基于BIM技术的“土木工程制图”课程教学改革

张霓 孙庆巍 张振东

[摘 要] “土木工程制图”是土木工程专业的一门必修的专业基础课，传统教学难以满足目前土木工程发展趋势下的人才培养需求，为了适应时代发展趋势，培养具有创新精神和实践能力的高素质技术人才，文章在分析传统教学存在问题的基础上，对BIM技术融入“土木工程制图”教学的必要性进行分析，从教学理念、教学内容及教学实践三个方面对教学进行改革，充分发挥BIM可视化、模拟性、优化性、协调性及可出图性的优势，提高学生的学习兴趣及“土木工程制图”课程的教学效率，使学生更能适应时代发展趋势，毕业后快速地适应工作。

[关键词] BIM技术;土木工程制图;空间想象力;教学改革

“土木工程制图”是土木工程专业的一门必修专业基础课，主要目标是培养学生绘制和阅读建筑工程图的能力，即用二维平面图形表达三维空间形体的能力及对空间形体的形象思维能力和创造性构型设计能力，从而提高学生实践应用的能力。BIM（Building Information Modeling）是建筑信息模型化的简称，它是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，并利用数字化技术为这个模型提供与实际情况一致的各种建筑工程相关信息。BIM是2002年由美国建筑师协会资深建筑师Jerry Laiserin提出的，并逐渐得到业界人士的广泛认可。随着全球化进程的发展，BIM技术逐渐在欧洲、新加坡、日本等国家开始普及。在我国BIM技术近年来受到了广泛关注。2018年两会期间，政协委员王美华提出加强高校土木类专业推广BIM教学力度，增加系统课程，培养技术运用和软件开发的“二元型”人才，这反映了BIM技术人才需求量旺盛，预示了BIM课程可能纳入土木工程专业教学评估[1-3]。近年来随着BIM技术的发展，BIM技术人才出现紧缺趋势，因此高校要顺应发展趋势，为国家培养掌握BIM技术的人才。将BIM技术应用到传统的“土木工程制图”课程中，不仅能让学生通过三维模型更好地阅读建筑工程图，而且让学生更适应当前时代发展趋势，毕业后快速地适应工作。

一、“土木工程制图”课程存在问题

（一）课程学时不足、内容繁多

“土木工程制图”作为专业基础课，包括投影理论基础、表达技术基础、绘图能力基础和工程规范基础四部分，课程内容繁多，但课程教学学时却从最初的56学时缩减到目前的48学时，其中实践学时仅有12学时。课程内容基本没变，而課程学时缩减14%，致使课程学时少而任务量大，在学时安排上给“土木工程制图”课程教学带来了极大的困难。如果不能科学合理地设计教学方案，只是按原来的方法在有限的学时内讲授课程内容，会导致部分学生学习较为吃力，很难跟上教学进度安排。“土木工程制图”是理论和实践相结合的一门课程，课堂讲授内容学生跟不上，造成理论基础薄弱，无法在短时间内将理论和实践相结合，理论知识无法灵活地运用于实践中。

（二）教学方式死板、教学效率低

“土木工程制图”课程经历了从传统的黑板板书到运用多媒体教学，在教学方式方法上取得了一些进展。而这种黑板板书和多媒体课件相结合的教学方式，对于“土木工程制图”课程而言，很难激发学生对土木工程制图课程学习的兴趣，课堂教学中理论教学在教学内容中占很高比例，使学生被动地接受理论知识，导致教学效率较低。作为实践性较强的一门基础课，如果学生不能将理论知识运用于解决工程实际问题，不知学为何用，就失去了教学意义。但目前大部分学生无法在短时间内理解理论与实践相结合的知识。采用传统的“填鸭式”教学方法，学生的积极性及教学效率普遍较低。

（三）学生缺乏空间想象力

“土木工程制图”课程的主要目标是培养学生用二维平面图形表达三维空间形体的能力，培养空间分析和空间几何问题的图解能力，培养对空间形体的形象思维能力和创造性构型设计的能力。该课程的学习需要学生具有一定的空间想象力，但目前学生的空间想象能力欠缺，对结构布置、构造做法及节点详图等缺乏清晰的认识。而传统教学仅仅展现二维平面图形，很少涉及三维空间的展现，故对于空间想象力缺乏的学生来说，“土木工程制图”课程的学习难度较大。根据课后对学生的调查反馈发现，学生普遍反映根据二维平面图很难想象形体的三维空间图，在“土木工程制图”课程的教学中，这是该课程的教学难点。

二、BIM技术的优点

（一）可视化

BIM技术提供了可视化的模式，可对建筑进行三维实体建模，即所见所得的模式。建筑形式千变万化、造型复杂，以前都是通过二维平面图纸去想象三维空间实体，但这样单凭人的想象力去想象三维形体未免不切合实际。所以BIM提供了可视化的模式，可以直接用三维模型来获得建筑实体的信息。此外，BIM不仅可以展示效果图，还能增加各个专业间的讨论、沟通和决策，这些都可通过BIM可视化的状态进行。

