基于BIM技術(shù)的CAD課程教學(xué)改革

許莉　張挺　鄭德炯

摘? 要：近幾年來(lái)，工程建設(shè)領(lǐng)域的多數(shù)世界級(jí)龍頭企業(yè)都已經(jīng)拋棄早期的CAD制圖技術(shù)，幾乎所有項(xiàng)目都采用了BIM。其他公司也開(kāi)始從CAD轉(zhuǎn)向BIM。但是在高校土木工程專(zhuān)業(yè)的課程中對(duì)于建筑信息模型軟件的講解依然是傳統(tǒng)的AutoCAD軟件為主，為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，我們必須將BIM建模軟件引入到土木工程制圖教學(xué)中去。文章通過(guò)分析BIM與傳統(tǒng)CAD技術(shù)之間的關(guān)系，并結(jié)合目前CAD課程教學(xué)中存在的實(shí)際問(wèn)題，基于建筑行業(yè)對(duì)BIM技術(shù)人才的需求，提出了CAD課程教學(xué)改革建議。

關(guān)鍵詞：土木工程專(zhuān)業(yè);BIM技術(shù);CAD;教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）02-0132-03

Abstract： In recent years， most of the world's leading enterprises in the field of engineering construction have abandoned the early CAD drawing technology and adopted BIM in almost all projects. Other companies are switching from CAD to BIM. However， in the course of civil engineering in colleges and universities， the explanation of architectural information modeling software is still dominated by the traditional AutoCAD software. In order to adapt to the development trend of the times， we must introduce BIM modeling software into the teaching of civil engineering drawing. On the basis of analysis of the relationship between traditional CAD and BIM technology， combined with the practical problems currently existing in the course of teaching CAD， and based on the demand for BIM technical talents in the construction industry， this paper puts forward suggestions for CAD course teaching reform.

Keywords： civil engineering; BIM technology; CAD; the teaching reform

引言

CAD制圖課程是土木工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合的重要課程。多年來(lái)，建筑師一直依靠CAD軟件將頭腦中的建筑設(shè)計(jì)理念表達(dá)在圖紙中。CAD相比于手工繪圖更加方便快捷，整潔統(tǒng)一，能夠大量縮短工程設(shè)計(jì)周期，在工程設(shè)計(jì)中承載著不可替代的作用。目前全國(guó)乃至全世界高校的建筑類(lèi)專(zhuān)業(yè)，均將這門(mén)課程列為必修課。

基于CAD在目前的教學(xué)和應(yīng)用情況的分析表明，大部分高校對(duì)于CAD軟件的課程教授僅僅限于低層次的輔助繪圖層面，其很難直觀的表現(xiàn)模型的三維立體感，對(duì)于復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件僅采用平面圖繪制的話(huà)，會(huì)在一定程度上增加學(xué)生的理解難度，同時(shí)它也不能將三維形體與屬性信息良好的結(jié)合起來(lái)。顯然如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行人才的培養(yǎng)很難滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)的需求[1]。“建筑信息模型（BIM）”等設(shè)計(jì)理念在信息時(shí)代的推動(dòng)下對(duì)建筑行業(yè)的科技進(jìn)步與轉(zhuǎn)型升級(jí)將產(chǎn)生不可估量的影響。

目前，BIM 技術(shù)已經(jīng)在眾多相關(guān)領(lǐng)域得以推廣和應(yīng)用，而高校在這方面的教育和投入則顯得不溫不火，更缺乏能夠充分反映BIM理念的成熟教材[2]。在工程實(shí)踐和理論教學(xué)方面存在著巨大的差距和教育的脫軌，迫使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)在土木工程專(zhuān)業(yè)本科培訓(xùn)必須快速實(shí)現(xiàn)新的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變需要逐步從傳統(tǒng)的CAD教學(xué)轉(zhuǎn)入基于BIM技術(shù)理論的融入式教學(xué)。

由于BIM設(shè)計(jì)理念的出現(xiàn)和不斷提高的人才專(zhuān)業(yè)化市場(chǎng)需求，CAD課程教學(xué)問(wèn)題愈發(fā)突出，本文從BIM和CAD的關(guān)系出發(fā)，分析了CAD課程教學(xué)現(xiàn)階段面臨的形勢(shì)，在如何培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)需求的建筑工程的人才上，提出一些教學(xué)改革建議。

