BIM技术在基坑工程课程教学中的探索与应用

董文澎++杨泽郁++潘志群++陆斌

摘要：随着信息化技术的发展，BIM技术正在土木工程领域的设计、施工、监测、运营维护等方面发挥着巨大的作用，如何将这一新兴技术结合工程实例引入高等院校土木工程专业本科教学，是一个亟待发展和解决的关键问题。本文介绍采用BIM技术，以基坑工程专业课为代表，结合实际逆作法基坑工程项目，实现三维地质及建（构）物数字化仿真建模，并将逆作法施工运用BIM仿真动画进行表现，实现教学课堂的真实性和趣味性，为BIM技术全面进入土木工程本科教学提供借鉴。

关键词：本科教学；教育信息化；基坑工程；BIM技术

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2018）02-0262-02

一、引言

随着计算机、网络、通信等技术的发展，信息技术深刻改变着传统产业的生产方式，尤其是在工程设计领域。目前，信息技术在建筑设计、结构计算、工程施工和设施维护等领域的应用不断深化与推广，其中以BIM技术为代表的新兴信息技术[1]，成为各类信息技术的集大成者，正在改变当前工程建造的模式，转向以全面数字化与信息化为特征的数字建造模式。

二、BIM技术在工程领域中的应用

BIM技术首先于21世纪初出现在全世界的建筑业中，源自于“Building Information Modeling”的缩写，中文译为“建筑信息模型”[2]。BIM应用于建筑项目，都不同程度地出现了建设质量和劳动生产率提高、返工和浪费现象减少、建设成本得到节省而使建设企业的经济效益得到改善的景象。随着BIM认知度的提升，其应用已经超越了建设对象是单纯建筑物的局限，它越来越多地应用在桥梁工程、水利工程、城市规划、市政工程、风景园林建设等多个方面。目前各高校土木工程专业授课方式大多仍以板书、PPT多媒体，结合Flash动画或者影音资料进行教学，在教学过程中，学生往往以想象来“猜测”具体的工程项目是什么样的，学到的知识往往也以“碎片化”为主，有的教师使用例如Sketchup等软件快速建立相应的工程模型，建立的模型确实可用于图型可视化，但对数据集成和设计分析只有很少的支持甚至没有支持，这种模型只能算是可视化的3D模型，而不是包含丰富属性信息的信息化模型，而BIM技术是一项应用于设施全生命周期的3D数字化技术，它以贯穿其生命周期都通用的数据格式，创建、收集该设施所有相关的信息并建立起信息协调的信息化模型作为项目决策的基础和共享信息的资源[3]。

目前一些机构在软件商的赞助下也通过组织BIM设计大赛的形式推广BIM[4]，如全国高校建筑学学科专业指导委员会主办的“Autodesk Revit杯”全国大学生建设设计竞赛，参赛对象是高校在读的建筑学专业的学生；由中国勘测设计协会主办的“创新杯”BIM设计大赛等，充分说明BIM技术的推广正在高校中如火如荼地进行，在学生当中的影响范围日益扩大，效果显著，势必产生更加深远的影响。如何将BIM技术与土木工程教学结合，将这一新兴技术全面深入地融入专业教学，是一项重要的课题。

三、BIM在基坑工程教学中的应用

（一）典型逆作法基坑案例

上海某一深基坑工程位于上海市中心地区，场地条件为典型的上海软土区域，周边环境保护要求较高。根据主体结构的设计条件、周边环境的保护要求、场地工程地质和水文地质的特点，综合考虑国内现有的施工技术和设备条件，参考上海以及周边地区可类比的基坑围护工程的成功实践，在“安全、合理、经济、可行”的指导原则下，采用主体结构与支护结构全面结合，基坑逆作施工的整体方案。即“地下连续墙两墙合一+结构梁板替代水平支撑+临时环形支撑”的“逆作法”总体方案。

（二）地层三维模型

实现三维地层建模的方法各有千秋，本科生由于尚未接触到实际的基坑工程施工，对现场环境很陌生。在实际授课过程中，教师通过语言和多媒体手段进行描绘，实际授课效果往往差强人意，学生往往通过想象去理解现实中的实际工程情况。对于三维地层，本科生在接触过土力学和工程地质等课程的基础上，在印象中有了关于土层分层、不同土层区别的概念，但是对于“地层尖灭”及“透镜体”等特殊地质现象理解不深，通过将教师自身多年的研究成果运用程序代码利用3D建模软件展示出来，可以起到生动直观的效果，结合授课教师讲述，可以使地层情况一目了然。

（三）建（构）筑物三维建模

教学当中运用Autodesk Revit软件为主要建模软件，基坑建模以基坑轴网和标高为主体参考线，根据图纸绘制好模型主体结构标高和轴网，然后结合主体轴网确定参照平面的位置来定位各结构构件。依据地连墙的不同尺寸建立不同的地连墙族，采用软件自带的墙族，将项目中的材质和尺寸设置好，将地连墙依据轴网放置并处理好相邻地连墙之间的连接，利用工字型钢连接相邻地连墙，对于带有翼板的不规则地连墙采用内建模型建立。利用结构柱族建立好不同的基坑桩基族，将项目中的桩基定位放置，并利用载入或新建族来绘制项目中的钢管混凝土柱和角钢格构柱。在结构的一桩一桩体系上添加混凝土梁和钢梁，并设置好梁柱的连接和梁的属性和尺寸。在建好的框架梁柱体系的基础上，添加施工过程中的临时支撑和临时格构柱以及结构楼板和配置钢筋等，之后设置好整个模型的洞口、墙体以及楼梯等构件。最后在建好模型的基础上，布置场地和周围环境，布设周围管线和施工机械等。

（四）逆作法施工仿真模拟

对于大型土木基坑工程采用逆作法施工，在课堂讲授时，书本上采用文字描述的形式进行介绍，若采用Flash动画等进行展示，效果是二维的，不能很好地进行三维空间展示，而实际基坑工程施工由于施工时间长，往往以年为单位，录制工程视频不现实。利用BIM技术，将模型建好之后，可以对项目中的模型指定开始时间、结束时间，通过将三维模型数据与项目进度相关联，利用Navisworks软件实现4D施工可视化效果。

四、结论

信息技术正在深刻地改变着传统产业的生产方式，尤其是在工程设计领域，同时，信息技术在建筑设计、结构计算、工程施工和设施维护等领域的应用也在不断深化与推广，BIM技术的出现将建筑工程数字化推向了一个新的高度。将这一新兴技术融入到土木工程专业当中，将焕发这一传统行業的新兴魅力。本文结合基坑工程逆作法加以探索分析，为其他土木工程专业课程本科教学提供了借鉴。

参考文献：

[1]张建平.BIM技术的研究与应用[J].施工技术，2011，（1）：15-18.

[2]刘葵.从CAD渐进到BIM[J].中国计算机用户，2003，（33）：66.

[3]Easetman C.A Data Model Analysis of Modularity and Extensibility in Building Databases[J].Building and Environment.1992，27（2）：135-148.

[4]黄曙林，杜红琴.CMM理念在教学过程管理中的应用[J].高等函授学报（哲学社会科学版），2009，22（1）：44-46.

[5]崔晓.BIM应用成熟度模型的研究[D].哈尔滨工业大学，2012.

[6]李建成，罗志华，王凌.计算机辅助建筑设计教程[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.endprint