BIM技术在建筑工程实践教学中的探索

杨文东，薄纯杰，张如林，程旭东，张艳美

（中国石油大学（华东） 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580）

建筑信息模型（building information modeling，BIM）具有可视化、协调性、模拟性的特点[1-8]，现已广泛应用于建筑工程各相关领域，成为当今土木工程专业发展趋势。BIM技术被誉为工程领域继CAD辅助设计技术后的第二次革命[9]，越来越多的工程项目利用BIM进行三维建模、信息存储、方案修改、施工管理，大大提高了建筑产业信息化水平。目前，土木工程领域对BIM技术人才的需求量日益增多，因此各高校土木工程专业应尽量适应行业的发展需要，组织开展BIM技术相关理论和实践的教学，提高学生利用BIM技术解决工程实际问题的能力，加深学生对专业知识的理解以及对工程全生命周期的认识。

1 建筑工程专业传统教学方式的局限性

（1）目前，普通高校土木工程专业的主要教学内容侧重于专业课理论、实验和课程设计，学生通过学习对本专业的理论知识掌握比较扎实，动手实验能力较强，但是学生对于行业现状了解不多，校外实习的机会比较少，对建筑行业全生命周期的各项工作没有整体的思路，刚毕业时从事设计或现场施工工作经验不足，学校学到的理论知识与实际的工作范围有所差距，往往需要经历较长时间的实习期才能真正了解本行业的工作内容。

（2）普通高校对于 CAD辅助设计技术的教学相对成熟，学生在课程设计和毕业设计中能够熟练运用CAD进行设计，但是二维的设计存在一定的缺陷，无论是设计师还是业主单位只有等到工程竣工才能知道它的整体效果，很难实现项目的可视化，这样就有可能导致设计师设计的方案和实际竣工的效果有所偏差；而且在 CAD绘图中，对于平面图、剖面图、详图等，修改其中一个区域需要对多个图相应位置重新修改，这样就增大了工作量和后期修改的复杂性，许多工程项目因为施工图较多而花费大量的人力物力进行修改；CAD作为设计绘图的工具，不能详细和全面地提供建筑结构的设计模型和具体参数，信息化水平不高，在土木工程专业的发展中存在较大的局限性。

（3）现阶段的教学模式下，学生的创新能力培养较慢，施工项目投入的大量资金不允许设计和施工的任何阶段出现漏洞，而对于学生来讲，很难做到对每个工序或结构都熟练掌握，因此学生无法大胆地进行设计，将自己所学到的理论知识运用于设计中，设计出的建筑结构也不能保证完全符合规范要求。这在很大程度上限制了学生的创新思维发展，因此探索能开拓学生创新思路的教学模式显得尤为重要。

2 BIM应用于建筑工程实践教学的优势

BIM为建筑工程的发展注入了活力，许多国内外项目运用BIM技术进行设计、施工模拟、建设规划等，如布鲁塞尔大桥、香港港岛东中心项目、英杰华体育馆。应用BIM技术可以大幅度提高效率，节省大量人力物力财力。

BIM技术可以存储大量的项目信息，这在建筑工程数量和规模日渐扩大的当代是非常有必要的，建筑企业可以利用这些信息有效地控制成本，合理规划设计和施工。高校作为人才培育的摇篮，必须紧跟社会需求，培养更多适应行业发展需要的BIM人才[10]。

由于 BIM 技术有模拟性、可视化和协调性的特点，很容易应用到建筑工程的实践教学中。学生可以利用 BIM 建立三维模型，掌握项目设计的内容和方法，一方面可以提高创新能力，学生根据自己对规范要求和施工环境的理解大胆地建立项目模型，另一方面可以提高空间想象力并且加深对各个建筑部件的理解。利用 Revit软件建立模型时，建筑结构的一些基本的构件，如梁、板、柱、门窗、楼梯，都可以直接使用，这就提高了建模的效率；模型建立完成后，还可以利用BIM技术进行施工环境模拟和进度模拟，根据模拟结果优化施工方案。通过BIM的学习，学生利用软件就可以对工程项目的全生命周期有较为清晰的理解，弥补了学生校外实践时间少的不足。

