BIM信息技术在“桥梁施工”课程教学改革中的应用探讨

沈正　孟云梅　曹云　李红梅　张德育　贾彩虹

关键词： BIM 信息技术 三维模型 桥梁施工课程 教学改革

中图分类号： U445-4;G712 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0187-04

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立三维建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物的真实信息，具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性的特点[1-5]。桥梁施工课程教学过程中引入BIM 技术可以显示桥梁三维结构，模拟桥梁施工实际过程，激发学生的学习兴趣，加深学生对教学内容的理解，做到“学以致用，事半功倍”地实现预期的教学效果，因此被广泛应用到“桥梁施工”课程教学中[6-9]。“桥梁施工”专业教学内容中运用BIM 技术，深化教学改革，既是提高教学质量的有效方法，又是行业发展对施工技术人才的緊迫要求。

1 该课程在教学过程中存在的问题

1.1 课程教学难度相对较大

相较其他土木工程专业课程，桥梁施工课程教学难度较大。主要原因是桥梁结构复杂，建造技术难度大，作业现场流动性大，使专业教学难度偏高，特别是强调施工技术的教学思想无法落实。一是学生没有掌握各类大桥建造的实际情况，因此学生掌握桥的结构和施工要点就十分吃力；二是校外实习也存在较大问题，针对不同的施工桥型、施工地点和施工进度，考虑到安全问题、实习时间的限制，在施工现场实习的学生很难掌握桥梁施工全过程。

1.2 教材更新不及时，难以满足教学需要

随着路桥施工技术的不断进步，课程教材的更新速度已落后于施工技术的发展。目前，教程存在着如下问题：一是对桥梁构造与施工方式的阐述已经陈旧；二是对最新技术引进不足；三是教科书插图与实际施工案例较少，与现场的实际施工情况有很大差异。

2 BIM 技术特点及应用在教学中的优点

2.1 BIM 技术的特点

根据目前桥梁施工专业课教学状况及其面临的问题，利用BIM 方法可以进行很好的处理。BIM 具有如下特点：可视化、协调性、优化性、模拟性、可出图性[10]。

2.2 教学中应用BIM 技术的优点

2.2.1 实现教学流程、教学结果的可视化

采用BIM 三维建模技术，可把施工图纸变成三维的实体模型，从而实现教学过程可视化。学生可以将施工图纸与三维实体模型进行对比，判断模型的正确性，加深对课程的理解，从而提升教学效果。

2.2.2 协调性、优化性

协调性、优化性特点可提高学生对模型结果的理解、分析水平。使用Revit 软件可以创建标准桥梁模型库，三维建模的尺寸参照了实际的施工图纸尺寸。如果建模失败，学生可以利用自己形成的三维模型进行研究，查找建模过程中出现的错误，由此培养学生对模型结果的理解和研究方法。

2.2.3 模拟性，克服了学生外出实践难的问题

在计算机上完成虚拟工程实验，虽然不能完全替代生产实习，但避免了外出实习的安全隐患。利用BIM 技术的虚拟施工功能，可以有效规避安全风险，同时又可以营造身临施工现场的真实感。

2.2.4 可出图性，可以使教学内容更加形象化

通过与实际桥梁施工图核对，学生更容易掌握图纸的真实效果。利用BIM 技术能够对三维桥梁造型进行剖切，自动输出不同截面的CAD 的平面文件，并配上图框，一方面能够将教学效果细化；另一方面，学生能对效果做出检验和判断。

2.3 应用BIM 技术可解决的教学问题

2.3.1 有利于将BIM 技术和“桥梁施工”课程相结合

为顺应社会发展趋势、适应企业需要，学校利用BIM 技术开展“桥梁施工”专业教学改革，重新编制课堂教学大纲，优化教材内容，以提升教学效果，为行业输送合格的应用型技术人才。

2.3.2 有利于提升“桥梁施工”教学效果

桥梁施工课程教学中，将课堂搬到施工现场不太现实，所以在桥梁施工课程教学中，以施工图设计和BIM 方法为载体进行的教学改革是非常必要的。BIM技术具备高度可视化特性，可依据BIM 技术建立桥梁构造的三维模型，在高度可视化模型下实现教学互动，很大程度上提升课程教学效果。

2.3.3 有利于缓解学校配套教材数量不够的情况

目前，将BIM 软件教学和桥梁实训相结合的配套课程还非常少。可以通过课程教学改革，根据BIM技术标准编制桥梁施工教材，并提供路桥施工BIM软件应用的操作视频录像，以形成不同桥梁结构的三维模型库。

3 桥梁施工课程应用BIM 技术进行改革的实施

按照施工图纸上标注的尺寸，使用Revit 等软件建立1∶1 的三维实体模型。该模型不但能够整体显示，还可以把桥梁各部位拆分开来细看，充实课程教学素材，丰富课堂教学手段，使课堂教学和施工现场的具体施工技术、施工工艺同步更新。

整合路桥施工课程结构，把原来的基础施工课程与桥梁施工课程融合为一门课程。按照桥梁施工的自然次序，先从大桥基础的施工入手，然后逐渐地向桥墩、桥台过渡，最后再讲解上部主梁和桥面摊铺的部分内容。这种教学模式能够很好地与施工内容衔接，从而可以增强学生对工程逻辑性的训练。

