BIM技术在“混凝土结构”课程教学中的应用研究

刘洪波，柳艳杰，姜彦新

（黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

混凝土是当前土木工程中最常见工程材料，广泛地应用于房屋建筑、道路桥梁、水利工程、地下工程、海港码头、铁路工程、军事设施等工程[1]。“混凝土结构”课程也成为高等学校土木工程专业最重要的核心专业课程，包括“混凝土结构基本原理”和“混凝土结构设计”两部分。“混凝土结构”课程的实践性强，并且与现行的标准、规范、规程都有着紧密的联系。内容涉及“材料力学”“结构力学”“工程制图”“土木工程材料”等多门前序课程，是学好建筑结构抗震、高层混凝土结构、毕业设计等后续课程的重要基础课，是土木工程专业学生成长为结构工程师的基石[2]。“混凝土结构基本原理”这门课程主要包括混凝土和钢筋两种材料的基本受力性能，梁、柱、板等基本受力构件在荷载作用下的设计计算方法和施工构造要求以及混凝土结构裂缝、变形和耐久性设计。“混凝土结构设计”这门课程主要包括平面楼盖、框架结构、单层厂房等在外荷载作用下的整体计算方法和简化原则，是对整体结构的计算。学生只有通过对课程的学习，熟悉混凝土结构材料的基本性能、混凝土结构设计基本原理，掌握混凝土和钢筋材料常用级别和选用原则，掌握基本受力构件的设计方法和构造要求，才能熟练运用理论知识解决简单的工程问题，为未来从事设计类、施工类工作打下良好的基础。

随着科技进步和混凝土结构研究的不断深入，混凝土结构相关的规范不断修订，“混凝土结构”课程教学也面临新的挑战。在有限课时内，研究如何帮助和指导学生结合结构力学知识建立起整体混凝土结构空间概念，使学生直观地了解混凝土结构构件内部钢筋的细部构造，从而加深学生对混凝土结构基本理念掌握，提高学生应用混凝土结构知识解决实际工程问题的能力，是“混凝土结构”课程目前教学改革研究的重要方向。

一、“混凝土结构”课程教学存在的问题

“混凝土结构”课程中的公式繁多，而且多为半理论半经验公式，适用条件复杂，且内容抽象，需要将多门学科融汇贯通并结合试验结果或实际工程才能理解，随着课程难度的加大，及缺乏真正工程实践的机会，导致学生对课程的理解更加困难。结合多年的教学经验和多所院校毕业学生的调研成果，目前“混凝土结构”课程教学经常存在以下问题。

（一）教学方法单一，教学内容枯燥，学生听课不集中

1.由于课时的大力削减，相对于“混凝土结构”课程教学内容，按照传统的授课方法，通常存在学时不足的问题，为了按照教学进度安排完成教学大纲规定的教学内容，很多难点问题无法讲深讲细讲透，学生失去深度学习钻研的兴趣。

2.“混凝土结构”课堂多采用板书加多媒体教学，课件通常会插入一些实际工程结构图片、图纸和示意图，但对于缺乏空间想象能力的部分学生，很难通过二维图片认识理解三维复杂结构，这样就加深了学习难度，导致学生失去学习兴趣。

3.部分教师在课堂教学时，以理论灌输为主，而这些混凝土理论往往不能与最后的计算公式直接对应，而是需要结合试验结果和工程经验进行简化与修正。如果学生购买了比较陈旧的教材，混凝土结构相关规范的修订将会使学生更加无所适从。

4.学生进入大学后，学习动力不足，学习目的不明确，玩手机、熬夜打游戏，导致白天上课精力不集中，课堂上缺乏互动，课堂气氛不佳，教学效果一直不够理想。

（二）理论教学与实践脱节

1.“混凝土结构”课程具有较强的实践性，混凝土本身材料性能离散性较大，内部还含有钢筋，是一种组合构件。基于目前混凝土结构设计理论的设计结果精度很低，误差很大,为了保证实际工程安全，规范的设计结果是具有一定保证率偏于安全的结果。工程经验对于从事混凝土结构相关工作人员极其重要，而学生最缺乏的就是工程实践经验。

2.部分就业指导教师研究生毕业后直接任教，具有科研经历，但缺少相关工作经历，缺乏实践操作经验，这导致部分教师的授课理论与实践脱节，学生更加难以理解与掌握。

3.步入大学后，学生进入企业开展实习的机会比较少，虽然学校也会组织开展实习实践，但多数企业出于安全考虑并不会让学生真正参与到工程实践，主要还是以观摩形式为主，这也是学生入职后实践能力不足的重要方面。

