BIM技术在土木工程专业教学中的应用研究

林珍伟 楼瑛

(阳光学院 福建福州 350015)

BIM技术在土木工程专业教学中的应用研究

林珍伟 楼瑛

(阳光学院 福建福州 350015)

阐述BIM技术在国内高等院校土木工程专业教学中的运用现状及改革的必要性。利用REVIT创建实际工程三维模型作为教学案例，并基于BIM建筑模型的可视化和可模拟性等特点，提出BIM技术在土木工程专业相关课程教学中应用的思路和方法，初步探索了高校应用型技术人才培养的新教学模式。

BIM技术；REIVT；土木工程课程教学；三维模型

0 引言

BIM全称为Building Information Modeling，中文名为“建筑信息模型”，是一种全新的建筑规划、设计、施工、管理的方法。随着BIM理念在政府机构、建筑等行业内不断地被充分认可,BIM技术已经广泛地运用于工业厂房、公共建筑、地铁隧道等领域。据统计，美国建筑业中的BIM应用率在2012年就高达71%，而在2008只有28%(Mc Graw-Hill Construction 2012)[1]，足见发展之速。

尽管相较于北美地区，中国目前BIM的普及率较低。无论设计行业还是施工企业，BIM使用高于60%的企业都只占5%左右，只有北美地区的1/4[2]，但近年来也出现很多典型的BIM应用工程案例，例如北京奥运会水立方、上海中心大厦、上海迪斯尼乐园等[3]。而作为BIM人才最直接输出基地的高等院校，针对土木工程专业的应用BIM技术进行教学改革实践和研究成果还很少。因此，如何将BIM技术融入该专业教学研究具有积极的现实意义。

1 BIM技术

1.1 BIM技术的特点

BIM以三维数字技术为基础建立建筑模型，通过数字信息仿真，模拟建筑物所具有的真实信息。同时，BIM将规划、设计、建造、营运等各个阶段的数据资料，全部包含在一个三维模型之中。建筑物全生命周期中任何项目实施阶段的工作技术人员都能通过信息模型集成进行建筑信息交互协同，极大提升了项目参与者决策效率与正确性，实现了建筑可视化、可协调、可模拟性、可优化和可出图五大功能优势。

1.2 BIM技术在教学应用现状

尽管《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》已经把BIM技术作为工程总承包、勘察设计和施工类企业“十二五”信息化发展必须具备的核心技术之一，国内高校也越来越重视有关BIM应用教学。但多数是针对研究生的培养，对本科培养教学中的BIM教程还很少，或只是对BIM概念以及基本理论的讲解，运用BIM技术的案例教学模式在许多课程领域还处于空白状态。

土木工程专业具有很强的专业性和实践性特点，目前专业课程主要还是延续“讲解——接受”传统教学模式，多数任课老师在教学过程中相对独立，课程内部联系不紧密，无法实现各课程知识的相互贯通。要解决这一问题,就亟须BIM技术应用到这些课程的教学中,运用BIM技术创建一个共享建筑信息模型平台或核心，将学科知识系统的融会串联在三维模型中。这样，一方面可以促进学生对知识的理解，提高学习兴趣；另一方面可以加强授课老师之间的沟通与联系，达到更好的教学效果[4]。

2 运用REVIT建模的案例

2.1 工程案例概况

用BIM建模软件建立一个三维建筑模型作为教学案例，案例为福州某高校一座7层框架结构文科楼，右侧附带2层的模拟法庭，总建筑面积约7000m2，其中一层至五层为教室，六层至七层为教师办公室。抗震设防烈度7度，结构抗震等级为三级。

2.2 建模过程

首先选择合适的建模软件，每个BIM专业平台所涉及的软件工具都丰富多样，目前主流的BIM建模软件厂商有三家：Autodesk(欧特克)、Bentley(奔特力)、Dassult System(达索系统)。该工程根据实际教学情况，综合考虑后采用Autodesk的REVIT三维建模软件创建。

(1)标高及轴网的创建

依据实际工程的层高表设置楼层标高，该文科楼为7层建筑，故创建室外地面、一层至七层、屋面层、梯间屋面层共10个标高层；再根据建筑平面图创建模型轴网。

(2)结构框架的创建

通过“载入族”功能选择“混凝土矩形柱”，定义该框架结构所需要的结构柱，对结构柱进行逐层布置，并偏移至正确的位置。同样的方式定义框架梁及次梁并进行布置，再针对不同的楼(屋面)板采用不同的建筑面层，创建各层楼板。

