集成BIM技術(shù)的土建類專業(yè)課程教學系統(tǒng)探究

一、引言

隨著智能建造時代的到來，建筑業(yè)正在向智能化、綠色化、工業(yè)化、精細化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。為了有效解決設(shè)計與現(xiàn)場的偏差、施工環(huán)境復雜、施工安全風險高等問題，企業(yè)在項目實施過程中需要將建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理等工程參與單位放在同一平臺上，共享同一建筑信息模型，以提高建設(shè)項目各參與方溝通效率和質(zhì)量、降低施工沖突和造價成本、減少變更和返工、縮短工期、節(jié)約投資等。其中，BIM（建筑信息模型）技術(shù)是需要掌握的關(guān)鍵知識。

近年來，一些發(fā)達國家的高校將BIM教育理念引入人才培養(yǎng)體系，并進行一系列的課程教學改革，取得了良好效果。如美國斯坦福大學、南加州大學、內(nèi)布拉斯加大學林肯分校和加州大學伯克利分校的BIM課程開設(shè)較為全面，一方面涵蓋了BIM基本概念、基礎(chǔ)建模、參數(shù)化建模及其應用等方面的內(nèi)容；另一方面，在相關(guān)專業(yè)課程中也融入了BIM技術(shù)。我國對于BIM技術(shù)及其在土建類專業(yè)課程教學方面的應用仍處于探索階段，目前部分普通本科院校的土建類專業(yè)開設(shè)了BIM技術(shù)相關(guān)課程。清華大學、中南大學、東南大學、華中科技大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校的土建類本科專業(yè)開設(shè)了BIM技術(shù)課程，涉及BIM基礎(chǔ)知識、各種應用軟件，以及應用BIM技術(shù)的實踐教學環(huán)節(jié)。在理論教學中，教師將課程中的書面文字轉(zhuǎn)換為生動的立體可交互式施工現(xiàn)場模擬場景，讓學生對建筑設(shè)計過程及施工現(xiàn)場環(huán)境產(chǎn)生直接、深刻的感性認識。教師在實踐教學中讓學生通過可視化的三維立體建筑信息模型，模擬解決工程現(xiàn)場的現(xiàn)實問題。

本課題針對土建類專業(yè)學生的培養(yǎng)，深入結(jié)合土建類專業(yè)課程體系的設(shè)置，分析研究BIM技術(shù)輔助相關(guān)專業(yè)課程教學方式并進行了教學實踐。同時，進一步探究以Web系統(tǒng)的方式集成土建類專業(yè)課程教學要素和BIM技術(shù)，設(shè)計一個專業(yè)教師均可以采用的授課系統(tǒng)方案，從而提高專業(yè)教學的整體質(zhì)量。

二、BIM技術(shù)輔助土建類專業(yè)課程教學的分析及實踐

（一）BIM技術(shù)

BIM技術(shù)貫穿建筑項目全生命周期，對土建類專業(yè)學生來說非常重要。很多學生認為它只是一個三維建模軟件或者一個管理平臺等，這些錯誤的認識都源于學生對于BIM技術(shù)的基本知識缺乏了解，因此，要想借助BIM技術(shù)提高高校專業(yè)課程教學質(zhì)量，BIM技術(shù)基本知識的掌握必不可少，如BIM技術(shù)的基本概念、特征、應用，國內(nèi)外現(xiàn)狀，國家目前的政策以及相關(guān)標準等。因此，在所有相關(guān)專業(yè)課開設(shè)的前一學期需要開設(shè)BIM技術(shù)基礎(chǔ)知識課程，通過基礎(chǔ)課程可以幫助學生從各個方面全新認識BIM技術(shù)，以及讓學生對后期學習內(nèi)容有更多了解。

（二）BIM技術(shù)輔助專業(yè)課程教學分析及實踐

在高等教育系統(tǒng)中融入BIM知識框架和課程，可以讓工程教育實現(xiàn)可視化，從而提高專業(yè)課程的教學質(zhì)量。

安徽工程大學建筑工程學院教師在專業(yè)課程教學過程中積極探索BIM技術(shù)與相關(guān)專業(yè)課程的結(jié)合方式。在講解建筑工程施工課程中的梁板柱鋼筋布置內(nèi)容時，教師采用傳統(tǒng)的二維CAD（計算機輔助設(shè)計）圖紙講解比較抽象，學生需要空間想象，不直觀，理解困難。這時，教師便采用BIM技術(shù)中的Revit（建筑信息模型軟件）建立多維信息模型，學生通過三維視圖可以直觀看到各種鋼筋布局，另外，學生通過參數(shù)化設(shè)置可以知道每一個構(gòu)件中鋼筋所有的類型名稱和鋼筋參數(shù)，如鋼筋的直徑、長度和型號等具體信息。