对于培养未来从事土木行业的应用型人才，“混凝土结构”课程是基础，至关重要。鉴于教学现状，如何改变教学中普遍采用的填鸭式的教育方法，改变学时过少，内容过多和陈旧，提高学生学习自主性和积极性，将实践性与理论性相结合，培养学生的工程实践应用能力，挖掘学生的科研创新能力，真正建立起混凝土结构施工图的立体空间模型，是混凝土结构老师对课程改革的最终目标。直到BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型技术出现，课程组把BIM 引入到“混凝土结构”课程中，课程变得真正“活”了起来，学生的兴趣也提起来，教学质量也得到了提高。

二、BIM 技术在混凝土结构教学中的应用

为深入学习习近平总书记关于教育的重要论述精神，坚定落实2022 年全国教育工作会议要求，不断推进高等教育教学改革，创新土木类数字化人才培养模式，促进建筑行业在新时代背景下与新科技融合创新，更好地服务国家和区域经济社会发展，为国家培养出德智体美劳全面发展的社会主义接班人。高等学校土木类专业紧跟行业发展步伐，努力培养数字化新型应用型人才，加强校企合作，坚持数字教学改革有助于提高混凝土结构教学质量，为服务智慧城市、低碳环保及数字化建筑贡献力量。

BIM技术的提出对于土木工程行业来说是一场信息化革命，其空间可视化、实际工程模拟性强大、可以直观浏览建筑或构件内部构造的特点迅速在混凝土结构教学中得以应用[3]。

（一）优化教学过程

在传统的教学中，教师往往采用二维平面图对学生进行讲解，学生通过把二维平面图想象成三维立体的样子，缺乏直观性。运用BIM空间建模技术，能够通过教学内容实现空间可视化提高课堂教学效果。讲授截面配筋图细部构造要求时，需要学生对构件内部钢筋具体的构造形式予以立体想象，这对学生来说有一定的难度[4]。依托BIM信息化技术建立复杂混凝土节点的三维模型或混凝土结构空间模型，让学生在可视化情境下开展学习互动，让学生全方位观察结构的每一个构件，可极大提高教学效果。

（二）构建多元化教学模式

在教学过程中采用BIM信息技术可以丰富课堂教学，通过有效集成各种混凝土结构材料性能基础信息、几何与力学信息等，引导学生直观系统地学习多方面相关知识。同时，教师通过教学中融入BIM技术，全方面优化教学模式，丰富教学内容，不断提升教学指导水平。教师还可以通过指导学生建立相关教学模型，使学生更加直观了解混凝土结构，提高学生学习兴趣，增强教学指导工作效果[5]。

学生通过对BIM信息技术的学习，集成混凝土的各类信息过程中，能够全面深刻掌握相关知识。更有助于提高学生对混凝土结构构造要求的理解和纠错分析能力，进而自发地进行纠正偏差，达到自主优化学习成果的教学目标。学生还可以应用BIM信息技术将计算结果转化成三维模型，若对混凝土结构构造要求理解得不透，对构件或构造尺寸要求把握得不准，那么建立的混凝土结构三维模型就不会准，从而可以直接查找出模型信息中存在的问题，达到自我学习、自我修正的目的[6]。

（三）提高学生基本识图能力

我国混凝土结构施工图设计分为三个阶段，从建国初期至2000 年以前主要以“详图法”为主，从20 世纪80 年代初期至90 年代初在东南沿海开放城市短暂的应用了“梁表法”，从1996 年开始出现的《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》，即96G101，2000 年开始平面整体表示方法逐渐普及，经历了03G101、11G101、16G101 到目前的22G101，更新了多个版本，应用的范围也由梁、柱、板，发展到剪力墙、各种基础、楼梯。平面整体表示方法改革了传统的逐个构件的表达方式，选择与施工顺序一致的结构平面布置图，大幅度降低了结构设计师的工作量，施工人员也可以依据图集标准的构造详图施工，避免出现误解。但是对于学生来讲平面整体表示方法不直观，不易理解。

在“混凝土结构”课程传统的教学中，混凝土结构识图就是根据平面整体表示法制图规则，通过抽象的数字及符号反映出构件的配筋信息，要求学生具有良好的空间想象能力和识图能力，建立混凝土构件内部钢筋立体空间结构，教师难以直观地讲述相关知识，严重影响教学效果，通过BIM技术与制图规则相结合，学生可以在软件中从不同角度观察混凝土结构的布置情况，全面了解混凝土结构的相关内容，提高学生的识图能力同时增加了学生学习的兴趣，提高学习效率。

