基于BIM技术的桥梁工程协同毕业设计探索

［摘 要］ 毕业设计是培养学生综合分析和创新能力的最重要实践教学环节。为了解决毕业设计中普遍存在的内容单一、缺乏团队合作的问题，以桥梁工程方向为例，将BIM技术与团队协同设计相结合，充分发挥“科产教”融合作用，从课题选择、任务分配到协同设计的具体实施路径，进行了全过程创新实践。实践结果表明，BIM技术的融入能大幅提高团队协同毕业设计的工作效率，进而有效地锻炼学生解决复杂工程问题的能力和协作精神，有利于提高工科专业学生毕业设计的整体质量。

［关 键 词］ 实践教学；毕业设计；BIM技术；桥梁工程；协同设计

［中图分类号］ G642 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 2096-0603（2024）27-0109-04

毕业设计是工科学生大学阶段最后也是最重要的一个综合性实践教学环节，是对学生本科四年基础课和专业课学习效果的一次全面检查。因此，针对毕业设计的改革一直在探索和实践中，并取得了包括“校企联合指导”[1]“多学科交叉”[2]“多主体协同育人模式”[3]“团队指导模式”[4]在内的一系列教学成果。《工程教育认证标准》指出：“毕业设计（论文）选题应结合本专业的工程实际问题，培养学生的工程意识、协作精神以及综合应用所学知识解决实际问题的能力。”《土木工程专业补充标准》要求，毕业设计（论文）的题目需结合工程，体现综合性、先进性，难度和工作量适中。

近年来，许多高校土木工程专业建筑工程方向基于建筑信息模型（简称BIM）技术开展的多专业协作毕业设计得到了广泛研究和尝试，取得了较好的效果[5-8]。不同于建筑工程方向的多专业协作模式，桥梁工程方向需要开展同专业多任务的协作模式。针对上述问题，本文以桥梁工程方向团队设计为例，将BIM技术与团队协同设计相结合，探索毕业设计新模式，以供同行参考和讨论。

一、基于BIM技术的团队协同毕业设计理念

（一）BIM技术及其发展现状

BIM技术以模型为基础，以信息技术为载体，以协同工作模式为核心，能够整合各专业、各实施阶段的信息模型，提高工程施工质量和效率，降低工程错误与成本，加快工程信息更新。BIM技术代表了先进的生产管理思想，是未来工程建设数字化转型的重要技术手段。

随着行业的不断发展，现行的毕业设计模式难以满足行业对人才的需求，存在的主要问题有：（1）选题陈旧，内容单一，学生解决复杂工程问题的能力得不到更多提升。（2）设计成果不能满足数字化转型需求。一方面，设计成果仍以传统的二维图纸为主，很多学生难以对自己“设计”的桥梁有直观的认识；另一方面，缺少直观的认识还会导致学生缺乏将实际工程问题与所学理论知识相结合的能力。（3）学生之间缺乏团队合作，导致学生之间缺乏合作和交流。团队协作能力是工科生必须加强锻炼的一项重要能力。

（二）团队毕业设计的模式理念

2019年，教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》提出了以提高课程的“高阶性、创新性和挑战度”（以下简称“两性一度”）为根本抓手，全面提升人才自主培养质量的意见。基于BIM技术的团队协同毕业设计能够较好地体现“两性一度”的特点。BIM技术的利用提升了毕业设计的高阶性和创新性。基于BIM技术的团队协同毕业设计理念如图1所示。

团队协同设计的目标是培养学生的协作精神、沟通能力以及创新精神。BIM技术是实现团队协同设计的技术手段，设计题目来源于实际工程，通过产业教授的指导、现场考察和校外实习等实践环节进一步提升学生的创新精神。

二、团队协同设计选题及实施路径

（一）团队协同设计的选题

团队毕业设计选题来源于实际工程，按照工程施工图设计流程和标准，真题真做，通过毕业设计环节培养学生的工程实战能力。课题选择的实际工程应具有一定的复杂性，能够培养学生发现问题、解决问题和综合运用所学的基础理论及专业知识的技能，能够分析桥梁工程问题，逐步熟悉行业标准和规范，完成工程师的基本训练。

