BIM技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的應(yīng)用

侯學(xué)良+楊思佳

摘要：工程結(jié)構(gòu)課程是工程管理專業(yè)最為主要的專業(yè)課程，但因其內(nèi)容抽象、公式復(fù)雜而給學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握這一專業(yè)知識帶來困難。針對其中的教學(xué)難點(diǎn)，文章基于BIM技術(shù)給出了在教學(xué)中如何有效展示工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的隨機(jī)組合形態(tài)和構(gòu)件之間的相互關(guān)系、工程結(jié)構(gòu)在荷載作用下的傳力路徑、力學(xué)特性與破壞機(jī)理的教學(xué)新方法。結(jié)合新方法在工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的應(yīng)用效果，文章就如何將BIM引入工程結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)、提高工程結(jié)構(gòu)教學(xué)水平給出了三條具體建議，即加快思想認(rèn)識轉(zhuǎn)化、設(shè)立工程結(jié)構(gòu)BIM實(shí)驗(yàn)室和開發(fā)基于BIM技術(shù)的工程結(jié)構(gòu)教學(xué)素材。

關(guān)鍵詞：工程結(jié)構(gòu)；BIM技術(shù)；教學(xué)方法；課堂教育

中圖分類號：G642.0；TU3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）06-0129-04

一、工程結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容及其教學(xué)現(xiàn)狀

工程結(jié)構(gòu)是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的專業(yè)課程，該課程實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣，是從事工程管理必須掌握的核心技術(shù)。因此，自高等院校設(shè)立工程管理專業(yè)以來，工程結(jié)構(gòu)這一課程就成為該專業(yè)的核心主干課程。

然而，由于該課程所授內(nèi)容不僅包含工程結(jié)構(gòu)的基本組成、承載方式、受力特點(diǎn)、傳力路徑等大量專業(yè)基礎(chǔ)知識，還包含結(jié)構(gòu)荷載組合、承載極限分析、結(jié)構(gòu)形態(tài)演化、結(jié)構(gòu)變形破壞、結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)、結(jié)構(gòu)參數(shù)假設(shè)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造配置等眾多內(nèi)容抽象、晦澀難懂的專業(yè)理論，且在學(xué)習(xí)過程中需要學(xué)生熟記大量的工程設(shè)計(jì)基本參數(shù)、專業(yè)術(shù)語、計(jì)算公式和設(shè)計(jì)規(guī)則，了解和掌握工程結(jié)構(gòu)多種材料的變換組合與相互替代，這就使得學(xué)生在該課程學(xué)習(xí)中倍感吃力、困難重重[1]。對此，很多教師在教學(xué)中常借助結(jié)構(gòu)模型、結(jié)構(gòu)圖片和實(shí)物圖像予以工程結(jié)構(gòu)二維平面或三維立體演示，但對于缺乏工程結(jié)構(gòu)客觀感知和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來講，很難理解變換多樣的空間立體結(jié)構(gòu)，更無法深刻領(lǐng)會荷載作用下工程結(jié)構(gòu)隨時(shí)間推移的結(jié)構(gòu)形態(tài)變化和破壞機(jī)理等四維特性，進(jìn)而在學(xué)習(xí)用中逐漸產(chǎn)生畏難情緒并影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[2]。因此，如何通過更為科學(xué)有效的教學(xué)方法將這一重要專業(yè)技術(shù)課程變得通俗易懂，使學(xué)生能夠更好學(xué)習(xí)和掌握這一專業(yè)技術(shù)知識，成為工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)需要研究和解決的一個(gè)重要現(xiàn)實(shí)問題。

二、 BIM技術(shù)及其特點(diǎn)

BIM是Building Information Modeling的簡稱，即建筑信息模型，它是通過數(shù)字信息進(jìn)行建筑物仿真模擬的一門新技術(shù)，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性的特點(diǎn)[3]。BIM內(nèi)含3D和4D技術(shù)，3D技術(shù)主要是基于工程項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建建筑物的三維空間立體模型，可從多個(gè)視角展示出工程結(jié)構(gòu)的平立剖效果以及構(gòu)件之間的空間組合關(guān)系（如圖1所示），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中隱藏的基本構(gòu)造要求等內(nèi)容則可通過虛擬的方式展現(xiàn)出來（如圖2所示）。

4D是在3D的基礎(chǔ)上納入時(shí)間序列，不僅能夠幫助使用者形象直觀地認(rèn)知工程結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化而變化的具體形態(tài)，理解工程結(jié)構(gòu)的施工順序、施工工藝、現(xiàn)場施工組織活動(dòng)等內(nèi)容，還能發(fā)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)在時(shí)間變化狀態(tài)下結(jié)構(gòu)空間存在的位相沖突問題[4]。因此，自BIM技術(shù)使用以來，4D技術(shù)就深受工程項(xiàng)目管理者和工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者的喜愛。