一、BIM與CAD的關(guān)系

人們普遍認(rèn)為CAD技術(shù)是建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的第一次革命，現(xiàn)如今BIM技術(shù)則被公認(rèn)為是該領(lǐng)域的第二次革命。借助CAD技術(shù)，設(shè)計(jì)師們顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，由最初的“紙繪圖板”方式轉(zhuǎn)化成基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)字二維平面設(shè)計(jì)方式。BIM技術(shù)在CAD技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升，把二維平面設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)化為三維空間立體設(shè)計(jì)方式，突顯了模型繪制效果，更直觀地反映實(shí)物情況，并且在諸多領(lǐng)域如軟件研發(fā)、項(xiàng)目施工、項(xiàng)目安排、項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)維護(hù)等均有巨大的潛力[3]。相對(duì)于CAD技術(shù)而言，BIM的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，那么它們是否是即將取代的關(guān)系？其實(shí)兩者的關(guān)系不是替代的關(guān)系，或者兩者之間至少存在一個(gè)長(zhǎng)期的共存緩沖期。主要原因有下列幾點(diǎn)：

（1）硬件原因：Auto-CAD軟件使用者繪制的建筑圖主要由點(diǎn)、線(xiàn)組成，數(shù)據(jù)量相對(duì)較小。相比之下，BIM軟件內(nèi)部的族組件可以添加各種信息，同時(shí)其繪制出的模型是三維圖，同樣的項(xiàng)目文件容量可以達(dá)到幾百兆字節(jié)。所以數(shù)據(jù)量比二維CAD大很多。再加上軟件自帶的原因，對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求較高。以Revit軟件為例，一般4g內(nèi)存，CPU需要達(dá)到i5計(jì)算機(jī)方可順利運(yùn)行Revit[4]，急于取代大量的電腦是不現(xiàn)實(shí)的。

（2）軟件原因：CAD軟件易于操作，初學(xué)者可快速掌

握。Revit的軟件插件較多，在繪圖界面有很多選項(xiàng)，繪圖操作比CAD復(fù)雜，這給初學(xué)者的學(xué)習(xí)帶來(lái)了不小的阻礙。更重要的是學(xué)生在繪制CAD時(shí)，對(duì)建筑物的整體格局有了初步印象，根據(jù)視圖投影方法將立體圖通過(guò)平面投影的方式繪制在二維平面圖中，并通過(guò)正面圖、側(cè)面圖、剖面等方式展現(xiàn)出來(lái)。在整個(gè)投影和繪圖過(guò)程更有助于學(xué)生手腦并用的協(xié)調(diào)性?？梢钥闯?，雖然CAD繪圖是抽象的，但它實(shí)際上是幫助學(xué)生建立三維感知的輔助手段。

（3）習(xí)慣性原因：由于設(shè)計(jì)部門(mén)的工作人員已非常熟練地使用CAD工具軟件，而Revit作為一種新軟件學(xué)習(xí)需要一定時(shí)間和精力，因此設(shè)計(jì)人員更偏向于使用舊軟件。由此可以看出，BIM軟件在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全取代CAD。就現(xiàn)階段而言，兩者應(yīng)該屬于并存、相互配合的關(guān)系。從高校的角度來(lái)看，CAD課程已經(jīng)相對(duì)成熟，而B(niǎo)IM軟件正處于起步階段，我們應(yīng)該結(jié)合CAD和BIM兩種軟件的特點(diǎn)，并利用自身在教學(xué)資源上的優(yōu)勢(shì)，合理安排學(xué)習(xí)CAD課程。例如，CAD對(duì)于學(xué)生而言，其入手快，使用方便，但繪出的模型只能呈現(xiàn)出其自身固定的數(shù)據(jù)信息，BIM軟件具有三維可視化功能，可加速學(xué)生對(duì)三維空間概念的理解，因此將CAD作為學(xué)生學(xué)習(xí)軟件的“跳板”，能更好的促使學(xué)生了解從CAD二維到BIM三維繪圖的具體過(guò)程。合理利用好CAD和BIM之間的關(guān)系，有助于推動(dòng)CAD課程的改革。

二、建筑CAD課程面臨的形勢(shì)和問(wèn)題

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)的設(shè)想成為可能。三維建筑信息模型的誕生對(duì)二維平面建筑CAD課程教學(xué)產(chǎn)生了一定沖擊。目前建筑CAD設(shè)計(jì)繪制課程有如下幾點(diǎn)弊端：

