基于BIM技术的高职《桥梁构造与识图》课程综合改革

李 飞，陈 祥，陈艳华，隋玉凤

(1.湖北三峡职业技术学院， 宜昌 443002；2.三峡大学， 宜昌 443002)

1 引 言

随着交通强国战略的大力推进，我国逐渐向桥梁强国转变。桥梁建设在交通基础设施中发挥着重要作用，高职院校道路与桥梁工程技术专业高素质技能人才的培养尤为迫切，然而《桥梁构造与识图》的传统课程教学，不能适应新时代技能人才培养的发展要求，课程改革迫在眉睫。当前，国内高职院校对《建筑构造与识图》课程结合BIM技术进行改革的已经有所推动，效果较好，在市政工程中也有所涉及[1]。但是在《桥梁工程》《桥梁构造与识图》[2-3]课程上较少融入BIM技术，亟待我们进行高职道路与桥梁工程技术专业桥梁识图课程改革研究。

《桥梁构造与试图》课程现状存在诸多问题，专业人才培养的质量与行业需求存在较大的差距[4]，特别是扩招学生素质能力更弱[5]，原有培养模式需要做出改变。同时由于学制较短，前导课程开设不够，学习专业核心课程的基础比较薄弱，学生普遍感觉难度较大。此外，综合类高职院校实训条件普遍与需求不匹配[6]，现场实践安全风险较大，教学资源匮乏[7]。因此，为提升学生学习《桥梁构造与识图》课程的信心，提高教学质量，亟需对课程的教学方法进行改革。

2 BIM技术融入《桥梁构造与识图》课程主要路径

2.1 桥梁识图课程主要教学难点

《桥梁构造与识图》是一门对前导课程要求较高的专业课，内容难度大，表现如下：

(1)平面绘图与空间模型的有效转化。学生空间想象能力不足，缺少几何知识、缺乏工程经验，难以将二维图纸转化为三维构件。

(2)整体结构与局部构件的构造分析。桥梁图纸通常需要识图者切换顺桥向与横桥向视角，同时理解各构件之间的相互关系，初学者很难适应。

(3)桥梁细部构造与工程量分析。钢筋与预应力钢筋空间位置和关系复杂，型号众多，识图和工程量计算困难。

2.2 融入BIM技术的课程改革实现路径

BIM软件在道路桥梁隧道专业的适应性越来越强，国外有Revit、Midas、CATIA、Bentley等众多优良软件，国内以同豪土木系列软件为基础，推出了公路工程设计BIM系统，行业反应较好，有力推动了桥梁行业BIM技术发展。鉴于高职院校教学资源的限制，兼顾直观效果好、操作性强、学生兴趣足、经济可行等多方面优势，可以采用基于BIM技术的桥梁识图类课程的教学实施[8]。

本次课程改革采用BIM技术解决学生桥梁构造识图的难点，有效融合了BIM技术三维效果直观的优点，BIM融入路径及逻辑架构如图1所示。

(1)漫游功能解决平面绘图与空间模型的有效转化难题。通过不同视角，可以直观了解桥梁结构或构件的立面图、平面图、剖面图，重点通过BIM模型将点线面之间的关系及三视图的关系理解。

图1 BIM融入路径及逻辑架构

(2)通过三维效果展示解决整体结构与局部构件的构造分析难题。学生没有实际现场经验，通过漫游功能，带领学生仔细观察各个细部，掌握不同桥梁上下部结构及各个构件，解决部分隐蔽工程的构造认知。例如，装配式梁桥中，学生很难理解桥墩的方向与主梁的方向不一致，多片主梁如何组装成梁格体系，但通过桥梁整体BIM模型，带领学生观看一遍，即可了解桥梁结构上下部结构关系。

(3)通过BIM三维功能解决主梁等构件复杂钢筋、预应力筋布置图的识图问题。BIM技术可以直观的将桥梁平面图纸中的点、线、面结合在一起，并可以通过漫游功能，看到构件的各部位及钢筋分布。

基于BIM技术的有机融合，本课程主要从课程体系、课程内容、课程实施、评价体系四方面进行综合改革。采用BIM技术，全景显示桥梁整体，然后对应视角查看，即可模拟投影关系显示图纸，然后翻图，三维模型生成对应二维图纸，完成工程量准确统计，桥梁结构动态表达及信息化管理，充分发挥三维空间的想象力，促进融通识图。

3 基于BIM技术的桥梁识图类课程改革实施

3.1 融入BIM技术，改革课程体系和内容

为了体现BIM三维展示桥梁整体布置及局部构造[9]的功能(如图2)，在本课程识图的基础上，增加CAD、MIDAS、Revit等相关软件的操作的初步讲授，将原有的单门课程讲授转变为融入BIM基础的桥梁识图课程讲授，贯通实操绘图与构造理解全过程。

通过自学、导学、训练、巩固过程找规律，建立递进“自主探究、BIM演示、构造剖析、绘图抄绘、BIM翻图”五环节的识图课程内容改革模式。

引入BIM建模实操技能技术要求，弱化知识的讲解，强化操作实训的部分。融入BIM操作，课时量仍然确定为60学时，理实一体化，将主要的课时分配给常规桥梁结构识图，实训先进行图纸抄绘，然后进行CAD绘制相关图纸，最后通过Revit软件进行构件建模。课程内容重构如图3所示。

