BIM技术在高校建筑结构教育优化中的应用

李尚林 郭维东 徐伟 牛晋坤

摘要：为解决传统建筑结构设计中存在的弊端，利用BIM技术对高校教育进行改善和优化。以三湾泵站建筑结构设计为例，介绍利用BIM技术建立工程数据模型的具体方法，以及混凝土配筋的关键操作，为优化传统教学提供现代技术。

关键词：BIM技术;三维信息模型;教育优化;建设结构

中图分类号：G424.1    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2019）06-0081-03

当今，社会对建筑人才的要求越来越高，需要其熟练掌握理论知识并用于实践。然而，传统建筑结构学习存在一些弊端，学生将理论知识用于实践的机会较少，推动高校教育优化迫在眉睫。BIM（Building Information Modeling）是以三维数字技术为基础，集工程实体与功能为一体的数字化建筑信息模型。其是一种对建设项目全生命周期的项目设计和项目数据进行管理的过程，也将是高校建筑结构学习和设计优化的强力技术工具。

1 将BIM技术引入建筑结构教学的必要性

在高校对建筑结构的传统教育中，由于技术和条件有限，一般局限于课本和平面图纸等二维信息载体。学生理解建筑物的结构构成时，往往只能通过文字叙述和一些二维平面图去想象三维空间结构。这不仅对文字理解能力有要求，对空间想象力的要求更高。对于一些识图能力较差的同学来说，学习难度比较大。

BIM是对工程项目设施实体与功能特效数字化表达的共享知识资源，拥有自动处理化能力，需要项目各主体的参与和配合。BIM集成建设工程在设计、施工、运营管理各阶段协调的、一致的、可计算信息的工程数据模型，可作为贯穿建设工程全生命周期的信息环境和实现工具。因此，BIM不仅是工程技术上的革新，更是工程建设业务流程上的革新。

将BIM引入教学中，利用其应用较为广泛的Revit软件建立建筑结构的三维信息模型，可解决这一问题。BIM通过相关绘图软件创建三维模型，并赋予模型相关信息和参数，将二维图纸信息数据转为三维信息模型，使空间结构跃然纸上。三维模型能让学生快速了解结构构成，极大提高学习效率。

2 BIM建模技术的应用

选用BIM中应用较为广泛的Revit软件进行建模。Revit软件可实现参数化建模，设置基本图元构件（门、窗、柱、墙、楼板、管道等）的参数，得到满足需要的图元。例如，绘制同型号门窗时，通过设置门窗的材质、类型、长、宽等属性，得到满足需要的门窗图元。学生可通过点击建筑模型上的图元了解结构名称、所用材料及属性，有助于高效、准确地掌握相关结构。

2.1 构建泵站模型

三湾水利枢纽位于辽宁省丹东市振安区，地处爱河干流下游，是爱河流域规划和中朝界河鸭绿江干流（辽宁段）综合整治规划确定的大型水利枢纽工程。以三湾水利枢纽工程中的泵站工程为例建模，进行教育优化研究。

2.1.1 选取项目样板 首先，选取合适的项目样板。不同的项目样板预定义设置不同，满足不同的专业建模需求。根据泵站工程的侧重点选择新建结构样板。

2.1.2 创建标高和轴网 为构建模型时有参照标准，先在立面图中创建标高，然后在平面图中创建轴网。标高为建模提供相当于基准面的竖向高度信息，轴网是用轴线绘制的参照网，二者均是建模的参照基准线。

2.1.3 构建泵房主体 泵房主体部分包括墙、柱子、楼板、栏杆、门、窗和泵房屋顶等。建模时选择符合要求构件，如果Revit中所给构件与泵站要求不同，需对其编辑类型，赋予满足要求的材质、几何尺寸、恰当名称。绘制平面图后，通过修改其上下约束或者直接赋予高度数值，得到符合设计要求的三维结构或构件。CAD制图中用不同的线型表示不同的构件，Revit输入构件信息参数。泵房模型见图1和图2。