(3)建筑墙体及门窗等构件的创建

文科楼的建筑墙体分为内墙与外墙两大类，在“墙：建筑”菜单中定义不同的建筑墙体，布置其相应位置，然后再通过“载入族”分别选择适合的门、窗进行布置。

(4)楼梯，雨棚等细部构件的创建

建筑主体构件创建完成后，对建筑的细部构件如楼梯、雨棚、坡道、台阶和明沟等进行创建。这些构件，一部分可利用程序自带图元来布置，另一部分(如明沟等)则需创建新的族构件来布置。

(5)室外场地的创建

文科楼主体创建完成，则布置文科楼建筑的室外场地，并通过布设RPC构件达到实际场景的模拟。至此，该教学工程案例的REVIT建筑结构三维模型基本完成。

2.3 三维模型效果图

文科楼的平面和立面建立完成后，可以三维立体图形的形式呈现，选取该建筑某个视角视图，通过渲染功能，即可得到该建筑物的三维效果图，如图1所示。

图1 文科楼的三维效果图

3 BIM模型在相关教学中的应用

文科楼的三维模型创建完成后，即可作为教学案例为土木工程专业的相关课程教学所用。一方面，在教学过程中结合三维建筑模型，能够更形象更准确地让学生了解及掌握房屋建筑的有关知识；另一方面，可以通过教学发现案例模型中的不足之处，并对其不断完善修正。

以下针对BIM三维模型在土木工程专业的专业知识和应用能力两大课程体系的应用，做进一步的分析和探讨。

3.1 专业知识课程教学中的应用

专业知识包含跨专业知识及专业基础大两类，为学生学习专业知识以及将来从事土木工程相关专业的工作打下基础，包括工程制图、房屋建筑学、施工组织设计等课程。

(1)以土木工程制图课程的应用为例

传统工程制图课程授课过程中主要是利用AutoCAD绘图软件，结合手工绘图形式，培养学生的空间思维能力以及国家制图规范的掌握能力。对于复杂的图形构件，由于人的空间想象局限性和所学专业知识不全等原因，学生难以形成清晰的三维立体建筑图形。引入BIM三维模型，结合二维平面图，很好地解决了这类问题。例如学生绘制建筑剖面图时，利用BIM模型的立体剖面，如图2所示，学生能够直观地理解楼梯立面构造及其与周围构件的关系[4]。

图2 文科楼的楼梯竖向三维剖面图

(2)以房屋建筑学课程的应用为例

房屋建筑学是研究建筑设计和建筑构造基本原理的学科，也是土木工程专业重要的一门专业基础课程，学院将这门课程设立在大三上学年。虽然这时学生们已具备一定的专业知识，但房屋建筑设计内容多而细，构造物复杂零散，学生要系统地消化吸收课堂所学知识还很困难。通过引用教学案例三维模型，一方面可以直观地理解房屋建筑一些设计基本概念，比如建筑物功能、建筑面积、占地面积、容积率及绿化率等。另一方面，可以形象地了解房屋建筑的基本构造，如建筑墙体、幕墙、雨披、框架梁柱等，并掌握这些构造各自的功能及布置方式和原则[4]，如图3所示。

图3 文科楼的楼层水平三维剖面图

(3)以施工组织设计课程的应用为例

施工组织设计，项目管理等课程多是叙述讲解，内容极为抽象，这类课程知识若没有实物作为依托，很难理解掌握。教学中可以运用BIM三维建筑模型，结合Navisworks Manage或者P-BIM等软件，对建筑物施工过程做进一步施工进度的4D模拟，如图4所示。通过学习施工模拟动画，可以直观了解每个施工环节的工作内容及逻辑关系，便于学生更好地理解建筑工程实际施工过程，进而培养建设工程项目的管理能力。

图4 文科楼框架结构4D模拟动画截图

3.2 应用能力课程教学中的应用

应用能力课程是为学生运用土木工程的基本专业知识，提高专业实践能力而设立。主要包含基本能力课程、岗位能力课程与实践训练能力课程等3大类。

(1)基本能力课程教学中的应用

基本能力课程主要为专业课程，包括土力学与地基基础、混凝土结构设计、工程概预算、钢结构、建筑结构抗震设计等。本文以混凝土结构设计课程应用为例。

混凝土结构设计作为土木工程专业核心课程之一，主要研究钢筋混凝土材料性能，各种构件的受力特征基本计算方法及设计原理。在教学过程中，利用BIM三维模型可以直观了解钢筋混凝土结构的主要构件及其分布形式，如基础、框架柱、框架梁、楼板、楼梯等，如图5所示。