房屋建筑學課程教學會涉及很多建筑構(gòu)件，在傳統(tǒng)講授過程中，教師通過局部圖片或者草圖進行教學展示，學生有時很難理解一些稍微復雜構(gòu)造的構(gòu)件布置和作用，聽課后對實體構(gòu)件區(qū)分也可能存在模糊的情況。

為了解決這些問題，教師在課程知識講解過程中同樣結(jié)合可視化的建筑信息模型進行構(gòu)件講解，可以通過BIM技術(shù)幫助學生了解構(gòu)件的詳細構(gòu)造和相對位置信息，且構(gòu)件的詳細施工參數(shù)均可獲取。畫法幾何及建筑制圖課程是建筑設(shè)計最基本的內(nèi)容，教師在課堂上采用Revit軟件中的視圖給學生講解投影知識，對實體圖形在Revit中選擇不同視圖生成相應投影后的形狀：正視圖對應Revit軟件中的南立面視圖，俯視圖對應平面視圖以及側(cè)視圖對應右立面視圖。

教師結(jié)合建筑信息模型中的材質(zhì)信息設(shè)置進行建筑材料課程內(nèi)容中相關(guān)材料特性和設(shè)計參數(shù)內(nèi)容的講解。結(jié)構(gòu)力學、材料力學等力學課程是土建類專業(yè)課程體系中非常重要的組成部分，對于力學相關(guān)課程，教師在課堂教學中讓學生運用Revit軟件進行實體建模，并進行荷載分析等操作。工程項目管理和土木工程概預算等管理類課程是BIM技術(shù)融合教學的重點之一，教師結(jié)合BIM-4D（四維建筑信息模型）進行工程項目管理課程中進度管理模塊知識的課堂教學，融入漫游功能等來查看場地布局的合理性以及進行場地布局優(yōu)化，以及采用協(xié)同管控平臺技術(shù)進行工程現(xiàn)場檢查管理教學知識講解。土木工程概預算課程教學從實體建模到工程量的統(tǒng)計，再到套價整個技術(shù)流程，教師均實現(xiàn)了專業(yè)課程知識與BIM技術(shù)的結(jié)合。

通過對土建類專業(yè)部分課程內(nèi)容與BIM技術(shù)融合教學進行分析與實踐可知，要想達到預期效果，教師必須熟悉BIM基礎(chǔ)知識、學科發(fā)展前沿、相關(guān)軟件的使用方法等。因此，土建類專業(yè)相關(guān)教師不僅要熟練掌握土木工程知識，還要熟練掌握和運用建筑信息模型技術(shù)。

三、集成BIM技術(shù)的土建類專業(yè)課程教學系統(tǒng)方案

（一）教學系統(tǒng)所要解決的問題分析

為使得BIM技術(shù)輔助土建類專業(yè)課程教學以及集成教學資源，實現(xiàn)所有相關(guān)教師均可采用系統(tǒng)進行專業(yè)課程教學，該教學系統(tǒng)需要解決如下問題：第一，系統(tǒng)需要滿足正常的課堂教學需求，如上課前的學生課堂考勤、教師授課課件的展示、書寫白板以及課堂互動等功能模塊；第二，系統(tǒng)需要能夠集成上課時老師用到的建筑信息模型，并可以進行模型的相關(guān)操作，如建筑構(gòu)件的視圖轉(zhuǎn)換、屬性參數(shù)的查閱、構(gòu)件距離測量、建筑信息模型的漫游以及平面視圖和建筑信息模型的聯(lián)動等。教師上課便可以通過一些操作可視化呈現(xiàn)一些比較難以理解的知識，以及降低因?qū)W生空間想象能力不佳產(chǎn)生的困惑，系統(tǒng)中對建筑信息模型操作的功能模塊具體需要根據(jù)土建類專業(yè)課程與BIM技術(shù)融合點的不同分別設(shè)計。

（二）系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題

建筑信息模型一般體量大，從而給建筑信息模型的運用帶來了不便，在教學系統(tǒng)當中如何更便捷地利用建筑信息模型與課堂教學相融合，這便是該系統(tǒng)實現(xiàn)的一個關(guān)鍵點。為了解決此問題，系統(tǒng)集成BIM信息模型時需要對信息模型進行輕量化處理，即系統(tǒng)在加載建筑信息模型的時候能保持模型原有性能的基礎(chǔ)上，盡可能減少建筑信息模型的參數(shù)量以及相關(guān)計算量，使得建筑信息模型在系統(tǒng)里面加載更快速以及在對模型進行基本操作時更流暢。目前BIMFACE（建筑信息模型輕量化引擎）是一款較好的輕量化平臺，其提供了用戶開發(fā)資源，其他用戶可以根據(jù)自身需求，基于BIMFACE研發(fā)自己的系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)開發(fā)時，教師可調(diào)用BIMFACE的API接口進行土建類專業(yè)教學系統(tǒng)設(shè)計。

