基于BIM的框架結構三維虛擬建模實驗設計

姚剛+岳文峰+楊陽+張愛莉

摘要：近年來，我國土木工程施工技術有了日新月異的發(fā)展，其中最具代表性的無疑是BIM（建筑信息模型）技術。引入BIM技術為代表的虛擬現實技術作為施工教學實驗，有效地解決了開設實體施工實驗的難題。以基于BIM的框架結構三維虛擬建模實驗設計為對象，采用理論分析、實驗驗證等研究方法，設計了框架結構三維虛擬實驗方案，并編制了上機手冊、實驗任務書、實驗報告編寫指示書。通過Revit軟件虛擬創(chuàng)建信息模型的實驗教學，促進學生對BIM理論知識的理解及信息模型創(chuàng)建方法的掌握。

關鍵詞：土木工程施工 ；教學改革；BIM技術；信息模型

中圖分類號：G642.42；TU74 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）03-0091-05

一、土木工程施工課程設置虛擬教學實驗的必要性

（一）土木工程施工課程教學環(huán)境的變化

1.施工技術的快速發(fā)展

近幾年來，土木工程施工技術的發(fā)展迅速，最主要原因是本學科技術所需的跨學科基礎理論發(fā)展和對本學科的滲透，使土木工程施工技術實際融入了多種工程技術成就，特別是現代信息技術，再加上社會生產形態(tài)從粗放型向集約型方式的轉換，施工技術呈現精細化的發(fā)展趨勢，土木工程施工課程教學環(huán)境也必須做出相應的變化。

2.土木工程施工教學加入虛擬實踐操作環(huán)節(jié)

建筑市場的變化使建設行業(yè)對人才呈現多樣性的需求，因此需要學校培養(yǎng)具有較強動手能力、較寬知識面的學生。近年來，高校在課程設置、課程內容、教學方法等方面進行了大膽的探索，并取得了顯著效果。但土木工程施工課程的教學方法基本上采用“教師講，學生聽”的教學方法，不利于調動學生的學習主動性、積極性和創(chuàng)造性[1]?，F如今的實踐教學培養(yǎng)模式存在著一些問題：一是專業(yè)課實驗教學，基本上是以驗證性實驗為主，而綜合性實驗和開放性實驗相對較少；二是實踐教學內容單一陳舊，脫離社會實踐的現實需要[2]。為解決上述問題，對虛擬教學課程設置體系進行了較大調整，在課時總數不變的情況下，加入虛擬實踐操作環(huán)節(jié)，既解決了施工實驗短期內無法完成的難題，又為專業(yè)課程所必須的實踐操作環(huán)節(jié)提供有效支持，彌補了課堂教學的不足，增強學生的動手能力及對專業(yè)知識的學習興趣，提高了教學質量。

3.建設行業(yè)對掌握建筑信息化（BIM）技術的專門人才需求

在不斷強化以人為本的教育理念前提下，市場對人才的需求促使高校教育向多樣性和市場化方向發(fā)展。教師也應給予學生學習的主動權，使學生有積極的精神狀態(tài)和學習行為，真正成為學習的主人[3]。根據土木工程專業(yè)人才市場的要求，本專業(yè)培養(yǎng)的學生不僅能從事傳統的工業(yè)與民用土木工程施工，而且應具有目前社會上最新的施工技術，這樣才能在社會工作中處于主動地位。因此，新的培養(yǎng)目標要加強基礎、拓寬專業(yè)知識，學生不僅要掌握傳統的土木工程施工技術專業(yè)知識，還要掌握與本學科有關的已經或即將應用的新設備、新產品和新技術，目前從國家到地方政府都出臺了推進建筑信息化的相關政策文件，國家及地方信息化標準正相繼頒布實施，可以說，建筑信息化貫穿于規(guī)劃、設計、施工、運維的全過程。然而，現在的推進工作受制于人才，所以增加虛擬實驗內容，使學生在短時間內掌握建筑信息化的相關知識，對解決信息化建設人才匱乏短板，提高學生的就業(yè)率具有重要意義。

（二）土木工程施工課程教學面臨的矛盾

傳統的應試教育重知識灌輸而忽略了獲得知識的方法，而事實上，獲得知識的方法乃教育之本，學習的真諦在于學會如何學習 [4]?，F代教學情境的變遷使目前土木工程施工課程教學面臨著諸多矛盾，主要表現在以下幾方面。

