基于BIM技术的土木工程数字化实训平台系统架构及关键技术研究

沈新福　梁庆庆　蒋国富

摘要：BIM技术由于其拥有信息化、可视化、兼容性强的特点，被广泛地应用于土木工程相关领域。文章基于行业数字化变革的大背景，通过对BIM技术工程应用进行分析，搭建了土木工程数字化实训平台，并对平台的系统架构、实训模块、关键技术进行了探讨。

关键词：BIM技术;实践教学;数字化平台

中国分类号：U491.1+23文章标识码：A531983

0 引言

在土木工程专业中，实践操作与理论学习同等重要，一个良好的培养方案需要将理论知识与实践操作紧密结合。土木工程实训是培养工程类人才实践能力的重要课程，研究[1]表明，良好的课程设计能够有效地增加受训人员对于工程的认知、书本理论知识的理解、实际操作的熟练，最终增强他们的实践操作能力。目前对于实训课程的研究，更多的在于傳统课程的设计方面。然而随着土木工程行业“数字化”“信息化”变革不断地推进，运用新技术对传统实训课程进行改革将会是一个重要的发展方向。其中BIM技术由于具备“数字化”“可视化”的特点，高度符合实训课程数字化改革的方向。基于此本文提出了“基于BIM技术的土木工程数字化实训平台”，并讨论了平台的系统架构、功能模块及关键技术。该平台也为土木工程实训课程数字化改革提供了新的方案。

1 BIM技术工程应用分析

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型是由美国Chuck Eastman教授在20世纪90年代提出。该技术从理念提出开始就备受关注，在土木工程建筑领域，美国、德国、英国等发达国家很早就将BIM与土木工程发展结合写入行业改革发展的计划之中。我国在土木工程行业中发展BIM技术要晚于西方发达国家，但是随着行业数字化改革的快速推进，在众多的大型工程项目中，BIM技术已经得到了很多较好的应用。该技术主要解决了“抽象信息可视化”“海量信息难以管理”“项目实施各方信息不对称导致的效率低下”等问题，为工程项目的顺利完工打下了良好的基础。

以实际项目为例，交通运输部BIM重点项目山东省德州市合枞高速公路采用全寿命周期BIM技术，从设计至运维阶段，完成了“BIM正向设计”、构建“BIM协同管理平台”“基于BIM的运维平台”等工作。进而实现了“3D作业指导”“施工方案与进度模拟”“智慧工地”“智慧梁场”等一系列BIM技术的应用。最终项目在设计与施工阶段，效率提升了33%，由于信息不对称引发的项目各方矛盾下降了42%，项目现场人员技术交底、安全管理走向智能化，极大地提升项目的效率与品质。

2 土木工程数字化实训平台

土木工程实训课程是土木工程专业培养中不可或缺的一部分。由于土木工程专业强实践的特点，良好的实训课程能够有效地提升学生的实践能力，加深对理论知识的理解。目前传统的实训类课程通常在高校的实训实习基地开展，服务对象面向高校学生。然而由于各高校对于实训基地的投入不同以及基地本身的场地限制，很难将一个完整的土木工程项目的全过程在实习基地中对学生进行展现并提供上手操作的平台。此外对于实际工程项目的参与者，在进行技能提升培训时，很难找到一个合适的场所与平台供他们学习与提升。基于此，引入BIM技术，开发土木工程数字化实训平台具有重大的意义。该平台融合BIM技术，提供受训人员“工程技术展示”“管理流程训练”“工艺实操训练”“安全警示教育”等课程。由于BIM技术可视化的特点，受训人员能够直观地看到工程项目具体建造技术，实际地参与模拟项目管理，真实地进行工艺实操的训练，身临其境地体会项目上不合规行为所带来的安全风险。平台直观而又全面，极大地提升了受训人员的兴趣，激发了他们的学习动力。

2.1 系统架构

土木工程数字化实训平台，融合了BIM技术“三维可视化”“信息数据化管理”“优良兼容性”优点，以及土木工程实训课程的“观摩+实操”培训理念，能够实现平台的各类数据兼容、培训内容三维化展示、学习过程信息化管理、实操应用量化打分等功能。为受训人员提供全方面的工程项目学习培训、智能化的课程推送、自由化的学习计划制定、精准化的实操练习打分。

如图1所示，基于BIM技术的土木工程数字化实训平台，主要由“资源层”“学习层”“实操层”和“推荐层”组成。

（1）资源层：该层主要实现两大功能：教学课程的资源录入以及教学课程的编辑。利用资源导入模块能够实现文字、视频、模型等教学资源的导入与储存，课程编辑模块能够方便教学人员运用平台资料进行数字化实训课程的编辑。

（2）学习层：该层融合BIM三维可视化技术，提供学习人员三维的、直观的学习内容。系统搭配VR与AR技术可以实现沉浸式的学习体验，极大地增加学习内容的直观性，更有利于受训人员学习课程相关知识。

（3）实操层：该层结合BIM技术，系统搭配实操训练设备，提供模拟环境让受训人员进行实操练习与测试。教学人员可以在该层中设置相应的实操内容，并给出实操测试相应的评判标准。学习人员在进行实操练习时，系统将对其实操情况进行打分。相关成绩会记录在系统当中，系统会综合整体的成绩评价出学习人员的强项与弱项，该数据将传导至推荐层，以此推荐学习人员相对应的课程。

