基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

沈新?！×簯c慶　蔣國(guó)富

摘要：BIM技術(shù)由于其擁有信息化、可視化、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于土木工程相關(guān)領(lǐng)域。文章基于行業(yè)數(shù)字化變革的大背景，通過(guò)對(duì)BIM技術(shù)工程應(yīng)用進(jìn)行分析，搭建了土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)訓(xùn)模塊、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);實(shí)踐教學(xué);數(shù)字化平臺(tái)

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U491.1+23文章標(biāo)識(shí)碼：A531983

0 引言

在土木工程專(zhuān)業(yè)中，實(shí)踐操作與理論學(xué)習(xí)同等重要，一個(gè)良好的培養(yǎng)方案需要將理論知識(shí)與實(shí)踐操作緊密結(jié)合。土木工程實(shí)訓(xùn)是培養(yǎng)工程類(lèi)人才實(shí)踐能力的重要課程，研究[1]表明，良好的課程設(shè)計(jì)能夠有效地增加受訓(xùn)人員對(duì)于工程的認(rèn)知、書(shū)本理論知識(shí)的理解、實(shí)際操作的熟練，最終增強(qiáng)他們的實(shí)踐操作能力。目前對(duì)于實(shí)訓(xùn)課程的研究，更多的在于傳統(tǒng)課程的設(shè)計(jì)方面。然而隨著土木工程行業(yè)“數(shù)字化”“信息化”變革不斷地推進(jìn)，運(yùn)用新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行改革將會(huì)是一個(gè)重要的發(fā)展方向。其中BIM技術(shù)由于具備“數(shù)字化”“可視化”的特點(diǎn)，高度符合實(shí)訓(xùn)課程數(shù)字化改革的方向?；诖吮疚奶岢隽恕盎贐IM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”，并討論了平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊及關(guān)鍵技術(shù)。該平臺(tái)也為土木工程實(shí)訓(xùn)課程數(shù)字化改革提供了新的方案。

1 BIM技術(shù)工程應(yīng)用分析

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型是由美國(guó)Chuck Eastman教授在20世紀(jì)90年代提出。該技術(shù)從理念提出開(kāi)始就備受關(guān)注，在土木工程建筑領(lǐng)域，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家很早就將BIM與土木工程發(fā)展結(jié)合寫(xiě)入行業(yè)改革發(fā)展的計(jì)劃之中。我國(guó)在土木工程行業(yè)中發(fā)展BIM技術(shù)要晚于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，但是隨著行業(yè)數(shù)字化改革的快速推進(jìn)，在眾多的大型工程項(xiàng)目中，BIM技術(shù)已經(jīng)得到了很多較好的應(yīng)用。該技術(shù)主要解決了“抽象信息可視化”“海量信息難以管理”“項(xiàng)目實(shí)施各方信息不對(duì)稱(chēng)導(dǎo)致的效率低下”等問(wèn)題，為工程項(xiàng)目的順利完工打下了良好的基礎(chǔ)。

以實(shí)際項(xiàng)目為例，交通運(yùn)輸部BIM重點(diǎn)項(xiàng)目山東省德州市合樅高速公路采用全壽命周期BIM技術(shù)，從設(shè)計(jì)至運(yùn)維階段，完成了“BIM正向設(shè)計(jì)”、構(gòu)建“BIM協(xié)同管理平臺(tái)”“基于BIM的運(yùn)維平臺(tái)”等工作。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了“3D作業(yè)指導(dǎo)”“施工方案與進(jìn)度模擬”“智慧工地”“智慧梁場(chǎng)”等一系列BIM技術(shù)的應(yīng)用。最終項(xiàng)目在設(shè)計(jì)與施工階段，效率提升了33%，由于信息不對(duì)稱(chēng)引發(fā)的項(xiàng)目各方矛盾下降了42%，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)人員技術(shù)交底、安全管理走向智能化，極大地提升項(xiàng)目的效率與品質(zhì)。