（二）模拟性

BIM技术的模拟性是指可以通过放大、旋转等指令查看实际中不能做到的操作，从而更直观地认识三维模型。BIM能够进行模拟实验，对建筑项目进行3D模拟，把建筑项目的细节构造在模型中展示出来。同时还可将模型中的构件、设施及设备等数据信息通过BIM的参数化特性导入其中，让项目参与者能够看到的不仅是可视化模式，而是让参与者通过数据信息库中的信息进行调取、阅览、分析和修改，改善传统二维画面协调效果不佳、沟通效率差的现状。在设计阶段，通过BIM配合相关软件对建筑项目周边环境的自然气象信息、地理信息、环境信息进行分析，可以把建筑项目对建筑在实际使用过程中可能会出现的一些问题进行模拟，如日照模拟、节能模拟、紧急疏散模拟及通风模拟等。施工阶段的模拟也是BIM技术的一大特色，通过BIM技术与施工的工法、工序相结合，将施工项目中的重点及难点进行事先的施工预演，对施工具体操作人员而言，具有非常强的指导性，让他们清楚自己该做什么，施工模拟还可模拟施工用料情况，可以降低物资材料的浪费。另外，BIM技术还可进行4D模拟，即在三维基础上增加时间，将BIM模型进行维度的扩展形成BIM4D模型。通过模拟指导施工，有效提高项目管理效能，施工方亦可随时了解项目实际与模拟进度之间的区别，便于及时对施工方案进行调整。在BIM4D模型基础上加入5D维度形成5D模拟，通过对施工中物料的应用状态、劳动成本的价格、人力资源的配置等，模拟项目的成本变化生成报表呈现给项目中参与人员，从而合理分配人力物力，实现成本控制。在后期使用阶段还可模拟日常紧急情况的处理方式，如地震、火灾等紧急突发状况下人员的逃生模拟，合理制定安全逃生路线。

（三）优化性

事实上项目的整个设计、施工过程就是一个不断优化的过程，即优化存在于整个建筑过程中。优化和BIM并不存在实质性的关系，而是我们可以在BIM的基础上对项目进行优化。信息、复杂程度和时间是制约优化的三样因素，合理的优化结果需建立在准确可靠的资源数据基础上，BIM三维模型提供了建筑的可靠信息，包括形状信息、物理信息等信息数据，还提供了建筑调整后的实际信息。信息涵盖面广、复杂程度大，导致项目参与人员无法掌握全部的信息数据，这就需要借助一定的科学技术和仪器的帮助，BIM技术提供了对复杂建筑项目进行优化的可能性。BIM的优化主要体现在对项目方案的优化和对特色项目的设计优化。对项目方案的优化是将项目设计与投资回报相结合，将设计变化对投资回报的影响实时计算出来，让业主能够选择更有利于自身需求的项目设计方案。对特色项目的设计优化是针对大空间随处可见的屋顶、幕墙等异型设计，这些异型设计看起来占的比例较小，但占实际工作量和投资的比例往往较大，且在施工中问题较多、施工难度较大，利用BIM技术对上述内容的设计施工方案进行优化，能够显著改善工期和工程造价。

（四）协调性

工程项目在设计时，由于各专业工程师之间沟通不到位，会出现各个专业之间的碰撞问题。例如在施工图纸中给排水、暖通等专业的管道布置都是各自绘制各自的施工图纸，因而在实际施工中，可能会在管道布置中遇到结构设计的构件妨碍管道布置的现象，这就是在施工过程中经常遇到的各专业间的碰撞问题，通过BIM的协调作用可处理上述问题。BIM建筑信息模型可协调各专业的碰撞问题，形成数据性文件。另外，BIM的协调作用还可用于解决防火分区与其他设计布置之间的协调、电梯井布置与其他设计布置之间的协调等问题。

（五）可出图性

BIM绘制的图纸不同于以往大家常见的建筑设计院所出的建筑设计图纸，而是通过对建筑物进行可视化、模拟性、协调性和优化设计以后绘制出的图纸，如综合结构留洞图、经过碰撞检查和设计修改后的综合管线图、碰撞检查侦错报告及建议改进方案等。