（一）教學(xué)模式單一

信息時(shí)代下的學(xué)生擁有較高的計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件自主學(xué)習(xí)能力。許多學(xué)生在低年級(jí)時(shí)就已經(jīng)自學(xué)了CAD等軟件。大部分學(xué)生雖然會(huì)使用CAD軟件，但是僅停留在繪制簡(jiǎn)易的二維圖形水平上，軟件熟練度和繪圖質(zhì)量也無(wú)法滿(mǎn)足單位需求;為完成繁多的教學(xué)任務(wù)，教師在授課過(guò)程中多采用多媒體教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生在CAD課程學(xué)習(xí)中積極性不高;理論學(xué)習(xí)與上機(jī)實(shí)踐無(wú)法有效結(jié)合;重難點(diǎn)知識(shí)無(wú)法得到切實(shí)的操作體驗(yàn)，容易遺忘。繼續(xù)使用以前的教學(xué)模式，很容易產(chǎn)生一些負(fù)面影響，學(xué)生對(duì)軟件的熟悉程度參差不齊也增大了教學(xué)難度。

（二）教學(xué)內(nèi)容沒(méi)有與時(shí)俱進(jìn)

目前，CAD課程教學(xué)過(guò)程中最大的矛盾是BIM等計(jì)算機(jī)輔助新技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)內(nèi)容存在脫軌。CAD課程的教學(xué)內(nèi)容主要圍繞AutoCAD軟件。通常沒(méi)有設(shè)置三維繪圖和建模的章節(jié)，并且繪圖基本上是以平面制圖的形式進(jìn)行。其主要原因是大多數(shù)土木工程本科畢業(yè)生主要進(jìn)入施工單位，而施工崗位對(duì)此類(lèi)技能的需求較少，教學(xué)內(nèi)容較少考慮到除了學(xué)習(xí)一般知識(shí)外，學(xué)生在校期間還應(yīng)該了解熟悉未來(lái)將會(huì)強(qiáng)制推廣的BIM技術(shù)。BIM概念的逐步普及，教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)適應(yīng)新技術(shù)的快速發(fā)展，CAD教學(xué)改革刻不容緩。

（三）課時(shí)分配不均衡

由于高校教學(xué)資源不足，多數(shù)高校選擇兩階段授課方式開(kāi)展CAD建筑課程：理論講解與上機(jī)實(shí)踐。由于CAD教學(xué)的前期理論知識(shí)較多，但高校無(wú)法安排更多的教學(xué)課時(shí)，導(dǎo)致理論知識(shí)點(diǎn)的講解無(wú)法全面展開(kāi)，只能點(diǎn)到即止。而在上機(jī)實(shí)踐中，教師對(duì)理論知識(shí)的重復(fù)講解再次削減了學(xué)生上機(jī)操作時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致上機(jī)實(shí)踐課時(shí)緊張從而無(wú)法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

BIM技術(shù)對(duì)于提升國(guó)家建筑類(lèi)有關(guān)行業(yè)的發(fā)展，起著至關(guān)重要的作用。它不但是建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的二次革命，對(duì)于整個(gè)建筑類(lèi)行業(yè)來(lái)說(shuō)，也是一次重大變革。雖然目前土木類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生畢業(yè)后，就業(yè)情況較為樂(lè)觀，但是隨著城市化建設(shè)的完善，行業(yè)人才的需求量也將到達(dá)一定的上限，同時(shí)暴露了傳統(tǒng)技術(shù)人員發(fā)展上的劣勢(shì)[1]。國(guó)家與有關(guān)政府機(jī)構(gòu)也逐漸意識(shí)到模型化和信息化的有關(guān)建設(shè)，對(duì)推動(dòng)建筑行業(yè)發(fā)展具有相當(dāng)大的積極作用。隨著我國(guó)BIM技術(shù)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的完善，我國(guó)BIM技術(shù)將會(huì)走向飛躍、高效、高質(zhì)量的研發(fā)道路。若高校在課程學(xué)習(xí)上注重BIM技術(shù)的培訓(xùn)，讓學(xué)生對(duì)BIM技能有一定的了解和初步掌握，這無(wú)疑會(huì)增加學(xué)生在畢業(yè)后的競(jìng)爭(zhēng)力和優(yōu)勢(shì)。

三、《建筑CAD》課程教學(xué)改革的解決方案

傳統(tǒng)CAD軟件作為輔助制圖的工具，在與用戶(hù)圖文信息交互上多采用簡(jiǎn)單的二維方式，只能傳遞建筑的基本幾何信息，而日常生活中的事物多以三維的形式呈現(xiàn)。近年來(lái)，建筑的結(jié)構(gòu)形式和空間關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致CAD的二維呈現(xiàn)方式與現(xiàn)實(shí)建筑物存在較大偏差，建筑和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造在傳統(tǒng)CAD軟件上很難得到呈現(xiàn)。此外，建筑工程相關(guān)信息（如材料的強(qiáng)度、密度、力學(xué)性能、造價(jià)等），依靠二維圖紙或普通的三維模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面表達(dá)。但是BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)建筑工程整個(gè)生命周期的完備存儲(chǔ)，因此，無(wú)論是建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工管理等方面均可以通過(guò)BIM實(shí)現(xiàn)信息采集和讀取。為了更好迎合建筑設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)，高校必須及時(shí)更新人才培養(yǎng)計(jì)劃，把BIM技術(shù)作為CAD教學(xué)改革的突破口，在原有的傳統(tǒng)CAD課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，新增BIM教學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，并制定新的教學(xué)改革方案。

