BIM信息技術在“橋梁施工”課程教學改革中的應用探討

沈正　孟云梅　曹云　李紅梅　張德育　賈彩虹

關鍵詞： BIM 信息技術 三維模型 橋梁施工課程 教學改革

中圖分類號： U445-4;G712 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0187-04

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以建筑工程項目的各項相關信息數據作為基礎，建立三維建筑模型，通過數字信息仿真模擬建筑物的真實信息，具有信息完備性、信息關聯性、信息一致性、可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性的特點[1-5]。橋梁施工課程教學過程中引入BIM 技術可以顯示橋梁三維結構，模擬橋梁施工實際過程，激發學生的學習興趣，加深學生對教學內容的理解，做到“學以致用，事半功倍”地實現預期的教學效果，因此被廣泛應用到“橋梁施工”課程教學中[6-9]。“橋梁施工”專業教學內容中運用BIM 技術，深化教學改革，既是提高教學質量的有效方法，又是行業發展對施工技術人才的緊迫要求。

1 該課程在教學過程中存在的問題

1.1 課程教學難度相對較大

相較其他土木工程專業課程，橋梁施工課程教學難度較大。主要原因是橋梁結構復雜，建造技術難度大，作業現場流動性大，使專業教學難度偏高，特別是強調施工技術的教學思想無法落實。一是學生沒有掌握各類大橋建造的實際情況，因此學生掌握橋的結構和施工要點就十分吃力；二是校外實習也存在較大問題，針對不同的施工橋型、施工地點和施工進度，考慮到安全問題、實習時間的限制，在施工現場實習的學生很難掌握橋梁施工全過程。

1.2 教材更新不及時，難以滿足教學需要

隨著路橋施工技術的不斷進步，課程教材的更新速度已落后于施工技術的發展。目前，教程存在著如下問題：一是對橋梁構造與施工方式的闡述已經陳舊；二是對最新技術引進不足；三是教科書插圖與實際施工案例較少，與現場的實際施工情況有很大差異。

2 BIM 技術特點及應用在教學中的優點

2.1 BIM 技術的特點

根據目前橋梁施工專業課教學狀況及其面臨的問題，利用BIM 方法可以進行很好的處理。BIM 具有如下特點：可視化、協調性、優化性、模擬性、可出圖性[10]。

2.2 教學中應用BIM 技術的優點

2.2.1 實現教學流程、教學結果的可視化

采用BIM 三維建模技術，可把施工圖紙變成三維的實體模型，從而實現教學過程可視化。學生可以將施工圖紙與三維實體模型進行對比，判斷模型的正確性，加深對課程的理解，從而提升教學效果。

2.2.2 協調性、優化性

協調性、優化性特點可提高學生對模型結果的理解、分析水平。使用Revit 軟件可以創建標準橋梁模型庫，三維建模的尺寸參照了實際的施工圖紙尺寸。如果建模失敗，學生可以利用自己形成的三維模型進行研究，查找建模過程中出現的錯誤，由此培養學生對模型結果的理解和研究方法。

2.2.3 模擬性，克服了學生外出實踐難的問題

在計算機上完成虛擬工程實驗，雖然不能完全替代生產實習，但避免了外出實習的安全隱患。利用BIM 技術的虛擬施工功能，可以有效規避安全風險，同時又可以營造身臨施工現場的真實感。

2.2.4 可出圖性，可以使教學內容更加形象化

通過與實際橋梁施工圖核對，學生更容易掌握圖紙的真實效果。利用BIM 技術能夠對三維橋梁造型進行剖切，自動輸出不同截面的CAD 的平面文件，并配上圖框，一方面能夠將教學效果細化；另一方面，學生能對效果做出檢驗和判斷。

2.3 應用BIM 技術可解決的教學問題

2.3.1 有利于將BIM 技術和“橋梁施工”課程相結合

為順應社會發展趨勢、適應企業需要，學校利用BIM 技術開展“橋梁施工”專業教學改革，重新編制課堂教學大綱，優化教材內容，以提升教學效果，為行業輸送合格的應用型技術人才。

2.3.2 有利于提升“橋梁施工”教學效果

橋梁施工課程教學中，將課堂搬到施工現場不太現實，所以在橋梁施工課程教學中，以施工圖設計和BIM 方法為載體進行的教學改革是非常必要的。BIM技術具備高度可視化特性，可依據BIM 技術建立橋梁構造的三維模型，在高度可視化模型下實現教學互動，很大程度上提升課程教學效果。

2.3.3 有利于緩解學校配套教材數量不夠的情況

目前，將BIM 軟件教學和橋梁實訓相結合的配套課程還非常少。可以通過課程教學改革，根據BIM技術標準編制橋梁施工教材，并提供路橋施工BIM軟件應用的操作視頻錄像，以形成不同橋梁結構的三維模型庫。

3 橋梁施工課程應用BIM 技術進行改革的實施

按照施工圖紙上標注的尺寸，使用Revit 等軟件建立1∶1 的三維實體模型。該模型不但能夠整體顯示，還可以把橋梁各部位拆分開來細看，充實課程教學素材，豐富課堂教學手段，使課堂教學和施工現場的具體施工技術、施工工藝同步更新。

整合路橋施工課程結構，把原來的基礎施工課程與橋梁施工課程融合為一門課程。按照橋梁施工的自然次序，先從大橋基礎的施工入手，然后逐漸地向橋墩、橋臺過渡，最后再講解上部主梁和橋面攤鋪的部分內容。這種教學模式能夠很好地與施工內容銜接，從而可以增強學生對工程邏輯性的訓練。

