融合BIM技术的土木工程制图课程教学研究★

邓 娜，潘 强，张 敏

(成都工业学院土木工程系,四川 成都 611730)

0 引言

土木工程制图与识图是面向土建类专业的学生,在大一开设的专业基础课,使学生具有较强的空间思维能力是该课程的教学目标之一,但在实际授课过程中发现,普遍学生的空间思维能力较差,无法将二维平面图与三维立体图对应起来,学习制图较为困难。BIM是Building Information Modeling的简称,代表建筑信息模型,是通过软件虚拟建设的一个多维度的工程数字化模型。通过积极开展现代信息技术和制图课程教学的结合,将BIM模型融合在日常教学中,通过可视化的三维模型直观地呈现课程教学内容,辅助学生理解制图知识,提高教学效率和质量,达到教学目标。

1 现状

李雪[1]以美国知名大学为例,分析了如何将BIM和虚拟设计与施工技术引入相关课程,为国内教育提供了参考。国内高校建筑土木类专业教育也逐渐增加BIM技术,毛新奇[2]通过分析建筑制图课程教学中的问题,提出引入BIM技术对建筑制图课程教学改革的建议;黄黎敏等[3]介绍了在建筑工程专业中探索与实施BIM教育的过程;栾英艳等[4]结合新工科背景,对工程图学课程进行改革建设。土木工程制图课程是土建类专业的核心基础课程,很多学者也一直在研究制图课程的建设与改革。其中,王业明[5]通过“作业驱动”的方式,将CAD和制图课程的教学有机融合起来,达到教学效果;胡海军等[6]应用Solid Work建立立体模型库的方法进行制图课程的教学改革,并取得较好效果;何蕊等[7]将BIM技术引入土木工程制图课堂教学;吴杰等[8]对多学科交叉融合的智能建造专业进行制图课程建设研究。

目前已有一些学者结合BIM技术对土建类专业的课程进行了课程建设改革,针对土木工程制图课程改革的方法是使用BIM相关软件建立模型资源库和在宏观层面上把Revit作为三维教学软件进行讲解,并未将BIM技术融入土木工程制图各知识点的教学中。

目前各高校在课程设置上的主要形式有:1)只开设土木工程制图课程,利用Revit软件建立BIM三维模型资源库,辅助制图课程教学;2)分两门课开设,土木工程制图和建筑信息模型技术应用课程进行独立授课;3)只设一门课程,课程中包括制图和BIM建模等教学内容,但是先讲制图知识,再讲BIM建模。第一种形式只是把BIM技术作为辅助教学工具;第二、三种形式将制图知识点和BIM 建模分开讲授,融合度不够。融合BIM技术的土木工程制图课程改革将两者相互融合,将BIM技术融入制图各章节中,使其在学习过程中自然过渡,既掌握了制图知识、提高了空间思维能力,又掌握了基本的建模技能。

2 BIM融入制图课程理念

BIM技术利用三维软件Revit Architecture,设计含有完整工程信息的三维数字模型,并用该模型自动生成带尺寸标注的工程视图,包括平、立、剖面图、详图等二维施工图。通过BIM技术可改变从识读二维图纸到联想三维实体的传统教学方式,改变教师的教学理念[9]。学生通过旋转模型,能直观地观察建筑的每个细节,并且在Revit中可以同时查看模型的三维视图、平面图、剖面图等自动关联的信息。学生通过反复查看、学习和理解,逐步培养其空间思维能力。

将BIM技术融入土木工程制图课程,运用模型可视化、可出图性的特点,提高学生学习兴趣,促进学生对制图知识的理解。同时近年来施工单位、设计单位等用人企业对应届毕业生具有BIM应用能力的要求在提高,不仅是房屋建筑要求建三维模型,对工业类、市政类建构筑物也开始逐步要求使用BIM,由此可见BIM应用范围广阔。

3 实践措施

经过前期调研、资料查阅,从教学大纲、教学模式、教学内容、实践教学及考核方式等多方面进行将BIM技术融入到土木工程制图课程的研究,进行课程建设,然后开始教学实施,通过具体实施效果进行教学经验总结,对需要调整的地方继续完善,最后进行成果的推广与应用。实践过程如图1所示。

3.1 修订教学大纲

土木工程制图课程的教学内容包括:画法几何、投影制图、专业制图和识图这三个方面,详见图2。其中,画法几何和投影制图是专业制图和识图的理论基础,专业制图和识图包括建筑施工图、结构施工图的绘制与识读。通过梳理土木工程制图课程教学内容,理清画法几何、投影制图、专业制图和BIM建模之间的相互关系,选择可以融入BIM技术的知识点,在原课程的基础上增加BIM技术的内容。将制图知识和软件建模贯穿讲解,让学生在学习软件建模的同时,对制图知识点的理解更加深刻。丰富教学内容和教学资源后,调整原有内容的讲课学时,重新进行学时分配,使学生在掌握课程原有的制图基本原理和专业绘图知识的基础上,学会Revit软件基本的建模方法,为后续其他专业课程、毕业设计及各类学科竞赛等做好基础准备。

