BIM技術(shù)在高校建筑結(jié)構(gòu)教育優(yōu)化中的應(yīng)用

李尚林 郭維東 徐偉 牛晉坤

摘要：為解決傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的弊端，利用BIM技術(shù)對(duì)高校教育進(jìn)行改善和優(yōu)化。以三灣泵站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，介紹利用BIM技術(shù)建立工程數(shù)據(jù)模型的具體方法，以及混凝土配筋的關(guān)鍵操作，為優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)提供現(xiàn)代技術(shù)。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);三維信息模型;教育優(yōu)化;建設(shè)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：G424.1????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????文章編號(hào)：1674-1161（2019）06-0081-03

當(dāng)今，社會(huì)對(duì)建筑人才的要求越來(lái)越高，需要其熟練掌握理論知識(shí)并用于實(shí)踐。然而，傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)存在一些弊端，學(xué)生將理論知識(shí)用于實(shí)踐的機(jī)會(huì)較少，推動(dòng)高校教育優(yōu)化迫在眉睫。BIM（Building?Information?Modeling）是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集工程實(shí)體與功能為一體的數(shù)字化建筑信息模型。其是一種對(duì)建設(shè)項(xiàng)目全生命周期的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的過(guò)程，也將是高校建筑結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)優(yōu)化的強(qiáng)力技術(shù)工具。

1 將BIM技術(shù)引入建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)的必要性

在高校對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)教育中，由于技術(shù)和條件有限，一般局限于課本和平面圖紙等二維信息載體。學(xué)生理解建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)成時(shí)，往往只能通過(guò)文字?jǐn)⑹龊鸵恍┒S平面圖去想象三維空間結(jié)構(gòu)。這不僅對(duì)文字理解能力有要求，對(duì)空間想象力的要求更高。對(duì)于一些識(shí)圖能力較差的同學(xué)來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)難度比較大。

BIM是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特效數(shù)字化表達(dá)的共享知識(shí)資源，擁有自動(dòng)處理化能力，需要項(xiàng)目各主體的參與和配合。BIM集成建設(shè)工程在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理各階段協(xié)調(diào)的、一致的、可計(jì)算信息的工程數(shù)據(jù)模型，可作為貫穿建設(shè)工程全生命周期的信息環(huán)境和實(shí)現(xiàn)工具。因此，BIM不僅是工程技術(shù)上的革新，更是工程建設(shè)業(yè)務(wù)流程上的革新。

將BIM引入教學(xué)中，利用其應(yīng)用較為廣泛的Revit軟件建立建筑結(jié)構(gòu)的三維信息模型，可解決這一問(wèn)題。BIM通過(guò)相關(guān)繪圖軟件創(chuàng)建三維模型，并賦予模型相關(guān)信息和參數(shù)，將二維圖紙信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為三維信息模型，使空間結(jié)構(gòu)躍然紙上。三維模型能讓學(xué)生快速了解結(jié)構(gòu)構(gòu)成，極大提高學(xué)習(xí)效率。

2 BIM建模技術(shù)的應(yīng)用

選用BIM中應(yīng)用較為廣泛的Revit軟件進(jìn)行建模。Revit軟件可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，設(shè)置基本圖元構(gòu)件（門(mén)、窗、柱、墻、樓板、管道等）的參數(shù)，得到滿足需要的圖元。例如，繪制同型號(hào)門(mén)窗時(shí)，通過(guò)設(shè)置門(mén)窗的材質(zhì)、類(lèi)型、長(zhǎng)、寬等屬性，得到滿足需要的門(mén)窗圖元。學(xué)生可通過(guò)點(diǎn)擊建筑模型上的圖元了解結(jié)構(gòu)名稱、所用材料及屬性，有助于高效、準(zhǔn)確地掌握相關(guān)結(jié)構(gòu)。

