基于BIM+VR技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁教學(xué)實(shí)踐改革研究

衛(wèi) 星，巨云華

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基于BIM+VR技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁教學(xué)實(shí)踐改革研究

衛(wèi) 星，巨云華

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川 成都 610031)

為改變當(dāng)前本科院校鋼結(jié)構(gòu)橋梁課程教學(xué)效果不佳的現(xiàn)狀，主動(dòng)適應(yīng)教育、建筑行業(yè)信息化改革發(fā)展的新趨勢(shì)，針對(duì)該課程專業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)特點(diǎn)，我校嘗試結(jié)合建筑信息模型(BIM)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)進(jìn)行課程教學(xué)實(shí)踐改革探索，將BIM技術(shù)和VR技術(shù)融入到課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的各環(huán)節(jié)中，建立學(xué)生主動(dòng)探索學(xué)習(xí)，教師協(xié)作引導(dǎo)的新型教學(xué)體系。通過(guò)以鋼桁梁課程實(shí)踐設(shè)計(jì)為例，論證了引入BIM+VR技術(shù)的必要性、可行性和有效性,介紹了應(yīng)用Revit、Navisworks和Fuzor軟件建立BIM和VR體驗(yàn)環(huán)境的實(shí)踐過(guò)程，總結(jié)了引入BIM技術(shù)和VR技術(shù)到鋼結(jié)構(gòu)橋梁教學(xué)實(shí)踐課程中存在的困難并提出部分對(duì)策，以期改善教學(xué)困境，為相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐改革探索提供參考和借鑒。

鋼橋；BIM技術(shù)；VR技術(shù)；教學(xué)實(shí)踐改革

1 研究背景

1.1 課程教學(xué)實(shí)踐現(xiàn)狀

鋼結(jié)構(gòu)橋梁課程作為土木工程類大專院校橋梁工程方向的重要教學(xué)課程，旨在讓學(xué)生了解并熟悉鋼結(jié)構(gòu)橋梁的類型和發(fā)展概況，掌握不同橋梁的構(gòu)造特點(diǎn)、力學(xué)行為和施工方法，學(xué)會(huì)計(jì)算分析設(shè)計(jì)常見(jiàn)類型橋梁，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)研究及工作提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。該課程在西南交通大學(xué)等高校被列為橋梁工程方向的專業(yè)主干科目，是要求學(xué)生必須掌握的重要專業(yè)課程，因此該門課程的教學(xué)質(zhì)量不僅關(guān)系到學(xué)科的發(fā)展，更直接影響到學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和從業(yè)能力。

鋼結(jié)構(gòu)橋梁課程專業(yè)性強(qiáng)、實(shí)踐要求高、課程內(nèi)容多、教學(xué)課時(shí)少，根據(jù)教師和學(xué)生的反饋，教學(xué)效果一直不容樂(lè)觀，主要表現(xiàn)為，學(xué)生感覺(jué)課程繁重枯燥，對(duì)部分橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造難以理解，教師感覺(jué)教學(xué)任務(wù)緊，僅憑現(xiàn)有媒介難以詳細(xì)說(shuō)明不同橋梁的構(gòu)造特點(diǎn)、力學(xué)特點(diǎn)及施工工藝等方面課程內(nèi)容。汪時(shí)機(jī)等[1]針對(duì)《橋梁工程》課程教學(xué)現(xiàn)狀中存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出主要存在學(xué)生想象力不足、對(duì)橋梁構(gòu)造理解困難，學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)講、課堂教學(xué)枯燥乏味，課時(shí)不足、學(xué)生跟不上教學(xué)進(jìn)度，實(shí)踐環(huán)節(jié)效果不佳4個(gè)主要方面的問(wèn)題。

針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁課程實(shí)踐教學(xué)中存在的教學(xué)困境，文獻(xiàn)[1]進(jìn)行了課程實(shí)踐改革探索并提出了部分行之有效的對(duì)策，比如在課件中多采用圖片資料、施工現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)資料、施工過(guò)程動(dòng)畫(huà)模擬等形式，在一定程度上提升了學(xué)生興趣，改善了教師授課媒介的局限，但是卻并沒(méi)有最大化的將學(xué)生帶入到課程知識(shí)中去，仍然以教師課堂講解，學(xué)生學(xué)習(xí)教材和課件上有限信息的方式為主。調(diào)查研究表明，學(xué)生在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中僅吸收掌握了30%以內(nèi)的教學(xué)內(nèi)容，且隨著時(shí)間推移而逐漸被遺忘；同時(shí)，人們大概能記得20%的閱讀信息，18%聽(tīng)覺(jué)信息，80%親身體驗(yàn)的信息[2]。由此可以看出，要最大化改善教學(xué)效果，應(yīng)努力讓學(xué)生以親身實(shí)踐體驗(yàn)方式參與課程內(nèi)容，隨著建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，為更好地緩解教學(xué)困境，提供了全新的選擇，為教學(xué)實(shí)踐改革指明了新的方向。