三、工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)引入BIM的方法

目前，在工程結(jié)構(gòu)專業(yè)課程教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)和教師授課的難點(diǎn)主要集中在兩大方面：一是在工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識中，采用傳統(tǒng)教學(xué)方式很難全方位展示出工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的隨機(jī)組合形態(tài)變化結(jié)果以及構(gòu)件之間的相互關(guān)系；二是無法展示出工程結(jié)構(gòu)在荷載作用下的傳力路徑、力學(xué)特性與破壞機(jī)理，進(jìn)而給學(xué)生講授工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇、結(jié)構(gòu)構(gòu)造配置等專業(yè)知識帶來更大困難[5]。然而，將BIM技術(shù)引入后，上述問題就可迎刃而解[6]。

（一）工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的隨機(jī)組合形態(tài)展示

當(dāng)教師講解工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識中結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨機(jī)組合形態(tài)變化以及構(gòu)件之間的相互關(guān)系時(shí)，可以預(yù)先確定工程結(jié)構(gòu)模型的基本信息，如砌體結(jié)構(gòu)、排架結(jié)構(gòu)或框架結(jié)構(gòu)的三維尺寸、構(gòu)件的斷面尺寸等，然后通過附以結(jié)構(gòu)材料信息的BIM建模過程，編制工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在此基礎(chǔ)上，通過BIM平臺進(jìn)行多種構(gòu)件的相互組合，即可將書本上抽象的工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨機(jī)組合形態(tài)變化結(jié)果以及構(gòu)件之間的相互關(guān)系形象地展示出來[7]，并讓學(xué)生切身感受到工程結(jié)構(gòu)的組合變化過程，體驗(yàn)到工程結(jié)構(gòu)變化多樣的組合魅力，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情。如圖3所示。

（二）工程結(jié)構(gòu)的傳力路徑與力學(xué)特性

在荷載作用下，不同類型的工程結(jié)構(gòu)具有不同的傳力路徑，了解和掌握工程結(jié)構(gòu)的傳力路徑對科學(xué)開展工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析至關(guān)重要。但由于肉眼無法觀察到工程結(jié)構(gòu)的傳遞荷載過程，因此學(xué)生無法感知工程結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力形態(tài)。針對該問題，教師可以基于BIM技術(shù)預(yù)先建立工程結(jié)構(gòu)模型，并融入ANSYS仿真軟件，通過彩色云圖方式展示出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變分布以及支座反力情況[8]，以此讓學(xué)生直觀看到工程結(jié)構(gòu)在荷載作用下的傳力路徑和力學(xué)特性，如圖4所示。

（三）工程結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理

在講授結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力原理及其破壞過程時(shí)，由于受到講課時(shí)間、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等客觀條件的約束，不能在課堂直接進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，此時(shí)可以借助BIM的4D功能模擬構(gòu)件破壞過程，讓學(xué)生看清荷載作用下工程結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件出現(xiàn)裂縫以及裂縫的發(fā)展趨勢，幫助學(xué)生深刻領(lǐng)會工程結(jié)構(gòu)專業(yè)知識的內(nèi)涵與本質(zhì)。

（四）工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)學(xué)生能夠獨(dú)立進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，其目的是幫助學(xué)生在獲知工程結(jié)構(gòu)專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，學(xué)會綜合應(yīng)用所學(xué)知識，并掌握工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整流程，為今后開展實(shí)際工作打好基礎(chǔ)。但開展工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，學(xué)生需要熟記大量的工程設(shè)計(jì)基本參數(shù)、計(jì)算公式和設(shè)計(jì)規(guī)則，這就給學(xué)生開展工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來困難[9]。針對此問題，教師在授課前應(yīng)針對不同類型的工程結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要求，首先基于該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理提煉出與之相應(yīng)設(shè)計(jì)模型，將工程設(shè)計(jì)規(guī)范和常用工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行整合，構(gòu)建起多種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，然后利用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程，開發(fā)出工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真軟件。因此，當(dāng)學(xué)生選定工程結(jié)構(gòu)類型及其相關(guān)參數(shù)后，即可按照設(shè)計(jì)程序模擬工程結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的設(shè)計(jì)，使學(xué)生真實(shí)體驗(yàn)到工程設(shè)計(jì)的完整流程，并能直接看到工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

四、引入BIM后的工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)效果

通過多年的理論研究和歷時(shí)三屆課堂教學(xué)的應(yīng)用結(jié)果證明，基于BIM技術(shù)建立起工程多種結(jié)構(gòu)的三維立體演示模型、工程結(jié)構(gòu)荷載組合軟件、工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨機(jī)組合形態(tài)變化演示軟件、工程結(jié)構(gòu)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃凸こ探Y(jié)構(gòu)程序化設(shè)計(jì)過程模擬軟件，在引入到工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中后，該教學(xué)新方法不論是在理論教學(xué)方面還是在學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識方面都達(dá)到了預(yù)期教學(xué)目標(biāo)，特別是在以下三個(gè)方面取得了顯著教學(xué)效果。

