BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用★

余潔歆 謝本飛 朱藝婷

(1.福建江夏學(xué)院，福建 福州 350108； 2.福州桂武置業(yè)有限公司，福建 福州 350108)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)有著強(qiáng)度高、抗震性能好、工業(yè)化程度高等優(yōu)勢(shì)，隨著國(guó)家政策的導(dǎo)向，如住建部2019重點(diǎn)工作中提到：“要大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)等裝配式建筑”。鋼結(jié)構(gòu)市場(chǎng)對(duì)專業(yè)人員的需求量日益增大，要求也隨之提高。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)課程體系偏理論，缺乏實(shí)踐性和信息化融合，難以對(duì)接建筑業(yè)轉(zhuǎn)變的發(fā)展趨勢(shì)。為緊跟行業(yè)發(fā)展步伐，通過利用BIM技術(shù)，解決傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)具有信息化素養(yǎng)的“應(yīng)用型人才”，滿足企業(yè)對(duì)技術(shù)人才的迫切需求。

1 研究背景

1.1 BIM技術(shù)發(fā)展

BIM是建筑信息模型系統(tǒng)的縮寫，指在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，為工程項(xiàng)目的各種決策提供可靠的信息支持、共享。各參建方，如設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、管理均可在模型中修改和提取信息，達(dá)到協(xié)調(diào)工作的效果。

美國(guó)喬治亞理工的Chuck Eastman教授于1975年最早提出的BIM理念，隨后逐漸被各個(gè)國(guó)家發(fā)展完善并被建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。雖然BIM技術(shù)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，但已經(jīng)相對(duì)成熟，并且逐漸滲透到教育等領(lǐng)域[2]，希望能利用此技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)存在的問題

1)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)要求較高，其建筑形式多變，所涉及知識(shí)內(nèi)容多，難度大。學(xué)生在完成鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)過程中存在理論知識(shí)學(xué)習(xí)不扎實(shí)、設(shè)計(jì)原理掌握不全面等問題，從而導(dǎo)致課程實(shí)踐效果不佳。

2)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)成果多以計(jì)算書和施工圖紙展示，二維圖紙無法直觀體現(xiàn)其結(jié)構(gòu)構(gòu)造，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的完整把握。

3)鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算部分，大多數(shù)學(xué)生根據(jù)教材例題逐步求解，計(jì)算內(nèi)容僅為常規(guī)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定驗(yàn)算，對(duì)局部細(xì)節(jié)或異型構(gòu)件設(shè)計(jì)未考慮。

2 BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

1)可視化。

集建筑信息為一體的三維數(shù)字模型，使得項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)等全過程均能可視化展現(xiàn)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)過程通過可視化的模型，消除空間想象的限制，提供更直觀、生動(dòng)的教學(xué)過程。例如在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)時(shí)(見圖1)，復(fù)雜的連接形式加大了設(shè)計(jì)的難度。若采用三維的實(shí)體模型，通過對(duì)模型節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)處的放大、旋轉(zhuǎn)，可以360°無死角地觀察其連接形式及傳力途徑，進(jìn)一步使學(xué)生明確計(jì)算原理和方法。

2)協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性。

學(xué)生在完成BIM模型后，可以通過各專業(yè)的碰撞檢查找到項(xiàng)目的“不兼容”現(xiàn)象[3]，如管道與結(jié)構(gòu)沖突，預(yù)留的洞口尺寸錯(cuò)誤，以此為依據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)、方案優(yōu)化，確保項(xiàng)目實(shí)施的可行性。任一構(gòu)件單元都是數(shù)據(jù)的集合且保持全局共享，解決了設(shè)計(jì)修改過程中信息不一致問題。如對(duì)模型中一構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)修改、信息添加或刪除等操作，與之關(guān)聯(lián)的所有信息也會(huì)保持動(dòng)態(tài)更新，避免遺漏。

3)模擬性。

在BIM三維模型下可以進(jìn)行能效、緊急疏散、日照、熱能傳導(dǎo)等的模擬，若在此基礎(chǔ)上增加時(shí)間軸，還能進(jìn)行4D進(jìn)度控制的模擬，再添加成本后形成5D造價(jià)控制上的模擬。