1.2 BIM技術(shù)概述及應(yīng)用

BIM理念自1975年由美國(guó)喬治亞理工大學(xué)Chuck Eastman教授提出以來(lái)，已逐漸被建筑行業(yè)認(rèn)可并廣泛應(yīng)用，BIM技術(shù)以三維信息化模型為載體，將建筑結(jié)構(gòu)全生命周期的相關(guān)信息集成，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同參與，便于精細(xì)化、可視化、信息化設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理，其可視化、可協(xié)調(diào)、可模擬性、可優(yōu)化性和可出圖五大功能優(yōu)勢(shì)使得BIM技術(shù)成為繼CAD技術(shù)后引發(fā)建筑業(yè)變革的又一重大技術(shù)理念，BIM技術(shù)不僅是技術(shù)的進(jìn)步，更促使著生產(chǎn)組織管理模式以及從業(yè)人員思維觀念的更新?lián)Q代。

BIM技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已有較多的研究成果、完善的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用實(shí)踐，尤其是在教育行業(yè)，以?shī)W本大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)為代表的逾百所高校設(shè)立了BIM教學(xué)實(shí)踐相關(guān)課程[3]。BIM技術(shù)自引入中國(guó)以來(lái)在國(guó)內(nèi)得到逐步推廣，尤其是在近年發(fā)展迅速，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)相關(guān)文件明確表示要加快BIM新技術(shù)在工程中的應(yīng)用[4]。清華大學(xué)、華中科技大學(xué)為代表的部分高校進(jìn)行了相關(guān)研究并開(kāi)設(shè)了BIM課程，優(yōu)比建筑咨詢等企業(yè)就BIM技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，中國(guó)尊、國(guó)家會(huì)展中心等越來(lái)越多的建筑開(kāi)始采用BIM技術(shù)。

BIM技術(shù)的快速發(fā)展，早已滲透到教育等各個(gè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外許多研究學(xué)者嘗試將BIM技術(shù)引入到教學(xué)中來(lái)，希望能改善教學(xué)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2013年，在美國(guó)至少有70%的高校已經(jīng)開(kāi)設(shè)有BIM相關(guān)課程，未開(kāi)設(shè)BIM課程的高校也有88%計(jì)劃開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，國(guó)內(nèi)相對(duì)起步較晚，2013年后清華大學(xué)、四川大學(xué)和西南交通大學(xué)等部分高校先后成立了BIM工程研究中心，并開(kāi)設(shè)了相關(guān)通識(shí)類課程。華中科技大學(xué)、廣州大學(xué)、武漢大學(xué)相繼開(kāi)設(shè)了BIM工程碩士班[5]。截止2018年3月，在中國(guó)知網(wǎng)以“BIM在教學(xué)中的應(yīng)用”為主題詞搜索到的相關(guān)中文文獻(xiàn)就達(dá)一百多篇，有超過(guò)三分之二涉及土建工程方向，如白泉等[6]根據(jù)沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程專業(yè)BIM教學(xué)改革研究和實(shí)踐情況，介紹了BIM技術(shù)參與到教學(xué)改革中的作用和意義，并指出對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用明顯。楊勃等[7]介紹了BIM技術(shù)參與到橋梁施工課程教學(xué)改革中的必要性和試驗(yàn)方案，通過(guò)不同年級(jí)學(xué)生該門課程的成績(jī)對(duì)比，指出BIM技術(shù)在橋梁施工教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用可以顯著提高同學(xué)們對(duì)橋梁構(gòu)造和施工工藝流程的理解能力，更能提升同學(xué)們識(shí)圖能力和施工方案優(yōu)化的能力。

