BIM與VR技術(shù)在土木工程施工教學(xué)改革中的探索與實踐

陸海燕 鮑文博 寧寶寬

摘要：BIM與VR技術(shù)通過數(shù)字化，將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等融入建筑的設(shè)計、施工及運維中，引領(lǐng)建筑業(yè)的技術(shù)變革。BIM與VR技術(shù)的普及對土木類本科教學(xué)提出了新的要求，高等學(xué)校加強BIM與VR技術(shù)方面人才的培養(yǎng)已成為必然。文章介紹了BIM與VR技術(shù)應(yīng)用狀況，在總結(jié)目前土木工程施工教學(xué)模式所面臨問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國現(xiàn)行土木工程類專業(yè)施工課程教學(xué)模式，構(gòu)建了基于BIM與VR技術(shù)的仿真教學(xué)系統(tǒng)，對土木工程施工教學(xué)改革方法進行了探索和實踐。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；VR技術(shù)； 土木工程； 教學(xué)改革

中圖分類號：TU17；G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2018）05-0127-05

BIM與VR技術(shù)作為建筑信息化發(fā)展的方向，將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等融入建筑的設(shè)計、施工及運維中，對土木工程專業(yè)本科培養(yǎng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。學(xué)生不僅要掌握傳統(tǒng)計算機程序設(shè)計和工程管理技術(shù)，還要掌握三維可視化的BIM技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。在土木工程施工課教學(xué)中引入BIM與VR技術(shù)，不但可以提高學(xué)習(xí)效果，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更為重要的是通過VR技術(shù)的交互體驗增加學(xué)生在施工管理中的實踐能力和存在感。目前，將BIM技術(shù)與土木工程專業(yè)課程相結(jié)合，國內(nèi)許多學(xué)者進行了探索與實踐[1-2]。但是，尚未見將BIM與VR技術(shù)融入土木工程施工課程教學(xué)的研究。文章針對土木工程施工課程教學(xué)存在的問題，探索和實踐了BIM與VR技術(shù)在土木工程施工中的教學(xué)模式。

一、BIM與VR技術(shù)

BIM的全稱為“建筑信息模型”，是Building Information Modeling 的縮寫。BIM的核心思想是以一定的參數(shù)化方式，通過數(shù)據(jù)描述建筑并記錄相應(yīng)的信息。在BIM中模型是載體，信息是靈魂，參數(shù)化是手段。BIM的三維可視化極大地方便了設(shè)計、施工及運維管理，拉進了設(shè)計與使用之間的距離，真正做到了“所見即所得”。BIM技術(shù)使施工和運維做到了實時再現(xiàn)，材料的采購、人員調(diào)度、機械使用等信息與施工場景密切相關(guān)，信息不再孤立。BIM與大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合為互聯(lián)網(wǎng)上的招投標(biāo)、材料運輸及成本控制提供了精細(xì)化的數(shù)據(jù)支持。BIM技術(shù)的數(shù)字化為運營管理中移動虛擬辦公提供了模型資源，促進了工程管理中的電子化和信息化。BIM是數(shù)字技術(shù)在建筑工程全壽命周期管理中的直接應(yīng)用，以解決建筑工程在立項、設(shè)計、施工、運營及維護中模型與信息共享問題 [3-4]。作為建筑行業(yè)一場技術(shù)革命，BIM技術(shù)在中國得到了廣泛的推廣[5] 。

建設(shè)部為適應(yīng)BIM技術(shù)的發(fā)展，先后出臺了《2011—2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》和《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，明確了BIM技術(shù)作為建筑業(yè)發(fā)展的目標(biāo)與方向。各省市先后制定了本地區(qū)的BIM發(fā)展綱要，成立國家和區(qū)域性的BIM發(fā)展聯(lián)盟。工信部與圖象圖形學(xué)學(xué)會等推出了BIM全國職業(yè)等級考試，以促進BIM人才的培養(yǎng)。中國的許多高校和建筑企業(yè)也相繼成立了BIM研究所和BIM研究中心。然而，在推廣BIM技術(shù)的過程中一個亟待解決的問題就是 BIM人才培養(yǎng)滯后[6]。高等學(xué)校加強BIM技術(shù)方面人才的培養(yǎng)已成為必然。

VR全稱“虛擬現(xiàn)實”，是Virtual Reality 縮寫。VR就是指用計算機圖形技術(shù)模擬生成現(xiàn)實世界中的場景，再通過一定設(shè)備將人“投入”到場景中，增強沉浸式和交互式感覺，通過VR技術(shù)的沉浸式和交互式，讓用戶有種身臨其境的感覺 [7-8]。目前，VR在建筑工程的方案設(shè)計、項目展示、安全培訓(xùn)、虛擬施工及虛擬家裝等方面得到了廣泛應(yīng)用。

