BIM技術(shù)在基坑工程課程教學(xué)中的探索與應(yīng)用

董文澎++楊澤郁++潘志群++陸斌

摘要：隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)正在土木工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、運(yùn)營維護(hù)等方面發(fā)揮著巨大的作用，如何將這一新興技術(shù)結(jié)合工程實(shí)例引入高等院校土木工程專業(yè)本科教學(xué)，是一個(gè)亟待發(fā)展和解決的關(guān)鍵問題。本文介紹采用BIM技術(shù)，以基坑工程專業(yè)課為代表，結(jié)合實(shí)際逆作法基坑工程項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)及建（構(gòu)）物數(shù)字化仿真建模，并將逆作法施工運(yùn)用BIM仿真動畫進(jìn)行表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)課堂的真實(shí)性和趣味性，為BIM技術(shù)全面進(jìn)入土木工程本科教學(xué)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：本科教學(xué)；教育信息化；基坑工程；BIM技術(shù)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2018）02-0262-02

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)深刻改變著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)方式，尤其是在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。目前，信息技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算、工程施工和設(shè)施維護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化與推廣，其中以BIM技術(shù)為代表的新興信息技術(shù)[1]，成為各類信息技術(shù)的集大成者，正在改變當(dāng)前工程建造的模式，轉(zhuǎn)向以全面數(shù)字化與信息化為特征的數(shù)字建造模式。

二、BIM技術(shù)在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

BIM技術(shù)首先于21世紀(jì)初出現(xiàn)在全世界的建筑業(yè)中，源自于“Building Information Modeling”的縮寫，中文譯為“建筑信息模型”[2]。BIM應(yīng)用于建筑項(xiàng)目，都不同程度地出現(xiàn)了建設(shè)質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率提高、返工和浪費(fèi)現(xiàn)象減少、建設(shè)成本得到節(jié)省而使建設(shè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益得到改善的景象。隨著BIM認(rèn)知度的提升，其應(yīng)用已經(jīng)超越了建設(shè)對象是單純建筑物的局限，它越來越多地應(yīng)用在橋梁工程、水利工程、城市規(guī)劃、市政工程、風(fēng)景園林建設(shè)等多個(gè)方面。目前各高校土木工程專業(yè)授課方式大多仍以板書、PPT多媒體，結(jié)合Flash動畫或者影音資料進(jìn)行教學(xué)，在教學(xué)過程中，學(xué)生往往以想象來“猜測”具體的工程項(xiàng)目是什么樣的，學(xué)到的知識往往也以“碎片化”為主，有的教師使用例如Sketchup等軟件快速建立相應(yīng)的工程模型，建立的模型確實(shí)可用于圖型可視化，但對數(shù)據(jù)集成和設(shè)計(jì)分析只有很少的支持甚至沒有支持，這種模型只能算是可視化的3D模型，而不是包含豐富屬性信息的信息化模型，而BIM技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用于設(shè)施全生命周期的3D數(shù)字化技術(shù)，它以貫穿其生命周期都通用的數(shù)據(jù)格式，創(chuàng)建、收集該設(shè)施所有相關(guān)的信息并建立起信息協(xié)調(diào)的信息化模型作為項(xiàng)目決策的基礎(chǔ)和共享信息的資源[3]。

目前一些機(jī)構(gòu)在軟件商的贊助下也通過組織BIM設(shè)計(jì)大賽的形式推廣BIM[4]，如全國高校建筑學(xué)學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會主辦的“Autodesk Revit杯”全國大學(xué)生建設(shè)設(shè)計(jì)競賽，參賽對象是高校在讀的建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生；由中國勘測設(shè)計(jì)協(xié)會主辦的“創(chuàng)新杯”BIM設(shè)計(jì)大賽等，充分說明BIM技術(shù)的推廣正在高校中如火如荼地進(jìn)行，在學(xué)生當(dāng)中的影響范圍日益擴(kuò)大，效果顯著，勢必產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。如何將BIM技術(shù)與土木工程教學(xué)結(jié)合，將這一新興技術(shù)全面深入地融入專業(yè)教學(xué)，是一項(xiàng)重要的課題。

三、BIM在基坑工程教學(xué)中的應(yīng)用

（一）典型逆作法基坑案例

上海某一深基坑工程位于上海市中心地區(qū)，場地條件為典型的上海軟土區(qū)域，周邊環(huán)境保護(hù)要求較高。根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)條件、周邊環(huán)境的保護(hù)要求、場地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的特點(diǎn)，綜合考慮國內(nèi)現(xiàn)有的施工技術(shù)和設(shè)備條件，參考上海以及周邊地區(qū)可類比的基坑圍護(hù)工程的成功實(shí)踐，在“安全、合理、經(jīng)濟(jì)、可行”的指導(dǎo)原則下，采用主體結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)全面結(jié)合，基坑逆作施工的整體方案。即“地下連續(xù)墻兩墻合一+結(jié)構(gòu)梁板替代水平支撐+臨時(shí)環(huán)形支撐”的“逆作法”總體方案。