策划以三维建模、专业施工课程图纸识读为基础的职业技能训练。桥梁施工教学的一项重点内容就是训练学生识读施工图纸的技能，只有读懂了图纸，才能对施工图纸的结构形成正确的理解，并正确地把图纸上结构物转化为施工实体，进而才能够开展实际施工训练。因此，根据行动导向教学法的启示以及笔者学院的实际情况，在组织开展桥梁施工教学改革过程中，按照图纸识读能力与实际施工能力培养的思路设计了教学改革方案，具体如下。

第一，教学改革成员在掌握了全部典型桥梁图纸的基础上，根据由简单到复杂、由单体到整体的教学规律，选择了正在用于桥梁施工的整套图纸设计实习课程，并根据图纸的实际尺寸，用Revit 建立了1∶1 的三维实体模型，在建模时有总体结构效果图，同时也有各部分的细部结构布置图。

第二，通过已掌握的图纸，在能够创建桥梁模型的基础上，培养学生学会运用Revit 等模型软件，使学生在熟练查看已创建模型和图样的同时，能够加以比较分析，逐渐掌握通过图纸准确创建三维BIM 图的能力，并能在训练的过程中实现熟练使用的目的。例如：大桥上部预制T 梁和下部的桩柱台BIM 模型，分别如图1和图2 所示。

第三，针对具体教学情景的要求，在每一个大的场景建成后，选择典型图纸的一个构建细节，引导学生用Revit 软件，精确地按照大小构建桥梁各部分的实体模型。建模设计制作过程中必须严格依据设计施工图进行精确建模，一方面能够训练学生实际动手解决问题的能力；另一方面所形成的模型是可视化的，方便学生检验设计施工图是否科学合理。桥梁施工教学中，桩基承台、桥墩桥台、主梁各部分等教学情景与教学中不断实施三维建模的过程，使学生的施工图识读能力得到真正提高。

此外，学校还强化了桥梁施工课程实训条件的建设，配置了满足三维模型要求的高端独立显卡计算机50 台，并且建设了专门机房，配套了三维模型软件，组织BIM应用技能大赛。图3为学生三维建模比赛现场。

4 教學效果分析

4.1 试点安排

按照学校具体教学安排，在土木工程专业2018级、2019 级交通土建方向的桥梁施工教学中开展了试点教学，从该专业6 个教学班中选取了3 个教学班开展试点，由3 名老师分别带一个试点班和1 个普通班，每班人数约35 人。期末时通过期末考试成绩进行比较分析，对试点班和非试点班进行汇总，从平均成绩和题型得分两个方面进行分析。

4.2 数据分析

试点班级2018 级桥梁施工课程的平均得分比非试点班级高出14.5 分，比去年同期高23.2%，具体如图4 所示。

此外，从试题类型上看，试点班的填空题与非试点班的填空题评分率差别并不大，但试点班的案例分析题均值分较非试点班高5.4 分，同比增长上升了21.8%；试点班的识图题平均分较非试点班高7.1 分，同比上升26.6%。出现上述差异主要原因是填空题主要是靠记忆形式的考核内容比较多，而BIM 技术应用对增加学生记忆形式内容的提高并不是非常突出，但是案例分析题和识图题的平均成绩有了显著提升，尤其是识图试题的提升幅度超过了26.6%。这就表明：在桥梁施工教学过程中运用BIM 技术，可以显著增强学生对桥梁构造与施工流程的理解，更加提高学生识图能力与优化施工方法的能力。

根据图5 可知：2019 级试点班桥梁施工课平均分成绩较非试点班高17.1 分，同比提高26.2%，比2018 级提升了17.9%；从试题题型上看，2019 级试点班填空题与非试点班得分率差别不大，2018 级基本差别不大；2019 级试点班案例分析题均较非试点班高5.7 分，同比提高21.3%，比2018 级提升6%；2019 级试点班的识图题均比非试点班高9.4 分，同比提高33.1%，比2018 级提高6%。重点是填空题，靠记忆的考查范围比较多，而BIM 技术应用对学生记忆内容的改善没有很突出，但是案例分析题和识图题的平均总分提升非常明显，尤其是识图题的提升特别大。

由图6、图7 可发现：2018 级和2019 级非试点班的对比成绩提高得十分有限，教学效果也并未明显提高；2018 级、2019 级试点班的教学成绩都有了较大幅度的提高，尤其是2019 级试点班的识图题、案例分析题得分率提高幅度较大。这也表明：在桥梁施工教学过程中运用了BIM 信息技术，随着教师授课能力水平的提高，教学资料与课程设计的逐步完善，以及教学设备的更新，可以显著增强学生掌握桥梁施工课程相关知识的能力，提高学生识图、制订施工方案的能力，增强学生认知能力与理解能力，提高学习的效率与效果。

5 总结及展望

桥梁施工教学经过几年的改革，取得了一定的成绩。利用Revit 等软件技术实现了桥梁三维模型化，使复杂的桥梁结构立体化、可视化，使工艺问题简单化、清晰化，解决了课堂教学过程出现的各种问题。这次教学改革有一定的成果，但对教学环境和设施的要求较高，教育投入也相对较大，因此各学校在教学实施过程中要结合实际条件进行应用。