基于BIM的虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與實(shí)踐

(北京構(gòu)力科技有限公司，北京 100013)

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各種設(shè)計(jì)新穎、外形獨(dú)特的建筑不斷涌現(xiàn)，建筑工程施工難度越來(lái)越大，同時(shí)相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工等教學(xué)的任務(wù)也越來(lái)越重，不僅要保證學(xué)生對(duì)著枯燥的課本聽(tīng)得懂，還要耗費(fèi)大量物料材質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，教學(xué)效率低下、成本昂貴是一直以來(lái)的一個(gè)問(wèn)題?；贐IM的虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式的結(jié)合，直觀地展示相關(guān)專業(yè)的知識(shí)點(diǎn)，高效地進(jìn)行知識(shí)傳遞，同時(shí)有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是未來(lái)建筑行業(yè)教學(xué)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

已有學(xué)者對(duì)基于虛擬仿真技術(shù)和BIM技術(shù)的教學(xué)模式進(jìn)行了研究和探討。余宏亮等提出了工程管理專業(yè)BIM虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的整體架構(gòu)，并總結(jié)了實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的云架構(gòu)原理，這為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的應(yīng)用建立底層平臺(tái)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[1]。傅筱等分析了BIM教學(xué)中普遍存在的問(wèn)題，提出了基于BIM進(jìn)行虛擬建造設(shè)計(jì)教學(xué)的整體框架[2]；李永奎等基于4D-BIM技術(shù)提出了工程進(jìn)度管理教學(xué)的改革建議，并建議將AR、VR等新技術(shù)引入教學(xué)課堂，這一舉措豐富了教學(xué)要素和手段，更好地啟發(fā)學(xué)生思考和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[3]； 冀偉等將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁施工的教學(xué)，探索了理論知識(shí)與實(shí)踐和創(chuàng)新能力相結(jié)合的教學(xué)新模式，增強(qiáng)了課堂教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性，提高了學(xué)生的軟件操作和分析能力[4]； 衛(wèi)星等將BIM技術(shù)、VR技術(shù)與鋼結(jié)構(gòu)橋梁教學(xué)相結(jié)合，為相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐改革探索提供參考和借鑒[5]； 王昭慶等將BIM技術(shù)應(yīng)用于房屋建筑與裝飾工程計(jì)量與計(jì)價(jià)課程，將真實(shí)復(fù)雜的建設(shè)項(xiàng)目作為情境引入課堂，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性[6]。這些研究為基于BIM的教育開(kāi)辟了新天地，本文通過(guò)研究分析建立了基于BIM的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，該教學(xué)平臺(tái)同時(shí)支持混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式的施工教學(xué)，并與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，帶給學(xué)生們浸入式地情景學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2 應(yīng)用集成框架

基于實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)的需求分析，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)需與實(shí)際工程進(jìn)行對(duì)接和互聯(lián)，根據(jù)教學(xué)實(shí)時(shí)提供工程建筑工程設(shè)計(jì)施工中的技術(shù)、管理、進(jìn)程、成本等多種信息，開(kāi)展建筑工程大類專業(yè)理實(shí)一體、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)，適應(yīng)國(guó)家現(xiàn)代建筑信息化發(fā)展的需求。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)教學(xué)案例全過(guò)程訓(xùn)練以及職業(yè)基礎(chǔ)課到職業(yè)技能課的有機(jī)組合，使從未接觸工程項(xiàng)目的學(xué)生得到身臨其境的訓(xùn)練。根據(jù)需求分析，實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用框架由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，分別是實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)綜合管理系統(tǒng)、基于BIM的教學(xué)實(shí)訓(xùn)模塊、學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果及考核成績(jī)管理，如圖1所示。

圖1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用框架

2.1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合管理系統(tǒng)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合管理系統(tǒng)用來(lái)整合各種BIM資源，同時(shí)借助平臺(tái)內(nèi)置的BIM教學(xué)管理系統(tǒng)將BIM軟件、BIM技術(shù)應(yīng)用、BIM課程和各種BIM案例資料整合到一起，學(xué)生可直接在線學(xué)習(xí)，并可以附件形式下載案例資料。