1.3 VR技術(shù)概述及應(yīng)用

VR理念由美國(guó)VPL Research公司的創(chuàng)始人Jaron Lanier在20世紀(jì)80年代初提出，是一種集成計(jì)算機(jī)圖形識(shí)別等高新技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上生成可提供沉浸感覺(jué)的三維環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的技術(shù)。VR技術(shù)具有多感知性(multi-sensory)、沉浸性(immersion)、交互性(interaction)、構(gòu)想性(imagination)等主要功能優(yōu)勢(shì)，最早應(yīng)用于軍事和航天領(lǐng)域，隨著顯示屏等硬件設(shè)備制造成本的降低，手機(jī)平板等移動(dòng)設(shè)備的普及，計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、人機(jī)接口等核心技術(shù)日趨成熟，VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于游戲、影視、建筑、教育、醫(yī)療、設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，如虛擬仿真校園。獨(dú)特的交互式沉浸式體驗(yàn)功能讓VR技術(shù)被引用到教學(xué)中，國(guó)內(nèi)外已有部分相關(guān)研究和應(yīng)用實(shí)踐，如崔榮[8]以生物學(xué)中DNA的復(fù)制為例研究了基于VR技術(shù)自主式學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)問(wèn)卷方式就教學(xué)現(xiàn)狀、教學(xué)效果、存在問(wèn)題、使用VR技術(shù)后教學(xué)效果等方面進(jìn)行調(diào)查分析，僅有約1/3學(xué)生對(duì)目前的課堂教學(xué)方式感到滿意，指出應(yīng)用VR技術(shù)建立學(xué)生自主探究的學(xué)習(xí)方式，有助于增強(qiáng)教師的課堂教學(xué)效果，有利于學(xué)習(xí)者提高學(xué)習(xí)效率和培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力。張承霖等[9]介紹了VR技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用實(shí)踐，指出應(yīng)用VR技術(shù)在工程訓(xùn)練實(shí)踐中的優(yōu)勢(shì)，并介紹了技術(shù)方案，具有很強(qiáng)的參考性，VERGARA等[10]根據(jù)調(diào)查研究證實(shí)在工程類教育中應(yīng)用VR技術(shù)是非常有用的。

2 引入BIM+VR技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)橋梁教學(xué)實(shí)踐改革

2.1 必要性

BIM的優(yōu)勢(shì)在于覆蓋建筑全生命周期的數(shù)據(jù)信息，使各參與作業(yè)者協(xié)同工作，而VR的優(yōu)勢(shì)則是提供一個(gè)虛擬仿真的沉浸式環(huán)境，給人一種多維的體驗(yàn)式的視覺(jué)體驗(yàn)，兩者具有很好的互補(bǔ)性，即可運(yùn)用BIM技術(shù)建立集成建筑設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理全過(guò)程信息數(shù)據(jù)的模型，借助VR技術(shù)將相關(guān)場(chǎng)景過(guò)程在虛擬環(huán)境中更直觀的展示出來(lái)，可以多維度體驗(yàn)相關(guān)建筑場(chǎng)景，提高信息讀取傳遞效率。國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者對(duì)BIM技術(shù)和VR技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用做了相關(guān)研究，郭文強(qiáng)[11]詳細(xì)論述了BIM技術(shù)+VR技術(shù)的建筑可視化設(shè)計(jì)與應(yīng)用；陸海燕等[12]對(duì)BIM+VR技術(shù)應(yīng)用在土木工程CAD的教學(xué)模式進(jìn)行了探討和實(shí)踐，KIM[13]介紹了在加州州立大學(xué)長(zhǎng)灘分校采用的基于BIM技術(shù)的教學(xué)方法，結(jié)果表明該方法有助于學(xué)生有效地學(xué)習(xí)建筑細(xì)節(jié)和工程計(jì)量。

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020)》第十九章加快教育信息化進(jìn)程中明確指出：“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響……促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化……建立數(shù)字圖書(shū)館和虛擬實(shí)驗(yàn)室……加快教育信息化進(jìn)程，強(qiáng)化信息技術(shù)應(yīng)用，提高教師應(yīng)用信息化水平，更新教學(xué)觀念，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效果?！盵14]教育信息化是教育的必然趨勢(shì)，作為引領(lǐng)新時(shí)代變革的BIM技術(shù)和VR技術(shù)必將在教育教學(xué)實(shí)踐領(lǐng)域有更廣闊更深入的應(yīng)用。

現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)橋梁造型追求新穎，結(jié)構(gòu)、連接復(fù)雜，施工工藝精細(xì)而又繁瑣，僅憑PPT圖片或者老師的語(yǔ)言描述的課堂枯燥乏味，課程內(nèi)容難以理解，教學(xué)效果一直不佳，而引入BIM技術(shù)和VR技術(shù)到鋼結(jié)構(gòu)橋梁教學(xué)和實(shí)踐中來(lái)，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，改進(jìn)教學(xué)模式，增強(qiáng)教學(xué)效果，解決學(xué)生想象困難的問(wèn)題，也能提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。運(yùn)用BIM技術(shù)和VR技術(shù)進(jìn)行施工模擬可以讓學(xué)生作為“項(xiàng)目經(jīng)理”，實(shí)際參與橋梁施工全過(guò)程，與消防、暖通和管網(wǎng)等其他專業(yè)協(xié)作，協(xié)調(diào)“現(xiàn)場(chǎng)”的施工和管理，實(shí)踐性和成就感很強(qiáng)，徹底改變了學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)講，課堂教學(xué)枯燥乏味的困境，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)和案例分析的方式引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立或協(xié)作地完成相關(guān)任務(wù)，可以有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，真正實(shí)現(xiàn)“以學(xué)生為主體”的教學(xué)模式。