2.1 構(gòu)建泵站模型

三灣水利樞紐位于遼寧省丹東市振安區(qū)，地處愛(ài)河干流下游，是愛(ài)河流域規(guī)劃和中朝界河鴨綠江干流（遼寧段）綜合整治規(guī)劃確定的大型水利樞紐工程。以三灣水利樞紐工程中的泵站工程為例建模，進(jìn)行教育優(yōu)化研究。

2.1.1 選取項(xiàng)目樣板 首先，選取合適的項(xiàng)目樣板。不同的項(xiàng)目樣板預(yù)定義設(shè)置不同，滿足不同的專業(yè)建模需求。根據(jù)泵站工程的側(cè)重點(diǎn)選擇新建結(jié)構(gòu)樣板。

2.1.2 創(chuàng)建標(biāo)高和軸網(wǎng) 為構(gòu)建模型時(shí)有參照標(biāo)準(zhǔn)，先在立面圖中創(chuàng)建標(biāo)高，然后在平面圖中創(chuàng)建軸網(wǎng)。標(biāo)高為建模提供相當(dāng)于基準(zhǔn)面的豎向高度信息，軸網(wǎng)是用軸線繪制的參照網(wǎng)，二者均是建模的參照基準(zhǔn)線。

2.1.3 構(gòu)建泵房主體 泵房主體部分包括墻、柱子、樓板、欄桿、門(mén)、窗和泵房屋頂?shù)?。建模時(shí)選擇符合要求構(gòu)件，如果Revit中所給構(gòu)件與泵站要求不同，需對(duì)其編輯類(lèi)型，賦予滿足要求的材質(zhì)、幾何尺寸、恰當(dāng)名稱。繪制平面圖后，通過(guò)修改其上下約束或者直接賦予高度數(shù)值，得到符合設(shè)計(jì)要求的三維結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。CAD制圖中用不同的線型表示不同的構(gòu)件，Revit輸入構(gòu)件信息參數(shù)。泵房模型見(jiàn)圖1和圖2。

2.2 教學(xué)優(yōu)化

水利工科專業(yè)學(xué)生需要學(xué)習(xí)各種不同的水工建筑物。為更好地理解和掌握重要的水工建筑物結(jié)構(gòu)，開(kāi)設(shè)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)。比如泵站結(jié)構(gòu)的課程設(shè)計(jì)前，需充分了解泵站的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，再依據(jù)規(guī)范計(jì)算尺寸和穩(wěn)定性。然而，很多同學(xué)識(shí)圖能力有限，依靠二維平面圖信息和文字?jǐn)⑹觯茈y理解一些細(xì)部結(jié)構(gòu)的具體位置，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性時(shí)不確定用哪一段的距離進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而降低課程設(shè)計(jì)質(zhì)量。

BIM技術(shù)能夠有效解決這一問(wèn)題。使用BIM下的Revit軟件并根據(jù)不同高程的泵房平面圖和立面圖信息數(shù)據(jù)建立三維信息模型后，點(diǎn)擊模型上的任一圖元，就可查看其名稱和所用材料等屬性信息，在最短時(shí)間內(nèi)快速準(zhǔn)確地掌握泵站的空間結(jié)構(gòu)。建好的模型可以漫游，讓學(xué)生仿佛身處模型當(dāng)中任意位置，為后續(xù)設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。圖3為泵站內(nèi)部漫游的一幀畫(huà)面。

3 BIM智能配筋技術(shù)的應(yīng)用

學(xué)生設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)課程時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土配筋是必不可少的一步。其中，混凝土主要承受壓力，鋼筋主要承受拉力?？茖W(xué)合理的配筋能使鋼筋和混凝土充分發(fā)揮作用，具有良好的外力承載能力，是工程建設(shè)中極其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。然而，配筋計(jì)算是一項(xiàng)繁重工作，需要考慮各種規(guī)范要求對(duì)計(jì)算的約束，還要在計(jì)算后驗(yàn)算。不同情況下的配筋方案不同，還需要根據(jù)配筋結(jié)構(gòu)需求選用不同種類(lèi)、尺寸、數(shù)量的鋼筋。初次接觸到配筋的同學(xué)，難以掌握正確的方法。

