課程本屬于按標準圖集(G101圖集、G901圖集等)要求進行識圖算量的簡單知識,但標準圖集是二維展示的,學生需要較強的空間想象力才能更好的理解鋼筋的構造。但由于學生專業基礎較差、空間想象力較差、現場實踐的機會少,從二維模式轉化為三維模式還有一定的困難。雖已出版有三維圖集,但仍是靜態的,對提升學生的理解有限。導致學生感覺本課程抽象、枯燥難懂,特別是多個構件連接處的鋼筋構造,鋼筋間的擺放、搭接、錨固等問題學生很難理解。加之教師實踐經驗不足、課時量偏少等原因,在有限的時間內很難利用圖集把知識點講深講透。久而久之,學生漸漸的對課程產生了恐懼、厭學等心理。

針對以上問題,許多學者也進行了研究,姜兆華[4]將BIM 的3D 可視化引入了鋼筋平法的教學中,極大提高了上課的效率,提升了學生的學習積極性和熱情。張旭[5]指出,將BIM 技術運用在鋼筋平法識圖課程中,發揮了學生的主觀能動性,也降低了教師的教學難度,教學效果良好。其他學者針對BIM 技術在該課程的研究也做了研究。但是大部分都是從某一方面進行分析,本文通過BIM 技術和AR/VR/MR 全息投影等現代技術結合起來,較全面的分析了相關技術在鋼筋平法識圖與算量課程中的應用。

1 BIM 技術在鋼筋平法識圖與算量課程中的應用

1.1 BIM 技術可視化引入

通過近幾年地教學經驗,在本課程學習過程中,學生空間想象力不足是影響學生學習成績和興趣的主要原因。BIM 可視化可將復雜的構件與鋼筋之間的關系通過三維效果的形式展示在學生面前,這將有效改善學生空間想象力不足問題,對提升學生理解有極大的幫助。比如在課程中利用BIM 建模軟件Revit對梁、板、柱等構件進行建模,學生可以簡單地完成對這些構件的識圖;對復雜的鋼筋節點進行建模,可以表示出鋼筋的彎折的方向、長度、搭接的位置和長度等信息,再用不同的顏色表示出鋼筋的種類。再將三維視圖與平面圖對應起來學習,這樣學生對二維圖集的節點、搭接、錨固的理解程度將大大的提升,學生對鋼筋工程量的計算變得容易。如圖1為某框架柱鋼筋三維視圖與平面圖,按構件實際尺寸建立的模型,真實表示出某框架柱的縱筋錨固長度、搭接范圍、箍筋的間距等信息。從上課表現來看,學生能夠輕松地計算出鋼筋工程量。

圖1 某框架柱鋼筋算量三維視圖與立面圖

1.2 模型輕量化處理

建模軟件創建的模型一般需要軟件進行打開,而且對硬件的要求也較高,學生很難實現隨時隨地輕松地觀看。有些學者也通過建立模型,然后需下載APP掃描查看,有時還會出現卡頓現象,給學生學習帶來了不便。為了使學生能夠通過web或移動端看到構件的三維視圖和鋼筋排布,需要對模型進行輕量化處理。在實際操作中,首先通過建模軟件對構件建立的三維模型,然后上傳到云平臺,轉化成輕量化模型,生成二維碼,學生可以通過手機端或PC端掃描后,對模型進行動態觀察、第一視角觀察、截面分析、分解模型等方式預覽。學生可以近距離地看清構件中鋼筋的排布、搭接、位置擺放等情況,對空間想象力不強的學生帶來了極大的幫助。比如紅瓦科技公司出的協同大師,支持分享輕量化模型,網頁端、手機小程序端,客戶端多終端查看模型,支持截面分析、測量以及漫游等多種功能,教師還可以隨時對上傳的模型進行更新。

圖2為樓層框架梁和中柱鋼筋的二維碼,將構件的二維碼放入課件中,方便學生學習預習。

圖2 梁構件和柱構件三維視圖二維碼

1.3 BIM+VR 技術在課程中的應用

VR技術是指利用計算機生成一種可對參與者直接施加視覺、聽覺和觸覺感受,并允許其交互地觀察和操作的虛擬世界的技術,具有交互性、沉浸感、想象性和自主性的特點。近年來,在課程建設上也得到應用[6]。