2.2 可行性

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的飛速發(fā)展，BIM人才的培養(yǎng)規(guī)模遠(yuǎn)不能適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，BIM人才的缺乏已經(jīng)成為建筑行業(yè)應(yīng)用該技術(shù)最大的掣肘因素，高校作為人才培養(yǎng)的主要陣地，應(yīng)主動(dòng)調(diào)整教學(xué)方式和人才培養(yǎng)內(nèi)容，最根本有力的舉措就是進(jìn)行BIM教學(xué)實(shí)踐改革，通過(guò)BIM技術(shù)以及VR技術(shù)既能改善課堂環(huán)境，又能間接地提升工程應(yīng)用管理人才的專業(yè)素質(zhì)、實(shí)踐能力、溝通協(xié)作能力和職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，以更好地適應(yīng)行業(yè)和社會(huì)的發(fā)展需要。然而引入BIM技術(shù)到教學(xué)實(shí)踐課程中除了缺乏師資隊(duì)伍和教學(xué)環(huán)境以外，還存在不少的挑戰(zhàn)，如不同專業(yè)知識(shí)體系龐大，牽一發(fā)而動(dòng)全身，需要各專業(yè)院系教師協(xié)調(diào)教學(xué)課程，部分師生對(duì)BIM的重要性認(rèn)識(shí)不夠或者存在BIM就是軟件等誤解，相關(guān)軟件尚沒(méi)有完全配套，運(yùn)營(yíng)維護(hù)和結(jié)構(gòu)分析等功能需要其他軟件支撐等等。

改革勢(shì)必會(huì)存在各方面困難和問(wèn)題，需要各方面因勢(shì)利導(dǎo)，循序漸進(jìn)。可以積極借鑒國(guó)內(nèi)外部分高校在相關(guān)方面取得的階段性成果，如沈陽(yáng)建筑大學(xué)在土木工程制圖、房屋建筑學(xué)和鋼結(jié)構(gòu)課程方面的探索[15]等；其次，要加大產(chǎn)學(xué)投入，尤其是配置教學(xué)硬軟件設(shè)備、建立并依托實(shí)訓(xùn)研究中心，加強(qiáng)師資隊(duì)伍培訓(xùn)等；再次，要加強(qiáng)專業(yè)院系、院校以及校企之間的合作，整合優(yōu)勢(shì)資源，利用好MOOC等網(wǎng)絡(luò)資源，交流借鑒，不斷完善課程體系等。假以時(shí)日，BIM技術(shù)將會(huì)與各相關(guān)學(xué)科深度融合，課堂教學(xué)效果將明顯改善。西南交通大學(xué)自2014年開(kāi)始，整合各方面相關(guān)資源，逐步展開(kāi)相關(guān)教學(xué)實(shí)踐探索，在成立BIM工程研究中心的基礎(chǔ)上，與臺(tái)灣景文科技大學(xué)、臺(tái)灣宗升數(shù)位有限公司、達(dá)索系統(tǒng)(上海)信息技術(shù)有限公司等建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，并通過(guò)開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，成立綜合設(shè)施工程協(xié)會(huì)(CIFE)、組織舉辦相關(guān)知識(shí)講座、技能培訓(xùn)、科創(chuàng)競(jìng)賽活動(dòng)，開(kāi)設(shè)《今日土木》校內(nèi)雜志BIM專題等方式，逐漸在師生中推廣展開(kāi)并深入，為鋼結(jié)構(gòu)橋梁等專業(yè)課展開(kāi)BIM教學(xué)改革探索奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2016年被稱為VR技術(shù)發(fā)展的元年，VR技術(shù)相對(duì)而言還比較“年輕”，主要存在的問(wèn)題有：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，VR技術(shù)的輸入方面存在困難，現(xiàn)有的技術(shù)容易造成使用者的疲勞感等[16]。針對(duì)這些方面的問(wèn)題，應(yīng)該以發(fā)展的視角看待，隨著相關(guān)方面專業(yè)人才不斷涌現(xiàn)，這些技術(shù)問(wèn)題終究會(huì)迎刃而解的。西南交通大學(xué)在成立虛擬仿真中心的基礎(chǔ)上，通過(guò)相關(guān)競(jìng)賽活動(dòng)等方式讓師生體驗(yàn)學(xué)習(xí)VR技術(shù)，并逐步引入到相關(guān)課程教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中，并初有成效。

