土木工程專業(yè)教學(xué)中BIM技術(shù)的應(yīng)用
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摘要:文中結(jié)合土木工程專業(yè)課程教學(xué)特點，在土木工程各專業(yè)課程教學(xué)中利用bim技術(shù)輔助各專業(yè)課程教師講解工程結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、施工工藝、施工進度、施工現(xiàn)場平面布置以及工程質(zhì)量、成本方面的控制等相關(guān)基本知識，探索和分析BIM技術(shù)在土木工程專業(yè)教學(xué)中應(yīng)用的意義。目的是解決土木工程專業(yè)教學(xué)中的難點和重點問題，加強學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)認知與技能訓(xùn)練，以達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:BIM技術(shù);土木工程;應(yīng)用
住建部通知建質(zhì)［2011］67號文中關(guān)于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在《2011—2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中提出，“十二五”期間，基本實現(xiàn)建筑企業(yè)信息系統(tǒng)的普及應(yīng)用，加快建筑信息模型(BIM)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作等新技術(shù)在工程中的應(yīng)用，推動信息化標準建設(shè)，要加快建設(shè)信息模型(BuildingInformationModeling)新技術(shù)在工程中的應(yīng)用的總目標。強調(diào)加快推廣BIM等有關(guān)項目管理技術(shù)在工程勘察設(shè)計、施工和工程項目管理中的應(yīng)用，改進傳統(tǒng)的生產(chǎn)與管理模式。BIM技術(shù)是工程建筑管理中有效管理技術(shù)手段，作為高校工程類專業(yè)，更應(yīng)將BIM技術(shù)普遍應(yīng)用到教學(xué)中，能有效提升學(xué)生的專業(yè)知識，能增強學(xué)生的職業(yè)競爭力。BIM技術(shù)以其獨有的專業(yè)性為土木工程專業(yè)教學(xué)提供新的發(fā)展技術(shù)平臺。
一、土木工程專業(yè)的特點
土木工程的建造一般要經(jīng)過勘察、設(shè)計、招投標、施工等階段，教學(xué)中涉及的專業(yè)課程有工程水文地質(zhì)勘察、工程測量、土力學(xué)、工程力學(xué)、工程設(shè)計、招投標、建筑材料、工程經(jīng)濟學(xué)、土木工程施工、工程項目管理等學(xué)科。涉及的課程內(nèi)容多，范圍廣，因而土木工程是涉及多學(xué)科的綜合性專業(yè)，這些專業(yè)課程與BIM有一定的相關(guān)性。
二、高校BIM技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀分析
BIM技術(shù)將以往的線條式的構(gòu)件形成一種三維的立體實物圖形展示在人們的面前，在建筑業(yè)得到廣泛應(yīng)用，越來越多的高校將BIM技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)和研究中，并成立BIM研究中心，使學(xué)生通過建筑模型很直觀的看到設(shè)計、施工、管理過程中應(yīng)該注意的問題。致力于這方面的研究，充分調(diào)動了在校大學(xué)生的學(xué)習(xí)與探究的興趣。但在教學(xué)層面，目前很多高校開設(shè)與BIM相關(guān)軟件的課程，但是教學(xué)質(zhì)量整體有待提高。目前工程建設(shè)行業(yè)的信息化已迎來全面提升的時期，BIM技術(shù)應(yīng)用在高校也將作為一項重要研究課題。教學(xué)方式的改革也將進一步的推動實踐教學(xué)和人才培養(yǎng)模式的革新。BIM技術(shù)在各高校內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展仍處于初級階段，BIM技術(shù)應(yīng)用比重逐步擴大，未來BIM技術(shù)的發(fā)展還有很長的路要走［1］。
三、BIM技術(shù)引發(fā)高校的教學(xué)改革