BIM技術(shù)強調(diào)模型的建立、可視化和信息的附加，而VR技術(shù)強調(diào)虛擬交互與虛擬體驗，BIM技術(shù)為VR技術(shù)提供了必要的場景資源及數(shù)據(jù)信息，VR技術(shù)為BIM推廣應(yīng)用提供了可視化的交互應(yīng)用平臺。

二、現(xiàn)階段土木工程施工課程教學(xué)模式

土木工程施工課程是本科階段非常重要的一門實踐應(yīng)用專業(yè)課，具有很強的理論性和實踐性，涉及知識繁雜。在教學(xué)中通常采用視頻及動畫方式來激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知能力，再通過課程設(shè)計及施工實習(xí)加強理論課的學(xué)習(xí)，其效果往往不盡如人意。這種相互脫節(jié)的理論學(xué)習(xí)、課程設(shè)計和施工實習(xí)的三階段教學(xué)模式存在以下一些問題。

（1）學(xué)生的理論學(xué)習(xí)過于單調(diào)，學(xué)生很難與實踐相結(jié)合，完全是一種被動的學(xué)習(xí)，積極性不強，因此，理論知識掌握較差。

（2）目前，一些高校普遍存在施工實習(xí)困難的問題，缺乏施工實習(xí)環(huán)節(jié)。一方面，實習(xí)單位不愿意接收學(xué)生實習(xí)，擔(dān)心學(xué)生的進入會影響現(xiàn)場正常工作，甚至?xí)戆踩[患，另一方面，學(xué)校經(jīng)費有限，無法支持學(xué)生較長時間的實習(xí)費用。因此，通常是教師帶領(lǐng)學(xué)生，到幾個工地參觀一下，請工地技術(shù)負(fù)責(zé)人現(xiàn)場講解，施工實習(xí)就算結(jié)束。學(xué)生在施工現(xiàn)場時間短，無法系統(tǒng)地了解施工工藝流程及工程管理方法。

（3）在施工課程設(shè)計中，學(xué)生由于缺乏實踐認(rèn)識，只是機械地模仿，實踐能力差，甚至簡單的施工場地布置都做不好，工程量計算、施工機械設(shè)備的選擇、施工進度的安排等知識不足。

（4）一些學(xué)校，按照一定比例建造了大型施工實訓(xùn)室，教師在實訓(xùn)室內(nèi)教學(xué)，一定程度上補充了施工實習(xí)的不足。但由于實物模型是靜態(tài)的，且缺乏具有實際經(jīng)驗的教師講解，學(xué)生難于將模型和生產(chǎn)過程結(jié)合在一起，動手和實踐能力也得不到提高。

BIM技術(shù)具有可視化的特點，而VR技術(shù)具有沉浸效果，且交互能力強。BIM技術(shù)除應(yīng)用于建筑模型外，還可廣泛應(yīng)用于施工現(xiàn)場管理。以往的施工現(xiàn)場在圖紙上只由簡單幾何形狀和文字構(gòu)成，而在BIM軟件中，施工現(xiàn)場的各個細(xì)節(jié)全部展現(xiàn)出來，包括生活區(qū)的宿舍、衛(wèi)生間、食堂等臨時樓房的尺寸、施工作業(yè)棚的尺寸和現(xiàn)場施工宣傳語的位置和內(nèi)容等。通過BIM模型庫的建立，可將施工中涉及的施工機械、施工暫設(shè)房、模板腳手架等常用模型均包括在內(nèi)。將建好的施工BIM模型轉(zhuǎn)入VR系統(tǒng)，通過VR交互式操作，可以完成施工現(xiàn)場的沉浸體驗、施工進度模擬、關(guān)鍵工藝虛擬模擬、施工現(xiàn)場漫游等。漫游包括施工現(xiàn)場的漫游和主體工程內(nèi)部漫游，這些功能也在一定程度上幫助學(xué)生檢查施工現(xiàn)場布置的合理性，實時掌握施工工序安排、材料調(diào)配、機械設(shè)備及人員的使用情況。因此，把BIM與VR技術(shù)引入土木工程施工課程教學(xué)中，解決傳統(tǒng)分離式教學(xué)帶來的不足。

三、BIM與VR仿真教學(xué)系統(tǒng)