（1）土木工程施工新技術的發(fā)展與本課程教材相對落后間的矛盾。

（2）土木工程施工技術內容的豐富與本課程課堂教學學時相對不足的矛盾。

（3）大眾化教育和人才多樣性要求與傳統 “接受性學習”課堂教學模式的矛盾[5]。

二、基于Revit的框架梁、柱虛擬建模實驗設計基本原理

（一） 虛擬建模實驗設計的基本方法

虛擬建模是在土木學院的虛擬仿真信息化實驗室硬件支持下，通過教師講解和示范，以混凝土矩形梁、柱為例，創(chuàng)建一個混凝土梁、柱族，并將載有相應信息的族載入到模型中。從基本術語、基本命令等方面介紹族和項目的基本知識，為深入學習Revit的后續(xù)知識奠定堅實的基礎。

（二） 虛擬建模實驗設計的基本原則

（1）Revit基本術語，完成對Revit族編輯界面的認識，包括功能區(qū)、應用程序菜單、工具欄、項目瀏覽器、狀態(tài)欄、屬性對話框、View Cube等。

（2）基本命令和基本圖元命令。

（3）實現建筑基本模型——梁、柱構件族的建立。

（4） Revit參數化、信息化的由來。

（三）土木工程施工課程教學與“虛擬建模實驗”的有機結合

土木工程施工課程內容具有很強的專業(yè)性。學生雖然在日常生活中經常接觸到建筑施工技術，但是對于專業(yè)知識的認知很淺。通過虛擬建模實驗，使課堂教學和現場實踐高度結合，通過上機操作達到虛擬仿真的效果，使知識獲得更加形象。

虛擬建模實驗通過上機操作，讓學生在更加廣闊的空間吸取知識，打破了傳統學科一貫以教材為主的課程教學形式，充實了教材內容，彌補土木工程施工教材相對滯后的情況。

通過上機操作，學生對土木工程施工產生直觀認識，達到了人才培養(yǎng)目標的要求。虛擬建模實驗主張學生自己動手，熟悉軟件和操作命令，有目的進行操作，這樣在教學上更加注重學生的直接經驗。課堂教學和上機教學相輔相成，使課堂教學在教學空間上得到延展和豐富，上機教學鞏固了課堂教學所獲得的知識[6]。

建筑施工技術一直處在高速發(fā)展的階段，新技術和新工藝層出不窮，掌握最新的技術才能使學生在將來的工作中掌握主動權。而虛擬建模實驗則是基于當前行業(yè)應用最具潛力的BIM技術，這也是對土木工程施工課程前沿性教學極大的補充。

三、 基于Revit的框架梁、柱虛擬實驗構建

（一）實驗教學內容

Revit是為建筑信息模型（BIM）而設計的系列軟件，包括建筑、結構及設備相關的功能模塊，為建筑工程行業(yè)提供BIM解決方案。以框架梁或柱為例，講述如何創(chuàng)建混凝土梁族或柱族，將從基本術語和命令等方面介紹族設計的基本知識，為深入學習Revit的后續(xù)知識奠定基礎。步驟如下：

第一， Revit新建族樣板文件，建立不同的鋼筋形狀族以便后期載入到模型中，包括鋼筋的模型創(chuàng)建和族類型、族參數、族類別的基礎信息建立。

第二，Revit新建族樣板文件，建立不同的框架梁柱族以便于后期載入到模型中，包括框架梁、柱的模型創(chuàng)建和族類型、族參數、族類別的基礎信息建立。

第三，Revit新建建筑項目，把框架梁、柱族和鋼筋族分別載入模型項目，通過定義相應的族參數實現結構梁構件的建立。

通過以上3個步驟的學習，初步認識了Revit軟件，實現構件基本模型——梁、柱構件族的建立，并掌握Revit的參數化、信息化理念，體會建筑信息的關聯功能。

（二）實驗步驟及方法

1.受力鋼筋族創(chuàng)建

繪制鋼筋形狀，創(chuàng)建的過程需要用到“放樣”的命令，“放樣”是用于創(chuàng)建需要繪制或應用輪廓（形狀）并沿路徑拉伸此輪廓的族的一種建模方式。