2.3 有效性

傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)讓學(xué)生感覺(jué)枯燥乏味，上課效果不佳最主要的原因是學(xué)生處于“被動(dòng)學(xué)習(xí)”的狀態(tài)，被動(dòng)地接受老師教授的知識(shí)，課后不久便就遺忘殆盡。根據(jù)前文引據(jù)文獻(xiàn)[5]，體驗(yàn)和實(shí)踐是接受知識(shí)最高效和最不易遺忘的方式。引入BIM技術(shù)和VR技術(shù)到鋼結(jié)構(gòu)橋梁的教學(xué)實(shí)踐中來(lái)，在教師的引導(dǎo)下，可以充分利用三維模型的可視化和VR技術(shù)的沉浸式交互式體驗(yàn)，讓學(xué)生帶著既有理論知識(shí)和學(xué)習(xí)任務(wù)主動(dòng)融入到相關(guān)知識(shí)模型和虛擬環(huán)境中去，在逼真性體驗(yàn)中學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)概念，在實(shí)踐中夯實(shí)相關(guān)基礎(chǔ)理論知識(shí)，培養(yǎng)提升學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。圖1展示了西南交通大學(xué)學(xué)生在參加BIM技術(shù)介紹和應(yīng)用講座并體驗(yàn)VR技術(shù)的場(chǎng)景。

圖1 學(xué)生體驗(yàn)VR技術(shù)

除了翻轉(zhuǎn)課堂“被動(dòng)變主動(dòng)”之外，還應(yīng)該多向?qū)W生提供課外實(shí)踐創(chuàng)新機(jī)會(huì)，以西南交通大學(xué)為例，除了給學(xué)生提供大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃、個(gè)性化實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目外，還有每年一屆的“土木科技月——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”；既有傳統(tǒng)的橋梁承重、橋梁造型等賽題，還有近年新設(shè)置的虛擬橋梁和BIM競(jìng)賽以及圖學(xué)能力競(jìng)賽等賽題。通過(guò)舉辦賽事，向參賽學(xué)生間接普及了BIM技術(shù)(建模、渲染等)、VR技術(shù)等相關(guān)知識(shí)技能，也可讓學(xué)生將掌握的相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)以致用，圖2展示了西南交通大學(xué)學(xué)生在參加虛擬橋梁設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)的答辯場(chǎng)景。每年有包括土木工程和建筑設(shè)計(jì)等各專業(yè)方向的一千多名同學(xué)參與各組賽事。除此之外，學(xué)校也鼓勵(lì)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽和世界大學(xué)生橋梁設(shè)計(jì)競(jìng)賽等賽事。

圖2 虛擬橋梁組參賽選手答辯現(xiàn)場(chǎng)

(圖片來(lái)源：揚(yáng)華素質(zhì)網(wǎng)yanghua.swjtu.edu.cn)

3 以鋼桁梁課程設(shè)計(jì)為例的教學(xué)實(shí)踐探索

在西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)，鋼桁梁課程設(shè)計(jì)作為鋼橋課程的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，是每一位橋梁工程方向?qū)W生都必須完成的課程實(shí)踐內(nèi)容。該課程實(shí)踐要求學(xué)生根據(jù)課堂學(xué)習(xí)的鋼桁梁相關(guān)力學(xué)和構(gòu)造知識(shí)，結(jié)合工程實(shí)例，計(jì)算結(jié)構(gòu)主力、橫向風(fēng)力、制動(dòng)力等附加力作用下的桿件內(nèi)力，并以此擬定各桿件尺寸，并驗(yàn)算強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性；進(jìn)行鋼桁梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及螺栓布置；對(duì)鋼桁梁進(jìn)行撓度計(jì)算并設(shè)計(jì)預(yù)拱度；運(yùn)用Midas/Civil建立鋼桁梁的三維有限元模型，分析在恒載、恒載+活載作用下結(jié)構(gòu)的撓度、內(nèi)力、應(yīng)力以及自振特性。

該課程實(shí)踐要求較高，涉及的鋼桁梁橋盡管結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)連接和部分構(gòu)件局部幾何關(guān)系卻較為復(fù)雜，對(duì)課堂接受效果不佳，又缺乏現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)識(shí)參觀體驗(yàn)的本科學(xué)生來(lái)說(shuō)，獨(dú)立設(shè)計(jì)存在不小困難，學(xué)生大多根據(jù)模板亦步亦趨地分析計(jì)算，有些內(nèi)容“不求甚解”；在截面選取時(shí)，為了避免修改重新計(jì)算和重新建模，一般考慮得較為保守；課程實(shí)踐設(shè)計(jì)也不要求設(shè)計(jì)局部細(xì)節(jié)，如端節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)板加勁板、板鉸等。要提升該實(shí)踐課程環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量，改善學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐效果，減少傳統(tǒng)教與學(xué)間的壁壘，需要適時(shí)進(jìn)行創(chuàng)新探索和改革，以突破教學(xué)困境。