（一）激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

晦澀難懂的工程結(jié)構(gòu)專業(yè)知識通過借助BIM技術(shù)轉(zhuǎn)化為具體形象的動(dòng)態(tài)圖像，不僅減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，幫助學(xué)生正確了解和掌握了工程結(jié)構(gòu)的專業(yè)理論知識，而且使學(xué)生在學(xué)習(xí)中不再感到枯燥無味。特別是學(xué)生在認(rèn)識到工程結(jié)構(gòu)知識的實(shí)用價(jià)值后，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性。連續(xù)三年的評教綜合評價(jià)結(jié)果證明，該課程設(shè)計(jì)的優(yōu)秀率都在90%以上，其中2014年為92.5%，2015年為95.2%，2016年為94.2%。

（二）提升了學(xué)生應(yīng)用工程結(jié)構(gòu)專業(yè)知識的能力

在工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)過程中，學(xué)生通過工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)模擬軟件的反復(fù)練習(xí)，熟練掌握了工程結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件設(shè)計(jì)等主要專業(yè)技術(shù)技能，因此，學(xué)生多次積極主動(dòng)參加了有關(guān)高校組織的工程結(jié)構(gòu)專業(yè)技能大賽。通過大賽，不僅提升了學(xué)生應(yīng)用工程結(jié)構(gòu)專業(yè)知識的技術(shù)能力，也為學(xué)生今后從事工程管理工作打下了良好的基礎(chǔ)。

（三）促進(jìn)了工程結(jié)構(gòu)教學(xué)水平的提高

在工程結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)中，教師借助基于BIM技術(shù)開發(fā)的軟件，不僅可將原本內(nèi)容復(fù)雜、晦澀難懂的專業(yè)知識形象直觀地表達(dá)出來，讓課堂變得生動(dòng)有趣，而且融合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的教學(xué)方式也促進(jìn)了該課程教學(xué)水平的提高，實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的和諧發(fā)展。

五、工程結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)引入BIM的相關(guān)措施

BIM技術(shù)是近年來在工程建設(shè)領(lǐng)域興起的新技術(shù)，盡管在工程建設(shè)過程中已得到了較多應(yīng)用，但對于從事教育工作的教師來講，使用率還非常低。為此，若要將BIM引入到工程結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)中來，切實(shí)提高工程結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)水平，還需要若干措施予以促進(jìn)。

（一）加快思想認(rèn)識轉(zhuǎn)化

多年教學(xué)實(shí)踐已證明，對于沒有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，如果沒有對工程結(jié)構(gòu)的客觀感知，即使認(rèn)真學(xué)習(xí)理論知識也會感到晦澀難懂。因此，不論是學(xué)校還是教師，都應(yīng)加快思想認(rèn)識轉(zhuǎn)化，改變傳統(tǒng)的教學(xué)思想與教學(xué)模式。學(xué)校要出臺相應(yīng)政策鼓勵(lì)教師不斷學(xué)習(xí)和掌握先進(jìn)技術(shù)，教師則要在熟練掌握專業(yè)理論的基礎(chǔ)上，不斷積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并開發(fā)出新的教學(xué)模式，使抽象的專業(yè)知識變成形式活潑、易于理解的科普知識[10-11]。

（二）設(shè)立必要的工程結(jié)構(gòu)BIM實(shí)驗(yàn)室

與其他專業(yè)課程相比，工程結(jié)構(gòu)課程更傾向于實(shí)際應(yīng)用，而要達(dá)到這一目的就需要有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺和硬件支撐。如果能夠設(shè)立工程結(jié)構(gòu)BIM實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生就可以通過 BIM 技術(shù)將所學(xué)的專業(yè)知識系統(tǒng)地進(jìn)行整合，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識，還可以提升學(xué)生專業(yè)知識的應(yīng)用能力， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與專業(yè)實(shí)踐的有效集成。

（三）開發(fā)基于BIM技術(shù)的工程結(jié)構(gòu)教學(xué)素材

BIM技術(shù)除了可以仿真工程結(jié)構(gòu)的受力特性外，還可以模擬工程結(jié)構(gòu)施工的四維特性，構(gòu)建工程結(jié)構(gòu)專業(yè)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)平臺。

借助BIM技術(shù)開發(fā)大量的工程結(jié)構(gòu)教學(xué)素材，并讓學(xué)生參與工程結(jié)構(gòu)及其施工的仿真制作，在工程管理專業(yè)大一新生入門開始對學(xué)生進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)知識的通識教育，讓學(xué)生了解工程結(jié)構(gòu)的建設(shè)過程和設(shè)計(jì)程序，掌握工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識，為學(xué)生進(jìn)一步開展理論學(xué)習(xí)和專業(yè)實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)。

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