管理系統(tǒng)的組成主要包括教學(xué)統(tǒng)一管理平臺(tái)、漫游客戶端、5D虛擬平臺(tái)、移動(dòng)端。教學(xué)統(tǒng)一管理平臺(tái)有課程教學(xué)模塊，考核成績(jī)模塊，模型管理模塊等。其中教學(xué)管理平臺(tái)，可在線組課、在線授課、在線管理教學(xué)資源，允許資源上傳下載在線查看，模型管理模塊，支持模型上傳下載，提供漫游客戶端，支持FBX、DAE模型的漫游； 施工圖等以文件形式上傳下載； 漫游客戶端主要功能是對(duì)模型進(jìn)行虛擬漫游； 5D虛擬平臺(tái)的主要功能是查看BIM模型，以及質(zhì)量安全信息等； 移動(dòng)端用于上傳模型的質(zhì)量安全信息，如圖2所示。

圖2 教學(xué)管理平臺(tái)應(yīng)用架構(gòu)

2.2 基于BIM的教學(xué)實(shí)訓(xùn)模塊

基于BIM的教學(xué)實(shí)訓(xùn)模塊包括網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計(jì)劃的編制、二維三維場(chǎng)地布置、安全管理、質(zhì)量管理、資料管理和5D虛擬施工綜合實(shí)訓(xùn)等六個(gè)子模塊。其中，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計(jì)劃的編制模塊，可以實(shí)現(xiàn)模型與Project進(jìn)度計(jì)劃的關(guān)聯(lián)，并提供按實(shí)際或計(jì)劃進(jìn)度時(shí)間動(dòng)態(tài)展示模型的增長(zhǎng)過(guò)程； 場(chǎng)地布置模塊主要包括三維施工平面圖設(shè)計(jì)和主要施工過(guò)程三維動(dòng)畫(huà)仿真等功能，形象真實(shí)地反映建筑施工現(xiàn)場(chǎng)不同施工階段的場(chǎng)景布置情況，可實(shí)現(xiàn)建筑施工過(guò)程從靜態(tài)場(chǎng)景到動(dòng)態(tài)仿真模擬、從工地材料進(jìn)場(chǎng)到工程完工效果展示； 基于安全管理模塊可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安全檢查，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)源，通過(guò)移動(dòng)端拍照、填寫(xiě)位置、信息上傳至虛擬施工客戶端，施工客戶端可根據(jù)BIM模型位置查看安全檢查信息?，F(xiàn)場(chǎng)模型質(zhì)量檢查后，將檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)移動(dòng)端拍照、填寫(xiě)位置、信息等上傳至虛擬施工客戶端，施工客戶端可根據(jù)BIM模型位置查看質(zhì)量檢查信息； 5D虛擬施工綜合實(shí)訓(xùn)模塊通過(guò)虛擬施工客戶端BIM 模型檢索查看包含BIM模型、進(jìn)度、安全、質(zhì)量、資料等相關(guān)資料，可與施工進(jìn)度相結(jié)合，通過(guò)模型動(dòng)態(tài)展示建筑從無(wú)到有的施工過(guò)程，并提供計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度的對(duì)比，也可根據(jù)進(jìn)度工序，輸入成本數(shù)據(jù)，通過(guò)成本曲線進(jìn)行成本分析。

2.3 學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果及考核成績(jī)管理模塊

學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果及考核成績(jī)管理模塊用以實(shí)現(xiàn)在線布置作業(yè)、提交作業(yè)，提供考試題庫(kù)，可在線組卷、在線考試、客觀選擇題可根據(jù)題庫(kù)答案自動(dòng)判卷，同時(shí)提供課件管理接口，供上傳、下載、查看實(shí)訓(xùn)課件用。學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果及考核成績(jī)管理模塊功能的功能設(shè)計(jì)以管理員、教師、學(xué)生三個(gè)角色進(jìn)行分類，管理員通過(guò)管理后臺(tái)實(shí)現(xiàn)用戶、數(shù)據(jù)和權(quán)限管理等，教師和學(xué)生通過(guò)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)作業(yè)布置、學(xué)生管理、考試管理等，如圖3所示。