4)可出圖性。

通過碰撞檢查及設(shè)計(jì)修改后的BIM模型，可以直接導(dǎo)出建筑施工圖紙和計(jì)算書。解決原課程設(shè)計(jì)中學(xué)生繪制的圖紙和計(jì)算書內(nèi)容不對(duì)應(yīng)的問題。通過BIM三維模型和二維圖紙的對(duì)比及修改，幫助學(xué)生更好的理解施工圖紙所表述的內(nèi)容，提高學(xué)生識(shí)圖和制圖能力。

2.2 基于BIM技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)改革實(shí)施

2.2.1改革實(shí)施目標(biāo)

應(yīng)用BIM技術(shù)到鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中，增加課程設(shè)計(jì)的趣味性和實(shí)踐性，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。學(xué)生通過模型分析輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算部分，可以更直觀學(xué)習(xí)和觀察構(gòu)件截面和節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)，增加設(shè)計(jì)過程中的感性認(rèn)知，有效提升課程設(shè)計(jì)效果，基于設(shè)計(jì)項(xiàng)目重新串聯(lián)鋼結(jié)構(gòu)理論知識(shí)點(diǎn)。通過完成課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生熟練掌握BIM軟件信息操作應(yīng)用的能力，提高崗位核心競(jìng)爭(zhēng)力，為社會(huì)培養(yǎng)建筑工業(yè)化實(shí)用技術(shù)人才。

2.2.2改革實(shí)施重點(diǎn)

1)為提高學(xué)生主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)獨(dú)立思考及解決問題的能力，要求學(xué)生以小組為單位，共同查閱資料、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，鞏固理論知識(shí)。

2)采取真實(shí)工程為載體，以項(xiàng)目為導(dǎo)向，重新構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)實(shí)施過程。虛實(shí)結(jié)合工作環(huán)境，設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)訓(xùn)改革總體方案，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與行業(yè)需求的無縫對(duì)接。

3)探索信息化技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合，使實(shí)訓(xùn)實(shí)操教學(xué)可依托仿真度好、信息化程度高、交互性強(qiáng)、易操作的BIM技術(shù)平臺(tái)，解決傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的各項(xiàng)弊端。

4)培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)自查、校對(duì)和分析工程問題的意識(shí)，按要求先完成手算設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容，再進(jìn)一步建立BIM模型。在建模過程中發(fā)現(xiàn)前期計(jì)算出現(xiàn)的錯(cuò)誤和不合理的地方加以改進(jìn)，加深對(duì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的理解。

5)通過小組討論、方案協(xié)調(diào)及成果匯報(bào)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神。分級(jí)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)內(nèi)容，并在每個(gè)階段對(duì)小組項(xiàng)目成果進(jìn)行評(píng)價(jià)和打分，動(dòng)態(tài)把握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，實(shí)時(shí)根據(jù)學(xué)生情況，不斷優(yōu)化和調(diào)整課程設(shè)計(jì)改革內(nèi)容。

2.2.3改革具體方法

基于BIM技術(shù)，將鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)組織模式分為三級(jí)，一級(jí)項(xiàng)目：組建BIM小組；二級(jí)項(xiàng)目：結(jié)構(gòu)計(jì)算、Revit建模及圖紙繪制；三級(jí)項(xiàng)目：項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果展示及匯報(bào)；具體各級(jí)項(xiàng)目指標(biāo)分解內(nèi)容如表1所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排

3 結(jié)語

運(yùn)用BIM技術(shù)輔助鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)，提高課程設(shè)計(jì)實(shí)踐效果，具體體現(xiàn)如下：1)通過小組討論，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。利用BIM模型，增加了學(xué)習(xí)的趣味性。2)學(xué)生根據(jù)初步方案構(gòu)建BIM模型，串聯(lián)理論知識(shí)，通過分析、對(duì)比手算結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果，自行校核、優(yōu)化方案。3)通過學(xué)習(xí)Revit軟件，使學(xué)生具備信息化技術(shù)運(yùn)用能力，對(duì)接建筑工業(yè)化市場(chǎng)需求。