（四）培养建模与设计能力

BIM 建模技术目的在于帮助实现建筑信息的集成，从工程的设计、施工、运营管理直至项目终结。建立模型能力培养是BIM信息技术的基础，在学生学习混凝土结构的受弯构件、受压构件中关于纵筋弯起、截断、搭接等细部构造时，教师可以指导学生根据自己的理解应用BIM软件建立相关模型，学生可以深入理解掌握钢筋构造知识和空间布置情况，不仅能够提升学生的基础建模能力，还可以培养其空间想象能力。此外，教师还可以展示混凝土框架结构的施工动画，让学生直接了解梁、板、柱的构造方式和施工工序。

培养学生的设计能力是土木工程专业毕业要求中重要内容，通过BIM信息技术，将混凝土结构设计理论知识直观生动地展现在学生面前，从二维平面教学飞跃到了三维上，通过BIM技术做出项目空间三维复杂形态的表达，提供直观、准确的空间规划，给教学指导工作提供了优质保证。教师可以给出学生感兴趣的设计案例，让学生在此基础上模仿设计，不仅要考虑结构构件的尺寸和材料符合规定，还要考虑结构的抗震性能、耐久性等，学生自主设计之后并为大家展示，促进大家相互学习，增强整体的教学效果。

（五）培养工程造价能力

BIM信息模型技术的一大特色是可以涵盖一个项目的全寿命周期，在造价阶段，可以通过BIM模型中包含的建筑、结构、设备等专业的准确信息，统计混凝土、钢筋、模板等工程量，结合全国各地定额就很容易统计计算出工程造价。教师可以让学生应用自己所学的知识，对自己所建立的BIM模型进行工程造价预算，增强学习效果[7]。

“混凝土结构”教学过程中，教师使用BIM 模型模拟混凝土结构，计算工程造价。混凝土用量、钢筋用量以及人工费是影响混凝土结构部分成本的主要因素。同样受力情况下，钢筋用量增多则混凝土用量就会减少，使学生所学混凝土结构知识与工程造价知识紧密结合，引导学生利用两方面的知识，借助BIM模型全面分析工程中的成本控制问题，初步形成自己的成本控制经验。学生还可以进一步结合施工管理方面的知识，通过BIM建模方法扮演施工管理角色和工程造价成本控制角色，掌握影响工程造价的主要因素，总结工程成本控制的宝贵经验[8]。

（六）将BIM 技术引入“混凝土结构”实训教学

“混凝土结构”课程是理论与实践结合的课程，BIM技术引入混凝土结构实训教学过程如下。

1.将学生分为若干个实训小组，每个小组六名学生，自行推举一名学生为组长，余下学生根据自己的优势选择职位，根据需求拟定五个职位——建模员、质量员、资料员、造价员、分析员。团队里的每个成员都需要认真完成自己的工作，并且及时相互沟通，才能做出一个完整准确的项目，在提高自己专业能力的同时，也培养了团队合作能力。

2.根据教师提供的建筑施工图，各组组长先带领成员通过查阅图集等方法读懂施工图，充分了解各构件的构造，因为识图是作为土木工程界工作人员最基本的能力，所以该阶段尽量全组成员合作完成。

3.在掌握施工图各部分构件之后，开始应用BIM技术建立结构模型，采用Revit 软件，建立三维模型，本阶段以建模员为主，其他学生可以加以辅助。建模是一个项目的首要任务，因此在建模过程中要边建立边核对，确保模型的准确性，从而保证后续工作的有效性。

4.模型建立之后，要进行模型的检测与纠错，该阶段主要由质量员完成，其余成员可以配合一些其他工作。主要是依据《施工质量验收规范》对模型的配筋、质量等各方面进行检测，并做好记录工作。

5.最后，需要每一名成员都撰写一份实训报告，主要内容就是项目整个过程自己做了哪些方面工作，在各个阶段都遇到了哪些问题，最后如何解决以及实训的收获和心得，此外还可以进行一定的自我发挥，提高实训报告的水准[9]。

三、结论

近几年，“混凝土结构”教学受诸多因素影响，还存在不足之处，无法确保教学指导效果。采用BIM技术开展教学工作，有助于提升教学的直观性，因此，在实际教学过程中，教师应该树立正确的教学理念，采用BIM技术措施创新培养学生的基础知识、识图、成本控制与设计的能力，培养学生在混凝土结构方面的专业学习能力，弥补教学工作中的不足，完成教学指导工作的目标和要求。

BIM技术作为土木类专业的新型技术，在未来无疑会受到行业内各大企业的青睐，将此技术引入高等学校土木类专业的教学课堂，可以加强学生对自身专业知识的理解，同时也需要教师不断提升自身的专业素养，熟练掌握BIM技术的应用，为国家培养高质量数字化应用型人才做好准备。