(1)教學(xué)目標改革。設(shè)置BIM相關(guān)課程內(nèi)容時，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的課程，如房屋建筑學(xué)、工程項目管理、建筑制圖、CAD教學(xué)、施工技術(shù)，上述課程內(nèi)容可以滲入BIM的教學(xué)中去。因此，BIM教學(xué)目標是要將BIM技術(shù)融入土木工程專業(yè)教學(xué)體系，增強學(xué)生對專業(yè)知識的理解，提高教學(xué)質(zhì)量，提高實踐能力［2］。(2)教學(xué)模式改革。BIM的教學(xué)模式有別于其他專業(yè)課，基于BIM人才培養(yǎng)不僅會軟件，還要注重思維能力、動手能力及分析問題和解決問題方面能力的培養(yǎng)，因此在教學(xué)改革中，注重課程教學(xué)模式，制定具有土木特色的BIM專業(yè)人才培養(yǎng)方案，對課程進行綜合以適應(yīng)信息化與科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的時代。(3)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。理論教學(xué)方面，以BIM技術(shù)作為教學(xué)載體，講解數(shù)據(jù)集成技術(shù)概念及開發(fā)和集成方法，介紹組織集成和過程集成模型的方式，以及BIM信息集成平臺技術(shù)和BIM生命周期不同階段的信息流積累過程。講解可視化技術(shù)，介紹BIM數(shù)字化模型的可視化設(shè)計和管理原理。案例教學(xué)方面，根據(jù)目前BIM的主要應(yīng)用領(lǐng)域，結(jié)合實際學(xué)生就業(yè)情況，可通過對支持BIM的多種設(shè)計軟件的介紹，并輔以實際項目工程BIM案例和學(xué)術(shù)講座來滿足學(xué)生對實際應(yīng)用技能學(xué)習(xí)的需求，讓學(xué)生充分了解工程項目的各項施工工序和各個部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以加深學(xué)生對工程項目設(shè)計與施工過程的認識，進一步增強學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。(4)豐富教學(xué)方法。科學(xué)合理的教學(xué)方法是提高教學(xué)成效的關(guān)鍵，加強BIM專業(yè)教師的培養(yǎng)。選用專業(yè)特色的、更加適合BIM軟件教學(xué)的教材。高?？梢酝ㄟ^組織專業(yè)知識培訓(xùn)、專家講座、建模大賽、與企業(yè)進行交流合作、與相關(guān)軟件公司進行合作的方式提高BIM技術(shù)專業(yè)教學(xué)水平。
四、BIM技術(shù)在工程專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用分析
(一)在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)代建筑越來越復(fù)雜，技術(shù)要求越來越高，掌握建筑基本構(gòu)造和基本設(shè)計方法，對于學(xué)生而言理解起來有一定的難度;土木工程施工過程是一項十分復(fù)雜的活動，施工過程是一個將平面設(shè)計方案圖紙轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw空間實際物體的創(chuàng)作過程，具體表現(xiàn)為技術(shù)方法、施工工藝等，這個過程在教學(xué)中難以準確描述，對于學(xué)生來說難以理解與掌握。房屋建筑學(xué)、施工技術(shù)等專業(yè)課程利用BIM三維模型，模擬真實的過程，達到可視化的施工效果，通過施工模擬使學(xué)生了解工程基本結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、實際施工方法的選擇、材料的選用等［3］。學(xué)生自己動手操作進行建筑工程信息建模，系統(tǒng)以互動式三維動畫、視頻、圖片、文字為基礎(chǔ)，將工程的建筑、結(jié)構(gòu)、施工方法展現(xiàn)在眼前，使學(xué)生熟悉建筑物的結(jié)構(gòu)特點、主要工藝流程、技術(shù)要點，從而掌握工程專業(yè)技能。將BIM技術(shù)用于專業(yè)課程教學(xué)上，能實時、直觀地顯示結(jié)構(gòu)性質(zhì)、施工過程的實際情況，有助于學(xué)生全面了解建筑物的三維立體圖像、工藝流程和施工方案、施工方法等。使抽象復(fù)雜的施工周期長的施工過程濃縮在形象逼真的動畫演示中，學(xué)生從定性分析和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中獲得對施工過程控制方法、施工方案的感性及理性認識，進而對工程專業(yè)性較強的某些難以理解的概念進行深化，教師結(jié)合實際的教學(xué)需求，最大限度地發(fā)揮資源的優(yōu)勢，提高教學(xué)效果。使課程中的難點和重點等不易掌握的知識通過BIM技術(shù)得以解決，并能產(chǎn)生新的構(gòu)思和創(chuàng)意。