3.2 改革教学模式

融入BIM技术后,土木工程制图课程传统的授课模式已不能满足正常的教学要求。BIM技术涉及到软件操作,必须使用新的教学模式才能达到教学效果。改变传统的先讲制图内容再讲BIM内容的形式,将BIM教学充分融入制图各章节中。采用“能力本位”课堂教学模式,培养学生的实际动手能力,改变传统的从二维图纸的识读到三维实体的想象为创建三维实体再到二维平面图纸的理解,以此提高学生的学习兴趣,加深对知识的领悟。课程以学生为主体,以课堂讲解、课后学习、合作练习为主要方式开展教学。例如,在学习组合体和建筑形体表达的知识点时,让同学们使用Revit中的概念体量来创建标高、参照平面、参照点等工作平面,再在工作面上创建轮廓组合生成三维概念体量模型,通过对模型进行旋转、视图切换、三维剖切使学生更深入理解组合体的投影,建筑形体剖面和断面的知识。通过学生自己动手建立模型,提高兴趣、加深印象,变被动学习为主动学习。由于课时的局限性,还增加部分微课的学习,延伸课堂,培养学生自主学习能力。

3.3 优化教学内容

传统的制图课程知识点很细很多,再融入BIM技术的知识,会导致教学学时严重不足,因此要对制图课程的教学内容进行整合优化[10]。

画法几何的主要内容有:投影基本知识、点线面的投影及其相对位置关系等,其中部分内容如换面法等在实际工作中很少用到。学生只需要掌握投影的基本知识、点线面的投影、建筑形体的表达方法、轴测图等内容即可满足相关工作的要求,解决常规的问题。利用BIM三维建模建立空间关系来讲解相贯线和截交线这两个知识点,通过模型可以看到复杂形体的相贯线和截交线的空间形状,促进学生理解,加快学习进程同时也能节省授课时间。压缩以上部分内容,其课时可用于BIM的教学。

优化教学内容还包括深度挖掘制图知识点与BIM教学的融合点,研究什么地方融入,融入什么内容,最终使BIM技术融入土木工程制图的各知识点中,并且对教学内容和授课顺序重新设计,避免出现BIM软件操作和制图理论授课内容割裂的情况。例如:学习建筑施工图时,先让学生动手创建建筑的BIM模型,然后生成该建筑的平、立、剖面图,这样学生对投影制图部分知识进行回顾,同时更清楚建筑施工图的图示内容及识图要点。教学内容对比如表1所示。

表1 教学内容对比表

3.4 增加实践学时

土木工程制图课程对空间思维能力要求很高,需要由图想物。其教学目标是通过学习制图和识图的基本知识,具备工程制图与识图的基本能力和基本素质,培养空间想象能力和空间分析能力。在教学中融入了BIM技术后,会增加相应的实践课时让学生动手操作,着重实践能力的培养,获得感性认识的积累以及空间思维的启发,实现手脑并用、学做合一。从课程开始,可采用“模型作业”的形式,增加学生上机建模的时间,培养和训练学生自主学习和实操能力,并对实践练习学时做出要求,包括预习时间、上机操作时间以及交流时间。

针对某些较难的知识点布置“项目作业”,通过分组的形式完成,并作报告交流,加强学生逻辑思维训练,提高学习效果。在完成该项任务时,可以增强学生的实际动手能力、团队协作能力和发现、分析、解决问题的能力,并为后续课程的学习和实践打下基础,提升学生的综合工程素质。

3.5 改进考核方式

融入了BIM技术的制图课程具有很强的实践性,传统的课程以期末考试为主要考核方式,卷面成绩只能说明学生对理论知识的掌握程度,实际动手能力不能体现出来。因此,本课程将总成绩分为平时成绩和期末成绩,实践能力包含在平时成绩中,改变原有7∶3的比例为5∶5,即期末笔试占总成绩的50%,平时成绩占总成绩的50%,其中平时成绩包括上课考勤、课堂表现、模型作业、项目作业、手绘作业等。

4 应用型人才培养

将BIM技术贯穿融合于制图课程的教学中,围绕土木工程制图教学质量和BIM基础建模能力双提高为目标实施教学。将BIM技术充分融合在制图知识点教学过程中,使学生既能掌握土木工程制图的基本知识,又能熟悉建模过程,在建模过程中对图纸的识读理解更进一步,空间思维能力也得到提升。将BIM教育融入整个大学四年的专业课程体系中,使其在专业教育中达到横纵向全覆盖的模式,即在第一学年,进行BIM基础训练,使其会基本的建模;对大二的、大三的同学进行扩展训练,增加建模难度,加强BIM应用,选拔优秀学生参加智慧建筑创新大赛、四川省BIM建模竞赛等BIM、成图比赛等相关比赛,如图3所示。由于提前完成基础软件操作的学习,还可以为第6学期为期2周城市地下空间工程BIM技术应用实训打下基础,再学习BIM技术应用时,学生已有一定的建模基础,通过实际项目学习BIM深化应用,可以更好地掌握BIM技术。

BIM技术具有广泛的应用和发展前景,将其引入大学本科专业教育中,可以使学生尽早接触本专业的部分前沿技术,有利于激发学生对专业的兴趣和热爱,提前做好职业发展规划。将BIM技术融合到传统的“制图”课程中,通过三维立体建筑模型,学生能更好地阅读和理解施工图,激发学生学习兴趣,锻炼学生实操能力,培养学生的空间思维能力,使其成为满足社会需求的应用型人才。

5 结语

为满足应用型人才培养要求,提高教学质量,土木工程制图课程融合BIM技术,并从修订教学大纲、改革教学模式、优化教学内容、增加实践学时、改进考核方式五个方面进行课程改革研究,建设了一门面向土木工程、城市地下空间工程等土建类专业的土木工程制图课程,并取得一定效果。但由于是首次深度融合BIM技术来开展该课程教学,还存在制图内容压缩、对学生要求偏高等问题,有待将来进一步的建设和完善。