本文案例选取南京市重点项目南京仙新路过江通道工程，该工程包括跨长江的主桥及三个立交节点，共包含两条主线路（东西向主线、南北向主线）以及八条匝道路（编号A至H线路），采用单环组合式全互通方案，除东南向限左转匝道外，各方向左右转均采用半定向匝道形式，空间关系极其复杂。

（二）团队协同设计的任务分配

由于本工程共包括八条匝道和两条主线高架，选取十位学生建立设计团队，每位学生负责一条匝道或主线桥梁结构设计，此部分内容作为毕业设计传统安排的工作，可进一步巩固学生大学期间所学的知识。除此以外，设置了匝道弯梁桥抗倾覆验算、参数化构件库建立、骨架线建立、BIM模型组装、BIM模型应用及成果总结等创新性工作，每位学生依据自身特长和兴趣选择成员任务。学生需要学习行业领域最新的信息模型建模技术、虚拟漫游、视频制作剪辑，通过分工协作最终完成一座完整的互通式立交桥梁的展示。

（三）团队协同设计的实施路径

协同设计模式强调设计过程中的协作意识，要求学生不仅具有独立设计的能力，且在毕业设计全阶段能保持与其他成员的有效沟通，争取达到1+1＞2的效果。协同设计作为贯穿毕业设计全过程的最重要理念，主要体现在以下方面：

1.设计前期的截面参数协同。作为一个庞大的立交工程，各条匝道及主线间的协调至关重要。这种协调不仅体现在后期模型拼配，更体现在前期截面尺寸等的拟定上。根据实际工程及相关规范，最终统一确定匝道及主线的截面尺寸，这不仅保证了各匝道截面的统一，而且为后续模型拼接奠定基础。

2.设计中期的空间关系确定。由于各匝道及主线在整体工程中拥有不同的空间位置，且后期模型拼配对坐标要求较高，在建模初始，小组成员需商讨匝道与匝道、匝道与主线之间对接的截面尺寸、角度、伸入长度等，一起确定建模坐标原点，再根据该原点确定各自模型的控制截面坐标，从而保证模型建立的准确度。

3.设计后期的拼接及渲染模型细部调整。在模型拼接时，尽管建模初期对预计发生的问题做了规避，但建立好的分段模型仍然会出现拼接准确度不够的情况。对此，每位同学均需考虑对接接口的实际情况，对相应部分负责同学进行商讨，再对自己的模型进行修改。在渲染环节，由两位同学负责渲染的总体工作，其余同学全程跟踪渲染效果的方式，并避免模型在渲染中的错位等情况。本次毕业设计的协同设计安排和集成应用如图2所示。

4.聘请校外高水平企业专家做校外导师，“双导师制”协同指导毕业设计。毕业设计过程中，由校内多名不同专业教师组成团队设计指导团队，同时聘请校外企业专家进行联合指导。整个设计过程注重产教融合，校外专家举办指导讲座多次，并组织学生到项目现场开展毕业实习，培养学生的创新能力；毕业设计过程强化就业实践，帮助学生打通从学校走向社会的“最后一公里”。

三、团队协同设计成果与创新

（一）设计成果

毕业设计团队运用BIM软件平台，在学习空间复杂线形预应力混凝土梁桥构造特性的基础上，完成了桥梁结构设计、三维模型建模及模型应用等一系列工作，主要具体成果如下：

1.基于BIM模型的协同建模与计算。团队成员基于模型开展了空间复杂线形预应力混凝土梁桥计算分析，并进行了截面承载力和变形的手算复核。根据规范对内力计算结果进行了全面的设计验算，将计算结果与设计院原始设计资料进行对比，吻合度较高，说明计算结果可靠。

2.BIM模型的建立加深了对复杂桥梁构造的理解。使用CAD软件根据计算结果进行预应力混凝土曲线梁桥的构造设计和图纸绘制，加深了对曲线梁桥构造、配束、配筋等复杂构造的认识。