面對(duì)鋼桁梁課程設(shè)計(jì)的教學(xué)困境，考慮引入BIM+VR技術(shù)對(duì)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)新型探索性改革，嘗試通過(guò)新的技術(shù)對(duì)該課程設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程的構(gòu)件形式擬定、尺寸選取、模型建立、結(jié)構(gòu)計(jì)算、場(chǎng)景展示等全階段設(shè)計(jì)創(chuàng)新。在此以一座80 m單線鐵路下承式栓焊簡(jiǎn)支鋼桁梁橋?yàn)槔?，通過(guò)引入BIM+VR技術(shù)到教學(xué)實(shí)踐，并與傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐方式相對(duì)比，介紹應(yīng)用Revit建立BIM參數(shù)化模型、結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用Navisworks進(jìn)行施工過(guò)程模擬和碰撞檢查，以及通過(guò)Fuzor軟件給學(xué)生提供一個(gè)虛擬觀看場(chǎng)景的鋼桁梁設(shè)計(jì)全過(guò)程，并對(duì)相關(guān)實(shí)踐成果進(jìn)行展示。

3.1 Revit建模

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙或擬定截面尺寸，應(yīng)用Revit建立BIM三維模型，主要分為建模環(huán)境設(shè)置(創(chuàng)建項(xiàng)目，繪制控制標(biāo)高、定位軸線)，建立主桁桿件族、節(jié)點(diǎn)族、螺栓族、拼接板族等族型和族件拼裝3個(gè)步驟。橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件尺寸因橋而異，相比傳統(tǒng)橋梁設(shè)計(jì)軟件建模時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，以Revit為代表的BIM建模軟件因具有參數(shù)化建族(即同類型構(gòu)件參數(shù)化設(shè)計(jì))、協(xié)調(diào)性(即全模型相協(xié)調(diào)，便于修改設(shè)計(jì))、可出圖性(即可根據(jù)建立的三維信息化模型快速導(dǎo)出設(shè)計(jì)施工圖紙)、可協(xié)同設(shè)計(jì)(即不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員可以在同一平臺(tái)參與協(xié)同設(shè)計(jì))等特性逐漸成為眾多設(shè)計(jì)師們的選擇。在方案論證階段，采用VR技術(shù)漫游，可以全面多角度的比選論證各方案的合理性和最優(yōu)性。

可以簡(jiǎn)單地以幾個(gè)代表性部件的設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式和BIM設(shè)計(jì)方式加以對(duì)比，如圖3所示，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要根據(jù)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)或既有類似成例對(duì)構(gòu)件尺寸擬定，并通過(guò)二維CAD繪制平面圖示表達(dá)設(shè)計(jì)成果，對(duì)構(gòu)建參數(shù)的修改需要人工對(duì)相關(guān)聯(lián)部分加以協(xié)調(diào)修改。如圖4所示，應(yīng)用三維BIM建模軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)，可以很簡(jiǎn)易地對(duì)構(gòu)件尺寸加以調(diào)整，模型會(huì)自動(dòng)做出關(guān)聯(lián)性修改，方便構(gòu)件尺寸的不斷優(yōu)化。除此之外，BIM三維建模技術(shù)借助VR漫游技術(shù)的設(shè)計(jì)方式可以將模型直觀展示出來(lái)，讓設(shè)計(jì)者全情投入設(shè)計(jì)環(huán)境中觀察和設(shè)計(jì)，而不需要將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中二維圖紙?jiān)陬^腦中轉(zhuǎn)化為三維模型，BIM+VR技術(shù)在設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)不言而喻。圖5展示了該鋼桁梁三維成橋模型的一部分，各部件的空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件形狀關(guān)聯(lián)位置一目了然，為VR技術(shù)提供了模型基礎(chǔ)。

圖3 幾個(gè)部件的CAD二維圖示

圖4 幾個(gè)部件的BIM三維圖示

圖5 鋼桁梁BIM模型(部分)