三、基于BIM技术的课程教学改革

（一）教学理念改革

“土木工程制图”课程涉及面广、实践性强，培养目标是要培养出既掌握理论知识又能灵活运用的实践型人才。课程从最初的手工绘图逐渐向计算机绘图，从二维图形到三维图形发展。在目前的课程中，大多以画法几何理论为主，辅以CAD制图，这要求高校教师转变理念，根据实际情况完善教学模式，开发全新的课程体系，才能实现我们的教学目标，为社会培养更多高素质的专业人才。要想保证土木工程专业人才培养效果，就要顺应产业发展趋势，将BIM技术应用到“土木工程制图”课程的教学中。充分利用BIM技术在“土木工程制图”课程中的作用，通过BIM技术建立教学仿真模型，让学生在BIM技术的辅助下，能够接触到更多土木专业的经典建筑，将“土木工程制图”课程相关知识点融入教学活动中来;借助BIM技术提高课堂教学的直观性，从而激发学生对于该课程的学习兴趣，吸引学生的注意力，提高学生的学习主动性;充分利用BIM的丰富性和可视性的特点，有效提高“土木工程制图”课程教学质量。

（二）教学内容改革

“土木工程制图”课程主要分为画法几何、专业制图和计算机辅助制图三个部分。画法几何部分主要内容是投影法的基本概念、投影法的分类及投影特性，点、直线、平面的投影及三者间的从属关系，平面立体及曲面立体多面正投影，截交线与相贯线，轴测投影的形成及其分类，组合体的形成及三面投影图，建筑形体的六面正投影等内容。专业制图部分主要分为建筑施工图和结构施工图两部分，包括建筑平、立、剖面图的形成，读图方法、图示内容及绘制方法，钢筋混凝土结构、钢结构施工图常用符号、常用图例等的画法，钢筋混凝土结构施工图（结构平面图、构件详图）及钢结构施工图的作用、图示方法和图示内容等。本课程内容较多、较难理解，且课程的学习需要学生具有一定的空间想象力。如果再添加BIM，必然会加大教学压力，因此需要任课教师调整教学内容，进行教学内容的改革。在“土木工程制图”课程中增加BIM技术，利用BIM、多媒体课件相结合，将一些复杂的构造通过屏幕投影形式呈现给学生，深化学生对BIM的认识，培养学生的空间想象力。这种教学手段能够直观、形象地向学生展示一些结构的细部、细节，既能增加学生的理性认识，又能调动学生的积极性，提高教学效果。将BIM技术运用到“土木工程制图”课程，将二维平面图与三维模型相结合，让学生对“土木工程制图”课程的学习提起兴趣。利用BIM的三维模型辅助教学，加深学生对图纸的理解，提高学生的学习效率。

（三）教学实践改革

在“土木工程制图”课程实践过程中发现部分学生缺乏空间想象力，导致无法将二维平面图与三维模型联系起来。目前在计算机辅助制图部分，大多以CAD绘制建筑平面图、立面图及剖面图为主，而学生对于这种二维平面图认识较为浅显，很难与三维模型相联系。针对目前的教学实践情况，任课教师可利用BIM技术，在实践教学中采用Revit软件，为学生讲解该软件的操作方法，鼓励学生利用Revit软件建立建筑模型。充分利用其可视化功能及二維平面图与三维模型间自由切换功能，让学生能够更直观、高效、准确地理解建筑施工图与结构施工图的相关知识点，培养学生建模能力，深化BIM技术在“土木工程制图”课程中的实践应用。BIM可视化教学中虚拟建立的三维模型，相当于将施工现场代入课堂，能够达到很好的教学效果。利用BIM三维模型，通过放大、旋转等命令，可以从多角度、多方向观察三维模型，便于学生对建筑工程图的理解和绘制。利用BIM技术还能够反映出复杂节点的构造，在实践教学中利用BIM三维模型进行演示（见图1），学生如同亲临施工现场观看节点构造，BIM模型的直观性让学生能够进一步加深对节点构造的认识理解程度。为了加强学生实训，高校可组织教师建立BIM工作室，与企业合作，鼓励学生参与到项目实践中，给学生提供提前接触工作岗位的机会，培养学生的实际操作能力，提高学生未来的就业能力。

四、结语

“土木工程制图”课程作为土木工程专业的基础课，传统教学已无法满足目前土木工程发展趋势下的人才培养需求，为了顺应土木工程专业发展需求，培养具有创新精神和实践能力的高素质技术人才，本文在分析传统教学存在问题的基础上，将BIM技术引入“土木工程制图”课程中，充分发挥BIM可视化、模拟性、优化性、协调性及可出图性的优势，使学生更容易建立空间想象力，提高学生的学习兴趣及学习主动性，提高“土木工程制图”课程的教学效率，使学生更能适应当前时代发展趋势，满足社会对应用型人才的需求。

参考文献

[1]许莉，张挺，郑德炯.基于BIM技术的CAD课程教学改革[J].高教学刊，2020（2）：132-134.

[2]刘欣欣，李涛.BIM在土木工程制图教学中的应用研究[J].科学技术创新，2019（19）：98-99.

[3]刘卫斌.基于BIM技术的土建类复合型应用人才培养模式的研究与实践[J].教育教学论坛，2020（12）：202-204.