3.团队协同设计提升设计效率。通过团队分工建模，分别建立空间曲线箱梁、盖梁、桥墩等局部零件模板并共享，大大加快了各联与整体模型的拼装速度。各联与整体模型的拼装具有一定的挑战性，尤其是后者需要通过知识工程模块，编写代码来提取墩号空间坐标以生成整体骨架线，并将各联的模型，通过建立在骨架线上的坐标信息自动排列装配。

4.基于BIM技术建立了精细的多匝道复杂互通立交工程的三维模型，获取了立交桥梁的互通空间效果，展现了设计桥梁与周围地形地貌的关联，漫游动画视频效果较好，如图3所示。基于BIM模型自动导出了三维工程图。建模软件具有快速导出各个截面、构件三维视角工程图的功能。施工图采用三维与二维图纸相结合，结构示意效果会比二维图纸直观。

（二）设计成果的创新性

针对复杂桥梁提出的基于BIM技术的毕业设计团队实践具有一定的挑战性，实践过程体现了“科教融合，产教融通”，取得的成果具有以下创新性。

1.根据桥梁工程专业的特点，提出了复杂桥梁团队毕业设计模式。不同于建筑工程考虑设计阶段的多专业协作模式，满足了桥梁同专业多任务的需求。

2.“科产教融合”助力团队毕业设计。设计团队所采用的BIM建模平台来源于指导教师团队的科研平台，团队指导教师利用前期科研课题积累的成果和经验对学生进行了实时、细致的指导，降低了学生学习的难度，科研反哺教学体现“科教融合”。以实际工程为依托，并引入产业教授指导，实现了“产教融通”。通过校内指导教师和校外产业教授联合指导，实现了空间关系复杂的多匝道立交桥梁设计，提升了学生融入产业发展的速度。

3.探索了BIM技术的工程应用价值，为产业培养了高素质的技术人才。以培养复合型人才为目标，充分利用智能和数字技术，努力营造支撑学生开展多维学习的环境，从而全面提升学生实践能力和创新精神；以实际工程项目为载体，采用BIM模型为数据信息载体开展数字化工程设计。设计团队不仅建立了精细的全桥三维模型，还将三维模型拓展到应用阶段、三维模型施工图出图、工程算量提取、虚拟现实，实现了BIM技术的工程实用。

4.团队协同设计体现了“两性一度”的人才培养理念。整个设计模式有一定挑战度，需要学生和教师一起努力，教师要认真花时间和精力设计课题和任务书，学生课上课下要付出更多努力以学习和思考课题。整个毕业设计过程，不仅学生觉得压力大，指导教师也有较大的负担。设计团队的学生均表现出了较好的精神状态，大家分工明确，相互帮助，最终取得七优三良的佳绩。毕业设计答辩小组教师对他们的评价是除了成果新颖、视频展示效果生动震撼，汇报还显得非常的自信，这为他们即将开始的职业生涯打下了良好的基础。

四、结束语

BIM技术作为建筑行业内一项新型的技术，将引发土木工程行业工作模式的重大变革，具有较高的经济价值和应用前景。但现阶段BIM技术在桥梁工程中的应用仍然比较局限，主要障碍是掌握该技术的人才十分缺乏。要达到比较熟练掌握BIM技术水平需要通过系统的训练，大多数技术人员缺少这样的机会。本文将BIM技术与团队协同设计相结合进行了毕业设计新模式的探索，其目的在于培养学生运用基本力学、结构理论知识和工程设计方法解决实际工程问题的能力，帮助学生熟悉并掌握桥梁设计的过程和方法，学习桥梁BIM建模方法及模型拓展应用，采用团队协同工作模式完成毕业设计，培养学生团队协作精神。利用毕业设计的机会让本科生在校期间接受一些BIM技术的基本培训，可为目前工程项目极为短缺具有BIM技能的特色人才现状提供解决方案，有助于学生在工作后面对复杂工程问题时降低畏难情绪，更为可贵的是培养了学生寻求机会、接受改变和对未来可能性持积极态度的特质，为学生的工作生涯提供了较高的起点。

参考文献：

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［8］ 张连营，马丹，郭海燕.心理资本视角下设计人员对BIM技术的变革抵制研究［J］.土木工程学报，2017，50（6）：125-132.

编辑 马花萍