3.2 模型計(jì)算分析

建筑結(jié)構(gòu)模型，尤其是鋼結(jié)構(gòu)模型，涉及到結(jié)構(gòu)的整體分析和節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件的局部分析。Revit Structure模型可通過(guò)數(shù)據(jù)交互將計(jì)算模型在與同為Autodesk公司的結(jié)構(gòu)分析軟件Robot Structural Analysis中生成，當(dāng)然這部分功能有待于完善與強(qiáng)化。此外，也可以通過(guò)相關(guān)模型轉(zhuǎn)換接口或插件將BIM模型導(dǎo)入到Midas和Abaqus等部分有限元軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，也尚需進(jìn)一步二次開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，洪磊[17]以貴陽(yáng)筑城廣場(chǎng)竹水人行橋和鄂東長(zhǎng)江大橋鋼箱梁局部分別示例了Revit模型在Midas中的整體分析和局部分析。對(duì)于異形構(gòu)件應(yīng)用BIM建模不僅方便，而且可視化較好。由此，可以直接應(yīng)用設(shè)計(jì)中創(chuàng)建的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，而不用像傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式中根據(jù)二維圖紙?jiān)谟邢拊Y(jié)構(gòu)分析軟件中建立分析模型。

3.3 施工過(guò)程模擬推演

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的施工方法多樣，有頂推法和預(yù)制拼裝等施工工藝。所謂4D技術(shù)是在橋梁3D信息模型的基礎(chǔ)上引入時(shí)間軸，附加時(shí)間因素，擴(kuò)展為4D模型，即將橋梁結(jié)構(gòu)從開(kāi)工到竣工的施工過(guò)程以動(dòng)態(tài)的三維方式表現(xiàn)出來(lái)的時(shí)間信息管理技術(shù)。引入時(shí)間管理的橋梁施工過(guò)程模擬，通過(guò)BIM技術(shù)和VR技術(shù)，可以讓學(xué)生足不出教室，避免了到可能存在安全隱患的施工現(xiàn)場(chǎng)去觀看實(shí)習(xí)，即可達(dá)到課堂與實(shí)際環(huán)境無(wú)縫連接的效果，不僅讓學(xué)生能直觀感性地體驗(yàn)和熟悉不同的施工工藝和施工的詳細(xì)過(guò)程，也可培養(yǎng)學(xué)生施工組織設(shè)計(jì)和協(xié)作管理能力。施工是一個(gè)持續(xù)更新，動(dòng)態(tài)調(diào)整的過(guò)程，對(duì)于較為復(fù)雜的橋梁工程，在管理過(guò)程中若還使用專業(yè)性較強(qiáng)，可視化較差的橫道圖來(lái)表示施工進(jìn)度計(jì)劃，將無(wú)法清晰描述施工進(jìn)度和各種工作的復(fù)雜關(guān)系，不能完整清晰的表達(dá)施工階段的動(dòng)態(tài)進(jìn)程。圖6~7分別展示了應(yīng)用Navisworks進(jìn)行施工過(guò)程模擬和碰撞檢查的界面。另外，利用BIM技術(shù)和VR技術(shù)，可以在施工模擬過(guò)程中進(jìn)行碰撞檢查，檢查設(shè)計(jì)是否存在缺陷。可以讓不同學(xué)生分別模擬建筑工程師、項(xiàng)目管理人員等不同身份參與到虛擬施工過(guò)程中，既能讓學(xué)生直接清晰地了解各參與者的工作和職責(zé)，也能培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮聰明才智，優(yōu)化施工工藝流程和施工組織管理，提升學(xué)生的工程素質(zhì)。圖8和圖9展示了在Fuzor軟件中的虛擬漫游場(chǎng)景及部分關(guān)鍵部位的虛擬漫游場(chǎng)景。

圖6 Navisworks施工工程模擬

圖7 Navisworks碰撞檢查圖示

圖8 Fuzor虛擬漫游圖示

4 小 結(jié)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁作為土建類專業(yè)學(xué)生，尤其是橋梁工程方向?qū)W生的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。將BIM技術(shù)和VR技術(shù)應(yīng)用到該課程的教育教學(xué)實(shí)踐中，不僅是改善課堂教學(xué)環(huán)境的需要，也是建筑行業(yè)和社會(huì)對(duì)專業(yè)人才提出的新要求。通過(guò)分析論證和實(shí)踐探索，可以發(fā)現(xiàn)將BIM技術(shù)和VR技術(shù)引入到鋼結(jié)構(gòu)橋梁等相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)中去是必要的且可行的，通過(guò)教學(xué)實(shí)踐探索改革，不僅能調(diào)動(dòng)學(xué)生在課堂上的積極性和主動(dòng)性，改善教學(xué)實(shí)踐效果，也能有效提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作溝通能力。

圖9 鋼桁梁部分關(guān)鍵部位虛擬場(chǎng)景圖示

[1] 汪時(shí)機(jī), 李賢, 蔣運(yùn)忠. 橋梁工程課程教學(xué)存在的問(wèn)題與對(duì)策[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010, 35(2): 273-276.