（三）集成BIM技術(shù)的土建類專業(yè)課程教學系統(tǒng)主要模塊設(shè)計方案

由于BIM技術(shù)與不同課程的融合點存在差異，因此系統(tǒng)首頁可設(shè)置導航欄，在導航欄里面布置進入不同課程授課界面的按鈕，從而專業(yè)課程教師進人系統(tǒng)后直接點擊導航欄里面對應的課程名稱按鈕，即可進人相應專業(yè)課程教學頁面。在系統(tǒng)中，每一門課程教學頁面包括四個模塊，分別是考勤、課堂環(huán)節(jié)、課件amp;白板以及課程BIM。

在考勤模塊，教師可以發(fā)起簽到，為了保證簽到的真實性，系統(tǒng)可只采用位置簽到，設(shè)置以上課教室為中心，一定距離的半徑為范圍，學生在該范圍內(nèi)方可參與簽到；并且，該模塊會同步顯示簽到學生的信息，通過系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一方面為學生平時成績的打分提供依據(jù)，另一方面通過統(tǒng)計應出勤總次數(shù)和實際出勤次數(shù)，也能夠提醒學生。

課堂環(huán)節(jié)模塊主要是提高課堂教學效果，現(xiàn)代課堂教學教師應該要讓學生成為課堂的主體。因此，該系統(tǒng)基于此理念，設(shè)置了課堂環(huán)節(jié)模塊，如教師上課提問，可以通過該模塊中課堂提問按鈕從班級里面選擇學生進行回答，該模塊也可以設(shè)置搶答按鈕，以及設(shè)置任務分組討論按鈕實現(xiàn)班級學生自動分組參加課程內(nèi)容討論環(huán)節(jié)，設(shè)置作業(yè)布置按鈕實現(xiàn)線上發(fā)布課堂作業(yè)和作業(yè)修改等。

專業(yè)教師課堂教學課件展示可通過課件amp;白板模塊，通過課件上傳按鈕首先進行文件上傳，文件上傳成功后便可以在該模塊框中顯示。在正常講解課件時，為了便于學生觀看，教師可點擊最大化圖標，并點擊箭頭圖標實現(xiàn)課件翻頁。此系統(tǒng)可提供白板，白板同樣可以實現(xiàn)頁面最大化，書寫工具可點擊不同形式筆的圖標進行。

該教學系統(tǒng)的特色模塊是課程BIM模塊，該模塊中教師可以實現(xiàn)建筑信息模型輔助專業(yè)課堂內(nèi)容教學。每一門專業(yè)課程在該模塊下設(shè)置的功能按鈕是不一樣的，主要功能按鈕設(shè)置的依據(jù)是不同課程內(nèi)容與BIM技術(shù)的融合點。以工程項目管理課程與BIM技術(shù)的融合點為例，首先，該模塊有BIM信息模型的顯示區(qū)，通過BIMFACE對建筑信息模型輕量化之后，利用上傳按鈕將BIM模型載入此系統(tǒng)中；其次，該模塊根據(jù)工程項目管理課程與BIM技術(shù)融合點設(shè)置的功能按鈕可包括場地漫游、進度仿真、距離測量、風險預警等。因此，專業(yè)教師在上課時可以充分利用該模塊下建筑信息模型輔助專業(yè)知識的講授。

四、結(jié)語

BIM技術(shù)全生命周期管理的理念為優(yōu)化土建類專業(yè)課程教學提供了新思路，基于其可視化、參數(shù)化和仿真性等特點，筆者提出一種集成BIM技術(shù)的王建類專業(yè)課程教學系統(tǒng)構(gòu)建方案。通過分析相關(guān)專業(yè)課程的特點以及與BIM技術(shù)的結(jié)合方式，設(shè)計了專業(yè)課程教學系統(tǒng)的主要模塊以及課程BIM模塊中主要功能按鈕創(chuàng)建思路。土建類專業(yè)課程教師通過該設(shè)計方案所研發(fā)的系統(tǒng)可實現(xiàn)建筑信息模型技術(shù)輔助專業(yè)課程內(nèi)容授課，也可以通過系統(tǒng)實現(xiàn)教學資源共享，為專業(yè)學生培養(yǎng)提供更好的教學平臺。

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基金項目：安徽工程大學本科教學質(zhì)量提升計劃項目“土建類專業(yè)課程BIM知識體系構(gòu)建及教學系統(tǒng)方案研究”，項目編號：2024jyxm52。

（作者單位：安徽工程大學建筑工程學院）