2.2 教学优化

水利工科专业学生需要学习各种不同的水工建筑物。为更好地理解和掌握重要的水工建筑物结构，开设相应的结构课程设计。比如泵站结构的课程设计前，需充分了解泵站的结构构成，再依据规范计算尺寸和稳定性。然而，很多同学识图能力有限，依靠二维平面图信息和文字叙述，很难理解一些细部结构的具体位置，设计稳定性时不确定用哪一段的距离进行计算，进而降低课程设计质量。

BIM技术能够有效解决这一问题。使用BIM下的Revit软件并根据不同高程的泵房平面图和立面图信息数据建立三维信息模型后，点击模型上的任一图元，就可查看其名称和所用材料等属性信息，在最短时间内快速准确地掌握泵站的空间结构。建好的模型可以漫游，让学生仿佛身处模型当中任意位置，为后续设计奠定坚实基础。图3为泵站内部漫游的一帧画面。

3 BIM智能配筋技术的应用

学生设计结构课程时，对结构混凝土配筋是必不可少的一步。其中，混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力。科学合理的配筋能使钢筋和混凝土充分发挥作用，具有良好的外力承载能力，是工程建设中极其关键的环节。然而，配筋计算是一项繁重工作，需要考虑各种规范要求对计算的约束，还要在计算后验算。不同情况下的配筋方案不同，还需要根据配筋结构需求选用不同种类、尺寸、数量的钢筋。初次接触到配筋的同学，难以掌握正确的方法。

在传统教学中，学生在二维图纸上生搬硬套教材内容配筋，容易出现疏漏，需要大量实践验算并更改错误，才能较好地掌握配筋方法。最重要的是，学生不能举一反三。将BIM技术中的Revit软件与GSCAD软件相结合，能在泵站三維信息模型上对泵站的梁、楼板、柱等空间结构进行配筋。学会基本配筋计算方法后，在三维信息模型上自主配筋，带给学生真实的配筋体验。在这个过程中，需要关注空间结构之间的受力关系，赋予各结构将要承受的荷载值。若配筋失败，根据书中公式分析错误原因，并更改初始条件。在智能配筋时，需建立泵房建筑受力支撑部分的建模，如图4所示，再如图5对建筑结构进行配筋。

執行计算时，系统会自动验证泵房建筑结构设计尺寸或者混凝土强度同否合理。若不合理，就会生成错误报告，提示泵站建筑哪一层哪一部分结构配筋失败并标明配筋失败原因，如图6所示。

根据报告提示信息对建筑结构截面尺寸或者钢筋混凝土强度进行修改，直至配筋成功，生成如下两种格式的配筋图。生成配筋后的各种承载力曲线及计算说明书。有利于学生更深层次地了解建筑物承载力分布情况，并对配筋重要性有更真切的体会。

三维模型配筋能产生更加直观的配筋效果，增加学生的参与感，使其直观了解建筑物各结构之间的荷载关系，对增加学习主动性和兴趣具有一定作用。

4 结语

建筑结构是每个水利工科学生的必学课程，传统教学采用二维图纸，对空间想象力要求较高。高校在建筑结构设计中引入BIM技术，是教育改革的必然趋势。相信不久的将来，我国BIM行业涉及的领域会得到充分发展。

收稿日期：2019-09-23

基金项目：国家自然科学基金项目（31200392）;辽宁省农业领域青年科技创新人才培养计划项目（2015048）

作者简介：李尚林（1996—），男，硕士，从事寒区水工建筑物方面的研究。

通信作者：郭维东（1969—），男，博士，教授，从事水力学及河流动力学方面的研究。

参考文献

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Application of IBM Technology in the Optimization of

College Building Structure Education

LI Shanglin， GUO Weidong， XU Wei， NIU Jinkun

（College of Water Conservancy Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866，China）

Abstract： In order to solve the defects existing in the traditional architectural structure design， BIM technology is used to improve and optimize the university education. Taking the structural design of Sanwan pump station as an example， this paper introduces the specific method of using BIM technology to build engineering data model， as well as the key operation of concrete reinforcement， in order to provide modern technology for optimizing traditional teaching.

Key words： BIM technology; 3D information model; education optimization; building structure