策劃以三維建模、專業施工課程圖紙識讀為基礎的職業技能訓練。橋梁施工教學的一項重點內容就是訓練學生識讀施工圖紙的技能，只有讀懂了圖紙，才能對施工圖紙的結構形成正確的理解，并正確地把圖紙上結構物轉化為施工實體，進而才能夠開展實際施工訓練。因此，根據行動導向教學法的啟示以及筆者學院的實際情況，在組織開展橋梁施工教學改革過程中，按照圖紙識讀能力與實際施工能力培養的思路設計了教學改革方案，具體如下。

第一，教學改革成員在掌握了全部典型橋梁圖紙的基礎上，根據由簡單到復雜、由單體到整體的教學規律，選擇了正在用于橋梁施工的整套圖紙設計實習課程，并根據圖紙的實際尺寸，用Revit 建立了1∶1 的三維實體模型，在建模時有總體結構效果圖，同時也有各部分的細部結構布置圖。

第二，通過已掌握的圖紙，在能夠創建橋梁模型的基礎上，培養學生學會運用Revit 等模型軟件，使學生在熟練查看已創建模型和圖樣的同時，能夠加以比較分析，逐漸掌握通過圖紙準確創建三維BIM 圖的能力，并能在訓練的過程中實現熟練使用的目的。例如：大橋上部預制T 梁和下部的樁柱臺BIM 模型，分別如圖1和圖2 所示。

第三，針對具體教學情景的要求，在每一個大的場景建成后，選擇典型圖紙的一個構建細節，引導學生用Revit 軟件，精確地按照大小構建橋梁各部分的實體模型。建模設計制作過程中必須嚴格依據設計施工圖進行精確建模，一方面能夠訓練學生實際動手解決問題的能力；另一方面所形成的模型是可視化的，方便學生檢驗設計施工圖是否科學合理。橋梁施工教學中，樁基承臺、橋墩橋臺、主梁各部分等教學情景與教學中不斷實施三維建模的過程，使學生的施工圖識讀能力得到真正提高。

此外，學校還強化了橋梁施工課程實訓條件的建設，配置了滿足三維模型要求的高端獨立顯卡計算機50 臺，并且建設了專門機房，配套了三維模型軟件，組織BIM應用技能大賽。圖3為學生三維建模比賽現場。

4 教學效果分析

4.1 試點安排

按照學校具體教學安排，在土木工程專業2018級、2019 級交通土建方向的橋梁施工教學中開展了試點教學，從該專業6 個教學班中選取了3 個教學班開展試點，由3 名老師分別帶一個試點班和1 個普通班，每班人數約35 人。期末時通過期末考試成績進行比較分析，對試點班和非試點班進行匯總，從平均成績和題型得分兩個方面進行分析。

4.2 數據分析

試點班級2018 級橋梁施工課程的平均得分比非試點班級高出14.5 分，比去年同期高23.2%，具體如圖4 所示。

此外，從試題類型上看，試點班的填空題與非試點班的填空題評分率差別并不大，但試點班的案例分析題均值分較非試點班高5.4 分，同比增長上升了21.8%；試點班的識圖題平均分較非試點班高7.1 分，同比上升26.6%。出現上述差異主要原因是填空題主要是靠記憶形式的考核內容比較多，而BIM 技術應用對增加學生記憶形式內容的提高并不是非常突出，但是案例分析題和識圖題的平均成績有了顯著提升，尤其是識圖試題的提升幅度超過了26.6%。這就表明：在橋梁施工教學過程中運用BIM 技術，可以顯著增強學生對橋梁構造與施工流程的理解，更加提高學生識圖能力與優化施工方法的能力。

根據圖5 可知：2019 級試點班橋梁施工課平均分成績較非試點班高17.1 分，同比提高26.2%，比2018 級提升了17.9%；從試題題型上看，2019 級試點班填空題與非試點班得分率差別不大，2018 級基本差別不大；2019 級試點班案例分析題均較非試點班高5.7 分，同比提高21.3%，比2018 級提升6%；2019 級試點班的識圖題均比非試點班高9.4 分，同比提高33.1%，比2018 級提高6%。重點是填空題，靠記憶的考查范圍比較多，而BIM 技術應用對學生記憶內容的改善沒有很突出，但是案例分析題和識圖題的平均總分提升非常明顯，尤其是識圖題的提升特別大。

由圖6、圖7 可發現：2018 級和2019 級非試點班的對比成績提高得十分有限，教學效果也并未明顯提高；2018 級、2019 級試點班的教學成績都有了較大幅度的提高，尤其是2019 級試點班的識圖題、案例分析題得分率提高幅度較大。這也表明：在橋梁施工教學過程中運用了BIM 信息技術，隨著教師授課能力水平的提高，教學資料與課程設計的逐步完善，以及教學設備的更新，可以顯著增強學生掌握橋梁施工課程相關知識的能力，提高學生識圖、制訂施工方案的能力，增強學生認知能力與理解能力，提高學習的效率與效果。

5 總結及展望

橋梁施工教學經過幾年的改革，取得了一定的成績。利用Revit 等軟件技術實現了橋梁三維模型化，使復雜的橋梁結構立體化、可視化，使工藝問題簡單化、清晰化，解決了課堂教學過程出現的各種問題。這次教學改革有一定的成果，但對教學環境和設施的要求較高，教育投入也相對較大，因此各學校在教學實施過程中要結合實際條件進行應用。