图5 文科楼的框架结构图及局部梁柱配筋图

此外，由于REVIT软件本身对结构计算的功能有限，可将模型导入专业结构设计软件(Autodesk Robot Structural Analysis，PKPM，SAP2000，MIDAS等)中进行计算。以PKPM为例，将REVIT模型导入P-BIM平台中，由P-BIM软件导出PKPM模型，经过完善模型的参数及荷载等信息即可计算，但目前该平台软件尚未完善，全面运用还需要时间。也可以通过计算得到结构构件的内力及配筋，并对该构件配置三维钢筋，如框架梁的纵筋、箍筋、腰筋等，直观地展示梁构件的构造措施及实际施工情况[5]。

(2)岗位能力课程教学中的应用

岗位能力课程，主要包括结构设计软件分析、施工技术应用软件分析等。美国Building SMART联盟主席Dana K.Smitnz指出“依靠一个软件解决所有问题的时代已经一去不复返了”。在教学过程中，应运用BIM一系列的专业软件，包括结构分析软件、建筑设计软件、节能设计软件、计价算量软件等，对已有案例模型做进一步的研究分析，以达到学生掌握不同软件操作的教学目的[6]。

(3)实践训练能力课程教学中的应用

实践训练能力课程包含土木工程专业的所有实验、课程设计以及毕业设计等。例如在设计题材的毕业设计中，学生可以在设计一栋建筑的建施及结施的同时，使用REVIT创建该建筑物的三维模型，并对模型做相应的后续分析。这样，一方面可让学生学以致用，把所学的知识内容融合汇总于BIM三维模型中，另一方面可让毕业设计内容更为丰富饱满，与时俱进。

因此，要培养高校土木工程专业应用型人才，就应改革以往传统教学模式，在教学过程中穿插运用BIM技术。一方面可以更好地让学生形成专业知识体系，另一方面更好地将专业知识运用于工程实践。

4 结语

通过创建某学校文科楼的建筑结构三维模型作为教学案例，本文结合当下BIM技术在教学中的应用情况，探索了三维模型在土木工程专业教学中的适用性。分析表明，结合BIM模型能够有效地进行土木工程课程的教学活动，为教学改革提供了很好的参考依据。最后，针对BIM模型在教学中的应用，提出以下3点展望：

(1)BIM技术在建筑工程中已有较广泛运用，但在建筑工程教学中课程较少，且以概念介绍及工程造价运用居多。如何利用BIM技术结合更多实际工程案例，丰富本专业教学平台，并运用于相关课程教学中，是每位土木建筑工程教育者的当务之急。

(2)对于土力学与地基基础等相关课程，BIM三维教学案例模型仅模拟建筑基础以上部分，地基土层的相关知识还需用Civil 3D等软件进行相关地质模拟，为该类课程所用[7]。

(3)BIM技术目前大量用于房屋建筑的建设项目中，对于道路、桥梁、隧道等中运用相对较少。如何利用不断发展的BIM技术，使之成为桥梁与渡河工程专业教学中的一项工具，有待我们做进一步的研究与探讨。

[1] 张尚,任宏,Albert P.C.Chan.BIM的工程管理教学改革问题研究[J].建筑经济，2015，26(2):92-96.

[2] 宁忠意.中国BIM应用价值研究报告[J].中外建筑，2015(06):19-21.

[3] 何清华.BIM在国内外应用的现状及障碍研究[J].工程管理学报，2012，26(1):12-16.

[4] 王建超.BIM技术在建筑类高校专业课程教学中的应用探索[J].高等教学教育，2017，26(1):161-164.

[5] GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[6] 尚春静，李艳荣.基于BIM的工程管理专业理论课程与实践教学创新研究[J].建筑经济，2015,36(9):129-132.

[7] 钱睿.基于BIM的三维地质建模[D].北京:中国地质大学，2015.

The Application of BIM Technology in the Civil Engineering Teaching

LINZhenweiLOUYing

(Yango University,Fuzhou 3500015)

This paper expouds the application of BIM technology and the necessity of reform in the construction engineering teaching in the universities of china.Using REVIT to create a 3D model of actual project as a teaching case.It provides some ideas and methods of BIM technology application in the related courses of civil engineering basing on the visualization and simulation of BIM building model,in order to explore the new teaching mode of cultivating applied talents in colleges and universities.

BIM technology；REIVT；Teaching of civil engineering；3D modeling

林珍伟(1983.7- ),男,工程师,讲师。

E-mail:68868484@qq.com

2017-06-07

TU17

A

1004-6135(2017)09-0125-04