圖3 功能框架圖

3 BIM與虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

在當(dāng)下科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的新形勢(shì)下，虛擬仿真技術(shù)在建筑工程的施工過(guò)程中的使用越來(lái)越普遍，而且還取得了一定的成就[7-8]。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑工程的施工過(guò)程中，能夠有利于施工人員發(fā)現(xiàn)存在于施工過(guò)程中的問(wèn)題，同時(shí)使用模擬測(cè)試的方式不僅可以使工程的施工成本得以有效地降低[9]，而且還可以確保施工的安全性及工程質(zhì)量[10]。

3.1 虛擬仿真技術(shù)教學(xué)應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，即在虛擬的系統(tǒng)環(huán)境中對(duì)真實(shí)的環(huán)境進(jìn)行模擬。利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、智能技術(shù)和傳感技術(shù)等。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑施工中，計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境是虛幻的，人類對(duì)建筑環(huán)境、施工過(guò)程等的感覺(jué)是真實(shí)的，施工人員可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互，虛擬環(huán)境及時(shí)做出應(yīng)答。虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建建筑系統(tǒng)的完整虛擬環(huán)境，通過(guò)虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑實(shí)體的分析和控制，培養(yǎng)學(xué)生三維到二維的空間認(rèn)知能力，如圖4、圖5。

圖4 土木工程課程模擬

圖5 建筑工程概預(yù)算課程實(shí)例教學(xué)

3.2 5D-BIM技術(shù)教學(xué)應(yīng)用

用戶上傳模型后，可在模型管理中下載或直接啟動(dòng)本地PBIMViewer，進(jìn)行該模型的三維視圖瀏覽，如圖6、圖7。

圖6 選擇三維瀏覽模型

圖7 PBIMViewer模型瀏覽

5D施工，可啟用本地PBBim查看該模型的模型和進(jìn)度成本，以及質(zhì)量安全信息，如圖8-10。

圖8 選擇5D施工模型

圖9 施工模型進(jìn)度對(duì)比查看

圖10 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計(jì)劃

移動(dòng)端APP E筑—校園版，用于上傳質(zhì)量，安檢檢查信息，對(duì)應(yīng)于模型管理各模型5D查看里質(zhì)量安全信息，如圖11。

圖11 移動(dòng)端App E筑—校園版

3.3 課程管理應(yīng)用

課程設(shè)置的總體目標(biāo)為完成項(xiàng)目引領(lǐng)混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)等案例實(shí)踐教學(xué)，體現(xiàn)BIM的可視化、模擬性和實(shí)操性[11]。課程設(shè)置的內(nèi)涵建設(shè)為完成相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)知識(shí)點(diǎn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與BIM的對(duì)接。在課程管理和課程學(xué)習(xí)中，以專業(yè)課程為中心，將課件、案例和軟件與課程關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全方位教學(xué)，如圖12所示。