图2 课程桥梁整体BIM模型

图3 课程内容重构

在教学内容上，结合桥梁项目情景，对本课程划分桥梁概述、桥梁基础、桥梁墩台、上部结构、附属设施五大学习项目。

核心项目由教师讲授、学生实训两大部分组成，理实一体化实现。教师讲授的部分，概括当前最常用的各构件形式，采用实体模型，图片与视频，教师通过Revit软件建立的变截面箱梁模型，以此来引导学生识读上部结构中箱梁相关图纸。

传统钢筋图纸表达，利用BIM模型提供钢筋三维表达直接显示钢筋位置，对钢筋的搭接、弯起准确展示，初学者能直观理解钢筋直径、等级、间距等信息，利用三维显示突破钢筋图识图的难点。对比二维图纸计算单根钢筋长度进行汇总钢筋量，通过三维汇总计算提取钢筋量，更为直观准确，实现精准算量(见图4)。

图4 箱梁钢筋BIM图

3.2 面向BIM建模，改革课程实施

基于BIM基础，融入桥梁构造识图教学过程，课程实施由课前预习、课中讲授、实训导学、课后作业、教师总结几部分组成。

课前：学生领取任务及资料，预习本次课的相关知识点，做好准备。

图5 全桥布置图

课中：由教师先进行讲授，教师讲授时采用实体模型和BIM模型切入，对照平面图纸，重点讲授构造的名称、作用、投影关系。给出BIM模型，动态讲解各类构件三视图及构造关系。

实训部分：学生在理解教师的讲解后，首先将实训图纸手工抄绘，以此理解图纸中的比例、图样的线型线宽、标注，然后采用AutoCAD进行绘制，对比手工抄绘的图纸进行，熟悉CAD操作，最后，将本构件采用Revit建立模型。

课后：对实训课程项目完善，上交实训作品。

教师总结：分析本项目学生学习中存在的问题，包括识图问题、构造问题、软件操作问题等，并提出解决办法。为了学生了解更多同类构件，采用其他桥型的BIM模型，带领学生识图，使学生达到融会贯通的目的。

3.3 对标BIM应用，改革评价体系

对标BIM应用职业技能考核要求，引入形成性评价内容的同时，结合期末的测试，形成基于形成性评价的综合评价体系。

形成性评价占比60%，由参与度、动手能力、成果准确度形成，评价注重学生在过程中的团队合作、学习能力。项目情景中均会设置考核点，将大部分考核贯穿于学生学习过程的考核，在绘图、CAD操作、BIM建模的过程中考核学生的各项能力，同时在期末采用理论测试与实操，考核学生核心知识点的掌握情况。

4 某预应力混凝土简支T梁识图案例

某公路桥梁主梁结构，采用3根长30m预应力混凝土简支T梁结构，桩柱式桥墩，主梁构造与钢筋较为复杂，学生识图困难。为解决这一难题，本研究基于BIM技术进行教学，突破构造识图难点。

4.1 BIM三维表达与二维图纸识读

基于真实桥梁图纸，建立BIM模型，通过不同视角显示，得到对应二维视图，关联三维模型与二维表达，拓展学生空间思维能力，提升学生学习体验感。在视角切换中，剖析空间维度变化，深化二维图纸识读，促进三维表达理解。

通过图5、6的对比识读，可以建立学生对装配式简支T梁的BIM模型与平面图纸的对应关系。

4.2 主梁细部布置与BIM模型分析

对于主梁，由整体图与局部大样图分析主梁位置关系，在梁的端部截面T梁肋的矩形，跨中部位为马蹄形，过渡区段为变截面区域(见图7、8)。利用BIM模型表达，全面真实截面的的变化过渡段，直观区分端部截面与跨中截面位置，通过模型对比，提升局部与整体关系分析能力。

图6 全桥BIM模型

图7 T梁一般构造图

图8 T梁BIM模型表达

4.3 预应力钢束与BIM模型表达

预应力钢束是T梁的重要组成部分，正确识读钢束线型极为关键，课程教学通过BIM 模型预应力三维表现，漫游表达预应力刚束空间位置(图9)以便于学生正确理解图纸。

4.4 钢筋识图算量与BIM模型表达

以一榀T梁为例，如图10所示，通过CAD图纸与BIM模型构建分析，平面绘图与软件翻图协作，提升图纸识图与构造关系理解。提取主梁工程量，并与主梁工程数量表进行对比，完成工程量复核。

图9 预应力钢束BIM模型表达

图10 T梁钢筋构造图纸与BIM模型

根据BIM模型中的三维钢筋结构，突出显示各钢筋之间的位置关系，学生通过平面图纸的投影关系，结合三维相关表达，即可理解钢筋之间的相互关系，学生在理解钢筋三视图的基础上，计算每一根钢筋的长度，复核钢筋数量表的内容。图纸工程量和BIM软件在建模时一致，说明按图建立BIM模型。传统方法为学生自行看图，理解计算工程数量。新方法为学生借助BIM模型，了解钢筋布置情况和形状后，根据图纸进行统计工程量。

通过图10理解每一根钢筋的形状和相对位置关系后，学生掌握了钢筋形状和长度，即可较为准确地计算出钢筋数量。

4.5 手绘及CAD抄图加深图纸理解

针对课程任务，要求学生通过尺规手工作图和CAD抄图的形式，加深学生对平面图纸的理解，同时提升学生动手能力。学生采用A3图幅，确定绘图比例，按照图纸给出的尺寸，在规范指导下进行尺规绘图。在绘图过程中注意绘图细节，线宽、布局等。学生通过前面过程的学习，使用AutoCAD软件进行图样的绘制。通过“学练做”一体融通，强化构造识图与绘图技能。