為促進BIM和VR技術(shù)在土木工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，學(xué)院BIM中心通過主流的BIM軟件和VR軟件的二次開發(fā)，自主研發(fā)了土建類專業(yè)BIM與VR仿真教學(xué)平臺系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該仿真實訓(xùn)平臺系統(tǒng)主要由BIM建模模塊、VR制作模塊及項目全壽命周期管理虛擬平臺3部分組成。每個模塊相對獨立，其下都設(shè)有若干子模塊。BIM建模模塊主要完成CAD標(biāo)準(zhǔn)化圖轉(zhuǎn)成BIM模型，再將做好的BIM模型以FBX格式導(dǎo)入VR軟件，進入VR制作模塊，完成各相應(yīng)子模塊的虛擬場景搭建，最后將虛擬場景發(fā)布到項目全壽命周期管理虛擬平臺上，可通過網(wǎng)頁、移動設(shè)備或臺式機對項目進行虛擬交互管理。

四、BIM與VR技術(shù)在土木工程施工課程教學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)合BIM與VR技術(shù)及土木工程施工課程教學(xué)中存在的問題，提出將BIM與VR技術(shù)引入到施工課程教學(xué)中，具體做法如下：

1.構(gòu)建教學(xué)資源BIM模型

施工課程以一個具體的虛擬工程案例為依托，需要有完整虛擬工程的BIM模型。施工課程中涉及基礎(chǔ)工程、主體工程以及裝飾裝修工程，因此，BIM模型還應(yīng)包括基礎(chǔ)工程涉及的土方模型、邊坡模型、各種基礎(chǔ)模型及機械運輸設(shè)備等，主體工程中涉及構(gòu)件詳細(xì)模型、模板及腳手架等，裝飾裝修工程涉及裝飾構(gòu)件詳細(xì)模型、建筑設(shè)備及門窗等BIM模型。這些模型資源可通過CAD課和BIM課的學(xué)生作品得到，也可以通過網(wǎng)上查找。

2.施工教學(xué)關(guān)鍵虛擬場景設(shè)計

根據(jù)施工的具體特點，可分為施工場地布置場景、基礎(chǔ)施工場景、主體工程模擬場景以及裝飾裝修工程場景，對每一教學(xué)場景結(jié)合理論知識講解，制定出詳細(xì)的實施方案及評分標(biāo)準(zhǔn)。

3.施工關(guān)鍵虛擬場景的認(rèn)知學(xué)習(xí)

在教學(xué)中結(jié)合場景與實際工程情況，將學(xué)生分成若干組，組內(nèi)成員又可分為項目負(fù)責(zé)人、技術(shù)負(fù)責(zé)人、工長等角色，學(xué)生根據(jù)自己的角色合作完成關(guān)鍵虛擬場景設(shè)計。在實施過程中根據(jù)教學(xué)進度，采用BIM與VR仿真教學(xué)系統(tǒng)，完成各階段的認(rèn)知學(xué)習(xí)。圖4的土方施工場景和圖5的主體工程模擬場景為學(xué)生施工課程中的部分成果。

通過BIM與VR技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生不再簡單地被動學(xué)習(xí)，而是結(jié)合理論和實踐教學(xué)，自主創(chuàng)建和搜集相應(yīng)的BIM模型資源。特別是在VR場景設(shè)計階段，團隊成員角色明確、分工協(xié)作，較好地完成VR施工現(xiàn)場的場景。通過VR沉浸式體驗，學(xué)生不但體驗虛擬現(xiàn)實中的場景，而且能發(fā)現(xiàn)施工方案的優(yōu)點與不足，這些在傳統(tǒng)教學(xué)模式中是無法得到的。通過BIM與VR技術(shù)，學(xué)生將所學(xué)的知識即刻應(yīng)用，做到了所學(xué)即所用，實踐內(nèi)力和創(chuàng)新內(nèi)力得到了提高，同時對BIM與VR技術(shù)有了較深的理解。

五、結(jié)語

實踐證明，文章建立的基于BIM與VR技術(shù)的虛擬仿真平臺能讓學(xué)生了解并運用BIM與VR技術(shù)，同時激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。在施工課程教學(xué)的理論和實踐環(huán)節(jié)中應(yīng)用BIM與VR技術(shù)是土木工程施工教學(xué)的新突破。通過BIM與VR技術(shù)的引進，既可以解決新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合問題，又可以節(jié)約教學(xué)資源，解決施工實習(xí)資源短缺的問題。

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Abstract： BIM and VR technology integrate big data， internet and cloud computing into building design， construction and operation through digitization， and lead the technological change of construction industry. The popularization of BIM and VR technology puts forward new requirements for civil engineering undergraduate teaching， and its inevitable for colleges and universities to strengthen the training of talents with BIM and VR technology. This paper introduces the application status of BIM and VR technology. Based on a summary of the problems faced by the current teaching mode of civil engineering construction， combined with the teaching mode of civil engineering construction course in China， it builds a simulation teaching system based on BIM and VR technology， and explores and implements the teaching reform method of civil engineering construction.

Key words： BIM technology； VR technology； civil engineering； teaching reform

（責(zé)任編輯 周 沫）