圖12 課程管理方式

課件管理支持文字、圖片、視頻等多媒體課件在線學(xué)習(xí)，也可將課件直接下載到本地，在本地進(jìn)行仿真模擬，查看詳細(xì)課程信息。并提供規(guī)范化的課程模板功能，建立好的課程格式可提交至模板庫(kù)，方便再次使用。與章節(jié)相關(guān)的案例數(shù)據(jù)、資料文件等結(jié)合理論知識(shí)在線學(xué)習(xí)案例工程可直接使用軟件打開(kāi)練習(xí)，驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)，如圖13。作業(yè)管理融合在各門(mén)課程中，教師可以在課程對(duì)應(yīng)的章節(jié)中建立作業(yè)，學(xué)生作答后，對(duì)應(yīng)章節(jié)進(jìn)行作業(yè)批改。考試管理中教師可以設(shè)置試卷試題、時(shí)間、分?jǐn)?shù)、分配學(xué)生等進(jìn)行組卷，由教師控制考試是否生效，生效后考試會(huì)在設(shè)定時(shí)間自動(dòng)開(kāi)始考試，學(xué)生需在考試時(shí)間內(nèi)完成答題，時(shí)間到自動(dòng)交卷，教師可進(jìn)行閱卷、批卷、評(píng)分等操作，如圖14，圖15。

資源管理含有平臺(tái)所有的配套工程案例、多媒體資源等，可由平臺(tái)內(nèi)置，也可由管理員隨時(shí)上傳，可供教師組課時(shí)直接引用。學(xué)生可在課程學(xué)習(xí)時(shí)瀏覽隨課資源，進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以將案例工程等下載，在軟件上進(jìn)行實(shí)訓(xùn)練習(xí)，如圖16。

軟件管理：管理所有軟件信息，可用于添加軟件和綁定軟件，設(shè)置信息等。軟件導(dǎo)航：通過(guò)Web端或客戶端單個(gè)軟件頁(yè)面，即可下載軟件、打開(kāi)軟件等，如圖17。

圖13 課程講義

圖14 線上答題

圖15 線上閱卷

圖16 課程資源

圖17 軟件資源

3.4 權(quán)限管理應(yīng)用

系統(tǒng)內(nèi)置三種角色：管理員、教師、學(xué)生，根據(jù)角色設(shè)置權(quán)限，新用戶可單獨(dú)建立或批量導(dǎo)入。其中，教師創(chuàng)建課程，通過(guò)添加與課程相配套的講義、資料、選擇合適案例資源、分配學(xué)生等進(jìn)行組課。組建好的課程可保存為模板，設(shè)置課程后提交課程申請(qǐng)，通過(guò)管理員批準(zhǔn)后才能夠正式開(kāi)課。學(xué)生用戶可以在線學(xué)習(xí)課程，下載資料、案例等資源輔助學(xué)習(xí)。圖18展示了管理員對(duì)用戶權(quán)限管理的應(yīng)用。

圖18 用戶權(quán)限管理

3.5 教學(xué)桌面客戶端應(yīng)用

教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)配備教學(xué)桌面端應(yīng)用，滿足線上線下教學(xué)需求。

教學(xué)客戶端單獨(dú)安裝在學(xué)生電腦上，滿足學(xué)生課上學(xué)習(xí)，課下鞏固需求。課上聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下可與教學(xué)管理平臺(tái)相連，不需要登錄網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)界面，直接在客戶端登錄查看課程講義、虛擬課程瀏覽，完成相關(guān)作業(yè)以及設(shè)置個(gè)人信息等，還可直接通過(guò)客戶端啟動(dòng)資料管理等軟件進(jìn)行軟件操作。脫機(jī)狀態(tài)下可允許用戶進(jìn)行軟件的導(dǎo)航和使用。如圖19。

圖19 客戶端

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)的合理應(yīng)用，不僅能提升建筑施工水平，進(jìn)一步推動(dòng)仿真技術(shù)的后續(xù)發(fā)展[12-13]。還能通過(guò)虛實(shí)結(jié)合、真實(shí)案例、BIM信息與專業(yè)教學(xué)融合，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能和信息建造素。實(shí)踐表明，通過(guò)對(duì)虛擬仿真技術(shù)的使用，可大幅減少工程中的質(zhì)量問(wèn)題，降低施工成本[14-15]， 降低教學(xué)成本、提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)全施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)控制。將BIM引入教學(xué)實(shí)踐中，使學(xué)生能夠參與實(shí)踐，通過(guò)真實(shí)模擬的場(chǎng)景提升自主學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。