（一）調(diào)整教學(xué)內(nèi)容適應(yīng)新技術(shù)的需要

為了在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，需要對(duì)二維CAD教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行壓縮。其教學(xué)內(nèi)容可分為三個(gè)部分：繪圖、編輯和三維繪圖。這些內(nèi)容的授課時(shí)間可以壓縮在10個(gè)課時(shí)，可以讓學(xué)生了解平、立和剖面圖紙繪制以及三維圖形基本概念。教師可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)的章節(jié)，對(duì)一些CAD基礎(chǔ)命令進(jìn)行簡(jiǎn)單講解，并課后讓學(xué)生到圖書(shū)館或者是網(wǎng)上查找資料擴(kuò)展相關(guān)知識(shí)以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。另外新增一部分BIM技術(shù)為代表的建筑輔助設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)內(nèi)容，約12學(xué)時(shí)的課程即可完成。BIM課程結(jié)構(gòu)分為理論教學(xué)和案例教學(xué)，既有理論基礎(chǔ)也有實(shí)踐練習(xí)。理論部分重點(diǎn)講述多維數(shù)據(jù)信息模型、協(xié)同工作技術(shù)、數(shù)據(jù)信息集成技術(shù)和可視化技術(shù)等;實(shí)踐操作則針對(duì)BIM不同階段所運(yùn)用的設(shè)計(jì)軟件以及BIM工程案例進(jìn)行系統(tǒng)講解，輔以BIM講座，以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果[2]。

（二）傳統(tǒng)教學(xué)與新形式的交流

將現(xiàn)有教學(xué)模式與其他流行形式相結(jié)合，能有效解決建筑CAD教學(xué)課時(shí)少但內(nèi)容多的難題。（1）教師可以把課堂中的知識(shí)錄制成教學(xué)視頻或者整理成文檔，以便學(xué)生在課堂以外的時(shí)間進(jìn)行復(fù)習(xí)。（2）教學(xué)的某些環(huán)節(jié)可以通過(guò)遠(yuǎn)程資源在線(xiàn)完成，包括答疑，安排作業(yè)和批改作業(yè)。（3）在有限的時(shí)間內(nèi)涵蓋較多的學(xué)習(xí)內(nèi)容，需要制定合適的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，有效的完成教學(xué)任務(wù)。

（三）促進(jìn)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的綜合實(shí)踐

在實(shí)際項(xiàng)目演練中鍛煉學(xué)生的BIM設(shè)計(jì)使用能力。在日常教學(xué)時(shí)，不僅能給學(xué)生們布置課后理論與實(shí)踐作業(yè)，鞏固學(xué)生們的基礎(chǔ)知識(shí)，還能從畢業(yè)設(shè)計(jì)、競(jìng)賽、科研項(xiàng)目等方向出發(fā)，為學(xué)生們量身定做一些實(shí)際課題，讓學(xué)生們將課堂基礎(chǔ)理論操作知識(shí)與實(shí)際項(xiàng)目相結(jié)合，鍛煉學(xué)生們綜合設(shè)計(jì)使用能力、獨(dú)立分析和解決問(wèn)題能力，提高學(xué)生們項(xiàng)目的系統(tǒng)化理解與標(biāo)準(zhǔn)化操作，以便學(xué)生進(jìn)入職場(chǎng)后快速勝任BIM設(shè)計(jì)師的崗位要求。圖1、圖2分別為福州大學(xué)大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)制作的廈門(mén)湖里中學(xué)BIM模型和“橋梁圖文”大賽制作的鋼箱梁懸索橋BIM模型。

四、結(jié)束語(yǔ)

BIM開(kāi)始并正在改變著建筑領(lǐng)域活動(dòng)的表達(dá)方式、作用方式和建筑方式[6]。BIM技術(shù)是未來(lái)建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，人才培養(yǎng)是促進(jìn)BIM技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素，因此，培養(yǎng)具備優(yōu)秀BIM設(shè)計(jì)和模型應(yīng)用能力的專(zhuān)業(yè)型人才是當(dāng)務(wù)之急。高等院校作為建筑業(yè)源源不斷輸送人才的基地，要緊隨時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，促進(jìn)建筑CAD課程教學(xué)的改革，才能跟上發(fā)展的步伐。

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