[2] 唐艷芝. 土建類專業(yè)教學(xué)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 才智, 2014(32): 40-41.

[3] 鄭小俠, 徐志超, 尹貽林. BIM對(duì)高等院校工程造價(jià)專業(yè)人才培養(yǎng)的沖擊及對(duì)策研究[J]. 建筑經(jīng)濟(jì), 2016(5): 115-120.

[4] 李娟芳, 尚世宇, 朱亞紅. BIM技術(shù)融入高校土建類專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用研究[J]. 四川建材, 2016(7): 201-202.

[5] 劉紅勇, 何維濤, 黃秋爽. 普通高等院校BIM實(shí)踐教學(xué)路徑探索[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2013(5): 98-101.

[6] 白泉等, 邊晶梅, 于賀, 等. 土木工程專業(yè)BIM教學(xué)改革研究與實(shí)踐[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2017(5): 90-93.

[7] 楊勃, 蔣平江, 陳艷茹. BIM技術(shù)在橋梁施工課程教學(xué)改革中的應(yīng)用[J]. 遼寧高職學(xué)報(bào), 2017(2): 52-55.

[8] 崔榮. 基于VR的自主探究式學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)與效果研究[D]. 南昌: 江西科技師范大學(xué), 2015.

[9] 張承霖, 曾飛國(guó), 劉韜, 等. VR技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用實(shí)踐[J]. 高等繼續(xù)教育學(xué)報(bào), 2017(3): 48-51,59.

[10] VERGARA D, LORENZO M, RUBIO M P. On the use of virtual environments in engineering education [J]. International Journal of Quality Assurance in Engineering and Technology Education, 2016, 5(2): 30-41.

[11] 郭文強(qiáng). 基于“BIM+VR”的建筑可視化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2017.

[12] 陸海燕, 鮑文博, 王海軍, 等. 基于BIM與VR技術(shù)的土木工程CAD教學(xué)模式實(shí)踐探討[J]. 土木建筑工程信息技術(shù), 2017, 9(4): 62-66.

[13] KIM J. Use of BIM for effective visualization teaching approach in construction education [J]. Journal of Professional Issues in Engineering Education & Practice, 2012, 138(3): 214-223.

[14] 人民出版社. 國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要: 2010–2020年[M]. 北京: 人民出版社, 2010: 42-43.

[15] 王建超, 張丁元, 周靜海. BIM技術(shù)在建筑類高校專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用探索——以沈陽(yáng)建筑大學(xué)為例[J]. 高等建筑教育, 2017, 26(1): 161-164.

[16] 李峰. “互聯(lián)網(wǎng)+”模式下基于VR技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)研究[J]. 黑龍江科學(xué), 2016, 7(24): 100-101.

[17] 洪磊. BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2012.

Teaching and Practice Reform of Steel Structure BridgeBased on BIM+VR Technology

WEI Xing, JU Yunhua

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

In order to improve the existing teaching effect of the steel structure bridges course in undergraduate colleges, and adapt to the new trends of information reform and development in the fields of education and construction industry, concerning professional, practical and difficult characteristics of the course, exploratory reform of the course’s teaching practice with combining building information models (BIM) and virtual reality (VR) technology was researched in our school. The BIM technology and VR technology were integrated into all aspects of classroom teaching and practice teaching to establish a new interactive teaching system where students autonomously study and actively explore with teachers collaboration and guidance. Taking a steel truss practical design which is a very important part of the steel structure Bridges course as an example, the necessity, feasibility and effectiveness of introducing BIM and VR technology into the steel structure bridge curriculum reform were demonstrated. The application of Revit, Navisworks and Fuzor software to establish building information model, carry out structural analysis, construction process simulation and collision check, as well as establish the practical path and practice process of virtual reality experience environment was introduced. The difficulties in applying the BIM technology and VR technology into the teaching and practice curriculum of steel bridges were summarized, and some effective countermeasures were proposed in order to optimize the teaching environment. It is hoped that this can break through the current teaching predicament, improve the effectiveness of teaching and learning, and enhance the quality of teaching and learning. At the same time, these useful explorations and practices will provide reference and guide for teaching practice of other similar related courses reform, and point out the direction for the subsequent reform and exploration of curriculum teaching practices.

steel bridge; BIM technology; VR technology; teaching and practical reform

G 642.0

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061231

A

2095-302X(2018)06-1231-08

2018-04-09；

2018-06-06

衛(wèi) 星(1976-)，男，山西沁源人，教授，博士。主要研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)橋梁行為。E-mail：we_star@swjtu.cn