創(chuàng)建受力鋼筋族過程，在族類型名稱建立之后，創(chuàng)建族類型對話框，如圖1。

在創(chuàng)建受力鋼筋族過程中，需要將添加的族參數與模型關聯。圖2和圖3、圖4和圖5表示族參數實現關聯的過程。

圖5 鋼筋直徑d關聯結果在族類型對話框中實現族參數之間的關聯，如圖6。

得到關聯之后的鋼筋受力族，信息模型如圖7。該模型通過族參數之間的關聯，滿足鋼筋的施工構造，實現BIM技術參數化的優(yōu)勢。

2.梁柱信息模型的創(chuàng)建

Revit創(chuàng)建梁柱信息模型的過程，實質是將系統族組合到項目樣板文件成為一個項目，梁柱信息模型創(chuàng)建過程如下：

（1）梁或柱族的導入，如圖8。

（2）鋼筋形狀族的導入，如圖9。

（3）梁信息模型建立，如圖10。

（4）柱信息模型建立，如圖11。

（三）實驗作業(yè)布置

課程實驗作業(yè)應與實驗上機操作相輔相成，使之成為課堂知識點的擴展。具體實施方法是通過給出實驗模型的信息，通過Revit軟件來實現模型的建立并完成實驗報告。

1. 實驗模型

鋼筋混凝土簡支梁，跨度為6 m，結構安全等級為Ⅱ級，混凝土強度等級C30及HRB400級鋼筋，截面尺寸為200×500 mm，縱向受力鋼筋為3根直徑18 mm的鋼筋，箍筋選用φ6@200，架立筋為2根14 mm鋼筋。某多層鋼筋混凝土框架房屋底層中柱的底層層高為3.3 m，基礎頂面標高為-0.3 m，結構安全等級為Ⅱ級，混凝土強度等級C30及HRB400級鋼筋，截面尺寸為300×300 mm，縱向受力鋼筋采用4根18 mm鋼筋，箍筋選用φ6@200。

2. 實驗報告撰寫要求

實驗報告包括實驗名稱、實驗目的、實驗原理、實驗過程、實驗心得等內容。

實驗報告要求書寫完整，體現出構件族建立的過程，配合相應的截圖和文字描述。

需提交的模型包括“鋼筋族”和“建筑模型”，鋼筋族的命名方式為“縱向受力鋼筋”，模型的命名方式為“梁模型”或者“柱模型”。

（四）考核方式

與以上實驗實施方案對應的是學生多元化評價體系的建立及執(zhí)行。一是通過學生在上機實驗課中的表現來判斷，如是否認真參加每一次的上機操作，是否認真完成Revit軟件的操作，是否與教師上課形成良好的互動，將這些表現情況計入平時成績。二是根據學生提交的信息模型來進行判斷，如族參數的關聯函數、建筑模型受力鋼筋和箍筋的布置是否符合規(guī)范要求，模型的視覺樣式，實驗報告的撰寫情況等，將這些表現計入最終成績。

虛擬建筑模型在土木工程施工教學改革的實施，提高了學生的學習興趣和上機操作水平，拓展了學生的思維領域，達到了全面培養(yǎng)學生素質的目標，受到廣大學生的好評。同時也完善了優(yōu)質課程的建設，充分發(fā)揮優(yōu)質課程優(yōu)勢，增強了土木工程施工課程特色，但仍然在很多方面存在不足，計劃下一步工作是實現建筑、結構和設備三個階段的實驗教學，使學生掌握建設項目三個階段的學習內容，應用BIM于建筑全生命周期，為學生進入工作崗位提供有力的技術支持。

參考文獻：

[1] 田江永.《建筑施工技術》課程教改的探討[J].時代教育：教育教學版，2008（6）：136-137.

[2] 孫楠，劉東，汪志君.土木工程專業(yè)多樣化實踐教學模式的構建與實踐[J].高等建筑教育，2009，18（3）：108.

[3]陳鵬，曹雨.“建筑施工技術”課程教改探究[J].中國建設教育，2015（6）：27-28.

[4] 韓慶祥.素質教育的本質：能力教育[J].高等教育研究，2000，21（4）：23-26.

[5] 卜延森.在《建筑施工》教學中實施任務引領學習[J].才智，2010（31）：245-246.

[6]吳蔚.改革建筑學專業(yè)的建筑技術課之淺見——以“建筑設備”教改為例[J].南方建筑，2015（2）：62-67.

[7]吳蔚，董姝婧.建筑技術課程中能耗模擬軟件Ecotect教學探討[J].建筑學報，2012（S2）：186-188.