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生在二維圖紙上生搬硬套教材內(nèi)容配筋，容易出現(xiàn)疏漏，需要大量實(shí)踐驗(yàn)算并更改錯(cuò)誤，才能較好地掌握配筋方法。最重要的是，學(xué)生不能舉一反三。將BIM技術(shù)中的Revit軟件與GSCAD軟件相結(jié)合，能在泵站三維信息模型上對(duì)泵站的梁、樓板、柱等空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋。學(xué)會(huì)基本配筋計(jì)算方法后，在三維信息模型上自主配筋，帶給學(xué)生真實(shí)的配筋體驗(yàn)。在這個(gè)過(guò)程中，需要關(guān)注空間結(jié)構(gòu)之間的受力關(guān)系，賦予各結(jié)構(gòu)將要承受的荷載值。若配筋失敗，根據(jù)書(shū)中公式分析錯(cuò)誤原因，并更改初始條件。在智能配筋時(shí)，需建立泵房建筑受力支撐部分的建模，如圖4所示，再如圖5對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋。

執(zhí)行計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)驗(yàn)證泵房建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸或者混凝土強(qiáng)度同否合理。若不合理，就會(huì)生成錯(cuò)誤報(bào)告，提示泵站建筑哪一層哪一部分結(jié)構(gòu)配筋失敗并標(biāo)明配筋失敗原因，如圖6所示。

根據(jù)報(bào)告提示信息對(duì)建筑結(jié)構(gòu)截面尺寸或者鋼筋混凝土強(qiáng)度進(jìn)行修改，直至配筋成功，生成如下兩種格式的配筋圖。生成配筋后的各種承載力曲線及計(jì)算說(shuō)明書(shū)。有利于學(xué)生更深層次地了解建筑物承載力分布情況，并對(duì)配筋重要性有更真切的體會(huì)。

三維模型配筋能產(chǎn)生更加直觀的配筋效果，增加學(xué)生的參與感，使其直觀了解建筑物各結(jié)構(gòu)之間的荷載關(guān)系，對(duì)增加學(xué)習(xí)主動(dòng)性和興趣具有一定作用。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)是每個(gè)水利工科學(xué)生的必學(xué)課程，傳統(tǒng)教學(xué)采用二維圖紙，對(duì)空間想象力要求較高。高校在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入BIM技術(shù)，是教育改革的必然趨勢(shì)。相信不久的將來(lái)，我國(guó)BIM行業(yè)涉及的領(lǐng)域會(huì)得到充分發(fā)展。

收稿日期：2019-09-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31200392）;遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2015048）

作者簡(jiǎn)介：李尚林（1996—），男，碩士，從事寒區(qū)水工建筑物方面的研究。

通信作者：郭維東（1969—），男，博士，教授，從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)方面的研究。

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Application?of?IBM?Technology?in?the?Optimization?of

College?Building?Structure?Education

LI?Shanglin，?GUO?Weidong，?XU?Wei，?NIU?Jinkun

（College?of?Water?Conservancy?Shenyang?Agricultural?University，?Shenyang?110866，China）

Abstract：?In?order?to?solve?the?defects?existing?in?the?traditional?architectural?structure?design，?BIM?technology?is?used?to?improve?and?optimize?the?university?education.?Taking?the?structural?design?of?Sanwan?pump?station?as?an?example，?this?paper?introduces?the?specific?method?of?using?BIM?technology?to?build?engineering?data?model，?as?well?as?the?key?operation?of?concrete?reinforcement，?in?order?to?provide?modern?technology?for?optimizing?traditional?teaching.

Key?words：?BIM?technology;?3D?information?model;?education?optimization;?building?structure