3 BIM在实践教学中的实现

3.1 创建三维模型

从事 BIM 教学的教师可以通过与建筑施工企业或设计院协商，也可以通过互联网查找各种项目案例开展BIM的教学工作，BIM的教学应以工程实际项目为背景，这样可以提高学生的参与感。通过一段时间的学习，学生可以自主建立项目模型，然后与设计院或施工单位的模型进行对比，分析自己在设计中存在的不足，调整思路，进行修改整理，学习效果提升明显。

图1所示为建筑模型的部分CAD图纸，由教师提供给学生作为设计依据。学生可以根据平面图、剖面图和配筋图等自由设计模型方案，在设计过程中遇到问题可以和教师或其他学生沟通交流，老师须定期检查学生设计中存在的问题并及时纠正，同学之间定期交流互换绘图过程中学到的技巧和经验，互相借鉴，使建模更方便快捷。

图1 建筑模型的部分CAD图纸（单位：mm）

利用BIM技术建立的三维结构物理模型（见图2）具有可视化的特点，可以通过旋转查看空间结构的任意角度和方位的结构布置，并且每个构件的信息（尺寸标注、标高、结构材质等）都可以在属性栏里查阅到。如果要核查建筑内部构件的信息，直接利用剖面框选择适当剖面即可。另外，还可以通过临时隐藏功能暂时隐藏不需要的图元，从而使查询信息或修改设计更方便。如图3所示，BIM信息化程度非常高，因此可以很直观地发现设计中存在的问题并及时改正，还可以根据需求调整参数达到想要的效果，进而优化设计方案。

在BIM技术的实现方面，族有着至关重要的作用，族指的是在项目中使用的自定义构件。对某个建筑项目而言，有些构件类型（如特殊的门、窗、基础等）在软件中不存在，因此就需要设计人员根据效果图和构件信息新建族类别并导入建筑模型中使用。图2所示模型就使用了大量新建的构件族（见图4），而这些新建的族也可以用于其他项目，提高了建模效率。

图2 Revit建立的三维建筑模型

图3 构件信息和剖面效果

3.2 施工与管理方案优化设计

利用BIM技术创建三维模型后，可继续对设计方案优化：利用3ds Max软件生成三维地形图，然后对图渲染得到与实际相近的周边环境模型；还可以利用3ds Max软件进行建筑施工工序模拟，学生通过三维动画更深刻地理解建筑施工的工序。另外，如果建筑模型的设计方案发生改动，可以利用BIM技术进行修正，修正后自动更新施工动画，从而节省分析时间。

图4 项目中部分新建的构件族

在工程项目管理方面，可以合理地利用BIM技术对管理机制与体系优化，提出先进性和现代化的管理模式。对建筑工程而言，数据管理是极为重要的部分。通过BIM技术对于数据的整理与整合，能够把最终建筑项目的成本分析更精细化，更有利于人们对建筑项目各方面进行把控[11]。学生可以利用BIM创建三维模型并保存各项数据，明确各施工人员和管理人员的工作内容和任务量，进而对人员分配进行分析预算，不断修改调整，直至确定最经济合理的方案。

3.3 学校BIM研究中心平台建设

目前，国家在大力促进企业技术中心建设，一些高校也与企业合作成立协同创新中心[12]。笔者所在学校于2019年1月24日，以储运与建筑工程学院建筑系为依托，正式成立中国石油大学（华东）BIM技术应用研究中心。BIM技术相关课程将不断向其他专业开放，为有需求的学生提供学习机会。

另外，建筑企业拥有较为丰富的BIM应用经验、研究平台以及资金投入。学校将进一步以BIM研究中心为平台，广泛联系建筑施工企业，积极开展横向合作与技术交流，并且结合社会热点与需求，开展BIM相关的课题研究。通过与建筑企业合作，学生以BIM为平台，将自己所学所想真正地应用到实际工程项目，再利用企业的硬件设备和实践经验，进一步优化设计，将学校和企业合作确定的最终设计方案应用于施工现场，大大提高实践水平和创新能力，并且激发进一步学习的动力。

4 结语

BIM在建筑工程设计施工过程中的应用越来越广泛。将BIM技术应用于教学实践也存在很大的优势，学生通过BIM创建三维模型，进行施工动画模拟和管理方案制定，提高了自主学习和创新创造的能力，弥补了土木工程专业校外实践的不足。高校应重视BIM的教学工作，加强与建筑企业和设计院的合作，帮助学生利用BIM解决实际工程问题，缩小理论与实践的差距。BIM技术作为完备的信息模型，应该在土木工程相关专业的教学中推广。