BIM+VR 技術相結合,能夠創建一個虛擬仿真的平臺,學生通過佩戴VR 設備可以沉浸其中,真正實現近距離的體驗構件間、鋼筋的相關關系,學生觀看完后基本能掌握鋼筋的排布、錨固等知識點,對學生理解和掌握構件中鋼筋的組成起到了極大的作用。例如利用建模軟件Revit建好鋼筋模型,將建好的三維模一鍵導入到Fuzor軟件或在Enscape插件中進行VR 渲染體驗,還可以設置知識點,學生佩戴VR眼鏡后可以身臨其境的學習,趣味性和學習性得到了統一。

圖3 為某框架梁的在Enscape 軟件中的VR顯示。

圖3 三維模型在Revit軟件和Enscape插件中的同步呈現

1.4 BIM+AR&MR 技術在課程中的應用

AR 技術又稱為增強現實技術,可以將將計算機所形成的虛擬信息融入到用戶所能看到的真實環境中,借助顯示設備對真實世界進行景象增強的技術,將虛擬的信息應用到真實世界,被人類感官所感知,從而達到超越現實的感官體驗。MR 技術又稱混合現實技術,既包括增強現實和增強虛擬,是合并現實和虛擬世界而產生的新的可視化環境,可實現人機交互輸入。在教學過程中,可以將圖集中的構建節點通過建模軟件制成3D 模型,通過轉化成AR&MR 的文件,并生成二維碼,學生可以通過手機端進行掃描,就可以在手機屏幕上呈現3D 立體的效果。學生可以對模型進行360°全方位縮放查看,可以清晰的看到構件節點處的鋼筋排布。例如佩戴MR 設備Magic Leap和Hololens眼鏡,可支持手勢、語音、鍵盤和手柄的人機交互輸入,可實時空間建模、實時空間追蹤、播放空間聲音等[7-8]。可有效的解決學生立體感不強、學習枯燥等問題,從而提高學生的學習興趣和掌握的程度。

1.5 BIM+全息投影技術在課程中的應用

全息投影技術屬于3D 技術的一種,也稱虛擬成像技術,是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的記錄和再現的技術。所投射的畫面清晰、色彩鮮明、具有非常真實的特征,有利于將一些復雜難懂、抽象的知識點直觀形象的展現在學生面前。可將制作好的模型懸浮在實景的半空中成像,營造了亦幻亦真的氛圍,具有強烈的縱深感,可全方位180°或360°多視角顯示構件效果,通過觸摸屏實現與學生的互動。可有效降低課程的難度,提升學生的學習效率。

2 得到的效果

BIM、AR、MR 等技術在鋼筋平法識圖與算量課程中運用,有效的克服了學生空間想象力不足的問題,使復雜的結構類型,節點處復雜的鋼筋構造變得簡單,課堂的趣味性更強,增加了課堂活躍性,使課堂不再枯燥,在有限的專業課時的條件下,最大限度地完成課程的重難點,學生接受更多的知識點。在教學過程中發現,學生學習本門課程的積極性更高,對該課程產生了濃厚的興趣,能夠有效掌握G101等圖集的識圖,對鋼筋工程量的計算更加準確,加之課下要求學生通過建模軟件對鋼筋節點模型進行建立,大大加深了學生的印象,能夠使得學生真正掌握所學知識。在學期末的測驗中學生優秀率明顯增加,對學生日后走向工作崗位奠定了堅實的基礎。

3 結語

隨著BIM、AR、MR 等技術的不斷發展,不僅給建筑行業帶來了巨大的變革,也會對教學方法的改革帶來很大的影響。BIM 技術在鋼筋平法識圖與算量課程中的應用具有非常重要的意義。它不僅可將教學過程中復雜的構件節點,通過三維模型生動、形象的向學生展示,對激發學生學習興趣、增加空間想象力都有很大幫助,使學生學習起來更加輕松,從而提高課堂的效率。符合現代新課改的要求。同時,積極對課程現有的教學模式、教學方式、教學手段等進行改革,改變課程目前的教學現狀,提高教學的效果和質量,為培養順應時代和行業發展的高素質應用型人才而努力。