（二）地層三維模型

實(shí)現(xiàn)三維地層建模的方法各有千秋，本科生由于尚未接觸到實(shí)際的基坑工程施工，對現(xiàn)場環(huán)境很陌生。在實(shí)際授課過程中，教師通過語言和多媒體手段進(jìn)行描繪，實(shí)際授課效果往往差強(qiáng)人意，學(xué)生往往通過想象去理解現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際工程情況。對于三維地層，本科生在接觸過土力學(xué)和工程地質(zhì)等課程的基礎(chǔ)上，在印象中有了關(guān)于土層分層、不同土層區(qū)別的概念，但是對于“地層尖滅”及“透鏡體”等特殊地質(zhì)現(xiàn)象理解不深，通過將教師自身多年的研究成果運(yùn)用程序代碼利用3D建模軟件展示出來，可以起到生動直觀的效果，結(jié)合授課教師講述，可以使地層情況一目了然。

（三）建（構(gòu)）筑物三維建模

教學(xué)當(dāng)中運(yùn)用Autodesk Revit軟件為主要建模軟件，基坑建模以基坑軸網(wǎng)和標(biāo)高為主體參考線，根據(jù)圖紙繪制好模型主體結(jié)構(gòu)標(biāo)高和軸網(wǎng)，然后結(jié)合主體軸網(wǎng)確定參照平面的位置來定位各結(jié)構(gòu)構(gòu)件。依據(jù)地連墻的不同尺寸建立不同的地連墻族，采用軟件自帶的墻族，將項(xiàng)目中的材質(zhì)和尺寸設(shè)置好，將地連墻依據(jù)軸網(wǎng)放置并處理好相鄰地連墻之間的連接，利用工字型鋼連接相鄰地連墻，對于帶有翼板的不規(guī)則地連墻采用內(nèi)建模型建立。利用結(jié)構(gòu)柱族建立好不同的基坑樁基族，將項(xiàng)目中的樁基定位放置，并利用載入或新建族來繪制項(xiàng)目中的鋼管混凝土柱和角鋼格構(gòu)柱。在結(jié)構(gòu)的一樁一樁體系上添加混凝土梁和鋼梁，并設(shè)置好梁柱的連接和梁的屬性和尺寸。在建好的框架梁柱體系的基礎(chǔ)上，添加施工過程中的臨時(shí)支撐和臨時(shí)格構(gòu)柱以及結(jié)構(gòu)樓板和配置鋼筋等，之后設(shè)置好整個(gè)模型的洞口、墻體以及樓梯等構(gòu)件。最后在建好模型的基礎(chǔ)上，布置場地和周圍環(huán)境，布設(shè)周圍管線和施工機(jī)械等。

（四）逆作法施工仿真模擬

對于大型土木基坑工程采用逆作法施工，在課堂講授時(shí)，書本上采用文字描述的形式進(jìn)行介紹，若采用Flash動畫等進(jìn)行展示，效果是二維的，不能很好地進(jìn)行三維空間展示，而實(shí)際基坑工程施工由于施工時(shí)間長，往往以年為單位，錄制工程視頻不現(xiàn)實(shí)。利用BIM技術(shù)，將模型建好之后，可以對項(xiàng)目中的模型指定開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間，通過將三維模型數(shù)據(jù)與項(xiàng)目進(jìn)度相關(guān)聯(lián)，利用Navisworks軟件實(shí)現(xiàn)4D施工可視化效果。

四、結(jié)論

信息技術(shù)正在深刻地改變著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)方式，尤其是在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，同時(shí)，信息技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算、工程施工和設(shè)施維護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷深化與推廣，BIM技術(shù)的出現(xiàn)將建筑工程數(shù)字化推向了一個(gè)新的高度。將這一新興技術(shù)融入到土木工程專業(yè)當(dāng)中，將煥發(fā)這一傳統(tǒng)行業(yè)的新興魅力。本文結(jié)合基坑工程逆作法加以探索分析，為其他土木工程專業(yè)課程本科教學(xué)提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建平.BIM技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2011，（1）：15-18.

[2]劉葵.從CAD漸進(jìn)到BIM[J].中國計(jì)算機(jī)用戶，2003，（33）：66.

[3]Easetman C.A Data Model Analysis of Modularity and Extensibility in Building Databases[J].Building and Environment.1992，27（2）：135-148.

[4]黃曙林，杜紅琴.CMM理念在教學(xué)過程管理中的應(yīng)用[J].高等函授學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會科學(xué)版），2009，22（1）：44-46.

[5]崔曉.BIM應(yīng)用成熟度模型的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[6]李建成，羅志華，王凌.計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)教程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.endprint