（4）推荐层：推荐层使用深度学习算法，综合受训人员的各项成绩，智能化地为其推荐相对应的课程。学习人员同时也可以在该层中进行学习偏好的设置，系统利用算法智能化地匹配相对应的课程提供给学员进行学习。

2.2 实训模块

基于BIM技术的土木工程数字化实训平台拥有四大实训模块：“工程技术展示模块”“管理流程实训模块”“工艺实操训练模块”和“安全警示教育模块”。

（1）工程技术展示模块：该模块提供道路、桥梁、隧道、建筑物施工技术的展示。模块结合了BIM技术对施工过程中的建造技术进行三维动画展示，有效地帮助学习人员更好地理解项目的建造过程以及施工的重难点。

（2）管理流程实训模块：该模块提供与工程项目管理实操相关的学习内容。其中包括项目的招投标模拟练习、项目进度管理实操训练、施工现场管理实操训练等。旨在从项目全流程管理的角度，对学习人员进行实际工程项目管理的培训。

（3）工艺实操训练模块：该模块提供施工工艺相关的实操训练。学习人员可以在该模块中进行如钢筋绑扎、混凝土浇筑、钢筋焊接等具体工艺的实训练习。通过佩戴VR设备，学习人员可以投入到沉浸式的实操训练，增强其动手实践能力。

（4）安全警示教育模块：该模块提供安全施工的培训内容。学习人员在该模块中既可以通过视频学习的方式了解施工现场不规范施工所带来的安全隐患，也可以通过佩戴VR设备进行安全施工实操训练，以此提升他们的安全施工意识。

2.3 关键技术

基于BIM技术的土木工程数字化实训平台，在资源导入方面，存在数据类型不一致、兼容性要求高的问题;在数据存储方面，由于数据类型种类多、数据量巨大，存在数据存储标准化的问题;在课程培训与实操训练方面，由于需要提供学习人员真实、沉浸式的学习体验，存在BIM模型精度要求高、图形渲染引擎渲染能力强的问题;在智能课程推荐方面，由于学习人员每个人的学习情况不一致，个人对于知识的优缺点掌握程度不一致，存在如何运用深度学习神经网络算法进行智能推荐的问题。因此该平台的关键技术在于：

（1）数据兼容性：对于输入数据中的文本、图片、视频、模型等多种数据进行划分，增加每一种类数据的兼容性。

（2）数据标准化：对于存储在平台中的数据，需要进行标准化的预处理，处理后的数据之间可以进行关联，例如桩号文本文件与模型数据标准化处理后，可以通过桩号直接对应模型的指定位置。

（3）图形渲染引擎：沉浸式的学习体验需要高精度的BIM模型配合性能强大的图形渲染引擎。该渲染引擎可以对建筑物的细节进行充分的渲染，处理速度快、渲染刷新率无延迟。

（4）智慧推荐算法：智慧推荐算法是基于学习人员的实操数据以及课程喜爱程度，利用深度学习智能算法对学习者的长处与短处进行分析，对学习类别进行分类，智能化地为学习人员推荐相关的课程。

3 应用价值展望

基于BIM技术的土木工程数字化实训平台拥有广阔的应用空间。对于高等院校的大学生，该平台能够为他们提供极为真实的工程现场体验，通过观摩施工技术、实操项目管理、施工工艺等相关课程，有利于学生将理论知识与实际操作结合，培养工程思维，提升专业兴趣。对于已就业的施工现场各专业人员，该平台能够很好地帮助他们完成技能提升、安全教育、技术交底等相关项目，有利于帮助企业培养人才，更好地完成工程项目。

4 结语

在土木工程行业数字化不断推进的过程中，运用BIM技术对传统实训课程改革成了一个重要方向。基于BIM技术的土木工程数字化实训平台，其具备“三维可视化”“信息数据化管理”“数据兼容性强”“图形渲染能力强”“课程算法推荐准确”的优势，为传统实训课程的数字化改革提供了新的方向。该平台主要由“资源层”“学习层”“实操层”和“推荐层”组成;拥有四大实训模块即“工程技术展示模块”“管理流程实训模块”“工艺实操训练模块”和“安全警示教育模块”;关键技术主要有数据兼容性、数据标准化、图形渲染引擎、智慧推荐算法。

参考文獻：

[1]王 芳，张志强.融合BIM技术的应用型土木工程专业实践教学平台的优化与应用[J].高等建筑教育，2016，25（1）：155-157.

[2]刘 晶，邓雪莲.融入BIM技术的工程制图课程思政教学改革与研究[J].湖北开放职业学院学报，2020，33（24）：78-79.

[3]涂劲松，李瑞霞.基于BIM技术应用的土木类专业综合实训平台构建[J].合肥学院学报（自然科学版），2015，25（3）：76-80.

[4]吴 彬，赵 丽.云物大智时代下建筑工程学院BIM实训室建设研究[J].江西建材，2021（4）：261-262.

[5]叶回春，倪向贵，朱雨建.工程实训教学的探索与实践——工程科学前沿与实践课程设计与实施[J].实验室研究与探索，2020，39（5）：237-239，243.

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