(二)在施工組織管理教學(xué)中的應(yīng)用施工組織管理主要涉及到施工部署、施工進度計劃的確定、施工現(xiàn)場的平面布置、質(zhì)量要求、工期目標、安全目標等內(nèi)容，涉及到大量的人員、設(shè)備和材料。這部分理論知識內(nèi)容多，不易理解，這也是教學(xué)中的重點和難點。因此如何保證工程工期，并合理的分配企業(yè)的勞動力、物力和財力等資源，做到人盡其力、物盡其用是教學(xué)中的重要內(nèi)容。施工進度管理方式主要以數(shù)據(jù)為主，通過橫道圖、網(wǎng)絡(luò)圖等圖表方式展現(xiàn)施工進度計劃安排。教學(xué)中以圖表形式來表達，數(shù)據(jù)量大，課時有限，難以描述。將BIM技術(shù)引入到施工進度管理教學(xué)中，將傳統(tǒng)的施工進度計劃表轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫，將三維模型與數(shù)據(jù)庫中的信息鏈接起來，能實現(xiàn)對建筑工程施工進度計劃的三維動態(tài)模擬，以圖形、可交互的方式幫助學(xué)習(xí)者進行施工進度管理方面的學(xué)習(xí)。對項目各施工階段的勞務(wù)、材料、設(shè)備等需用量進行計算、模擬和優(yōu)化，建立人工、材料和機械的需求計劃，從而形成項目的成本計劃，通過BIM5D模型可以自動提取材料需求計劃［4］。施工現(xiàn)場規(guī)劃布置能夠減少作業(yè)空間的沖突，能夠合理優(yōu)化利用空間。隨著工程主體建造的進展施工空間不斷的發(fā)生變化，現(xiàn)場工人工種增多，工作面減小，影響工人的工作效率和施工安全。若通過BIM5D模型可視化模擬工人的施工，可以形象地看到現(xiàn)場各工種工人工作面、材料堆放、施工機械位置的情形，能夠有效地對施工中這些工作空間的可用性、安全性做出判斷。如塔吊布置利用BIM技術(shù)可視化模擬，塔吊位置的確定與塔吊旋轉(zhuǎn)半徑、覆蓋施工樓層面積、現(xiàn)場材料堆放、施工道路、材料裝卸及材料加工場地有直接關(guān)系;利用BIM5D技術(shù)模擬塔吊與擬建建筑物、材料運輸車輛卸貨位置是否滿足現(xiàn)場布置;以及現(xiàn)場材料堆場布置與塔吊、施工機械(混凝土攪拌機)、施工道路布置，其相互間位置是否合理，是否出現(xiàn)材料二次運輸問題等;施工現(xiàn)場整體規(guī)劃是否合理與施工現(xiàn)場道路位置、材料堆放的位置、起重機械的位置及危險區(qū)域有關(guān)，如何確保工程施工用料在起重機械安全有效范圍作業(yè)，是管理者重視的內(nèi)容，也是教學(xué)的重要內(nèi)容，通過BIM5D模擬施工現(xiàn)場可以直觀地協(xié)助教師分析現(xiàn)場的情況，找出潛在的問題，將教學(xué)內(nèi)容滲透于其中，有利于提高學(xué)習(xí)效率、加深學(xué)習(xí)者的印象。同時可以將施工現(xiàn)場布置中存在的漏洞、缺陷及時反映出來，對學(xué)習(xí)者有幫助和輔導(dǎo)意義。
(三)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計、施工組織課程設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的“切入點”，是理論過渡到實際的橋梁。對學(xué)生理解知識點，以及理論與實踐相結(jié)合有著很強的促進作用。畢業(yè)設(shè)計涉及房屋建筑學(xué)、CAD繪圖、工程結(jié)構(gòu)、工程施工技術(shù)、工程項目管理、工程計量與計價等專業(yè)課程。設(shè)計過程中學(xué)生使用Revit軟件進行建筑、結(jié)構(gòu)建模，得到一個比較完整的建筑物模型。將書中單個詳圖和二維圖紙通過Revit軟件相對應(yīng)的構(gòu)建起建筑物的三維立體圖像，可以對整體的建筑構(gòu)件的相互位置、尺寸、形狀有更清晰的認識。通過利用三維模型進行有效模擬，充分實現(xiàn)可視化的施工效果，使學(xué)生對施工技術(shù)和施工工藝方法、材料選用有了真正意義上的理解。另外利用BIM5D技術(shù)通過定量計算與定性分析相結(jié)合，進行各種模擬分析，再加上時間維度、模擬施工進度，能夠有效地把整體的施工進度和工程成本與三維模型進行有針對性的關(guān)聯(lián)和整合。模擬計算和優(yōu)化人工、材料和機械的需求計劃，能夠有效明確項目的成本計劃和進展程度，增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的形象性和趣味性，進而實現(xiàn)模擬訓(xùn)練，以調(diào)動學(xué)生積極主動性。
五、結(jié)語
BIM技術(shù)作為現(xiàn)代工程類專業(yè)人才必備的技能，對專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。應(yīng)該不斷進行BIM技術(shù)教學(xué)模式的改革，最大可能地應(yīng)用BIM技術(shù)發(fā)揮其真正的優(yōu)勢。
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作者：鄭少瑛 周東明 張玉香 單位：青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院