2 土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

土木工程實(shí)訓(xùn)課程是土木工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)中不可或缺的一部分。由于土木工程專(zhuān)業(yè)強(qiáng)實(shí)踐的特點(diǎn)，良好的實(shí)訓(xùn)課程能夠有效地提升學(xué)生的實(shí)踐能力，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。目前傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)類(lèi)課程通常在高校的實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)基地開(kāi)展，服務(wù)對(duì)象面向高校學(xué)生。然而由于各高校對(duì)于實(shí)訓(xùn)基地的投入不同以及基地本身的場(chǎng)地限制，很難將一個(gè)完整的土木工程項(xiàng)目的全過(guò)程在實(shí)習(xí)基地中對(duì)學(xué)生進(jìn)行展現(xiàn)并提供上手操作的平臺(tái)。此外對(duì)于實(shí)際工程項(xiàng)目的參與者，在進(jìn)行技能提升培訓(xùn)時(shí)，很難找到一個(gè)合適的場(chǎng)所與平臺(tái)供他們學(xué)習(xí)與提升?；诖耍隑IM技術(shù)，開(kāi)發(fā)土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有重大的意義。該平臺(tái)融合BIM技術(shù)，提供受訓(xùn)人員“工程技術(shù)展示”“管理流程訓(xùn)練”“工藝實(shí)操訓(xùn)練”“安全警示教育”等課程。由于BIM技術(shù)可視化的特點(diǎn)，受訓(xùn)人員能夠直觀(guān)地看到工程項(xiàng)目具體建造技術(shù)，實(shí)際地參與模擬項(xiàng)目管理，真實(shí)地進(jìn)行工藝實(shí)操的訓(xùn)練，身臨其境地體會(huì)項(xiàng)目上不合規(guī)行為所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。平臺(tái)直觀(guān)而又全面，極大地提升了受訓(xùn)人員的興趣，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，融合了BIM技術(shù)“三維可視化”“信息數(shù)據(jù)化管理”“優(yōu)良兼容性”優(yōu)點(diǎn)，以及土木工程實(shí)訓(xùn)課程的“觀(guān)摩+實(shí)操”培訓(xùn)理念，能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)的各類(lèi)數(shù)據(jù)兼容、培訓(xùn)內(nèi)容三維化展示、學(xué)習(xí)過(guò)程信息化管理、實(shí)操應(yīng)用量化打分等功能。為受訓(xùn)人員提供全方面的工程項(xiàng)目學(xué)習(xí)培訓(xùn)、智能化的課程推送、自由化的學(xué)習(xí)計(jì)劃制定、精準(zhǔn)化的實(shí)操練習(xí)打分。

如圖1所示，基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，主要由“資源層”“學(xué)習(xí)層”“實(shí)操層”和“推薦層”組成。

（1）資源層：該層主要實(shí)現(xiàn)兩大功能：教學(xué)課程的資源錄入以及教學(xué)課程的編輯。利用資源導(dǎo)入模塊能夠?qū)崿F(xiàn)文字、視頻、模型等教學(xué)資源的導(dǎo)入與儲(chǔ)存，課程編輯模塊能夠方便教學(xué)人員運(yùn)用平臺(tái)資料進(jìn)行數(shù)字化實(shí)訓(xùn)課程的編輯。

（2）學(xué)習(xí)層：該層融合BIM三維可視化技術(shù)，提供學(xué)習(xí)人員三維的、直觀(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。系統(tǒng)搭配VR與AR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，極大地增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的直觀(guān)性，更有利于受訓(xùn)人員學(xué)習(xí)課程相關(guān)知識(shí)。

（3）實(shí)操層：該層結(jié)合BIM技術(shù)，系統(tǒng)搭配實(shí)操訓(xùn)練設(shè)備，提供模擬環(huán)境讓受訓(xùn)人員進(jìn)行實(shí)操練習(xí)與測(cè)試。教學(xué)人員可以在該層中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)操內(nèi)容，并給出實(shí)操測(cè)試相應(yīng)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)習(xí)人員在進(jìn)行實(shí)操練習(xí)時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)其實(shí)操情況進(jìn)行打分。相關(guān)成績(jī)會(huì)記錄在系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)會(huì)綜合整體的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)出學(xué)習(xí)人員的強(qiáng)項(xiàng)與弱項(xiàng)，該數(shù)據(jù)將傳導(dǎo)至推薦層，以此推薦學(xué)習(xí)人員相對(duì)應(yīng)的課程。

（4）推薦層：推薦層使用深度學(xué)習(xí)算法，綜合受訓(xùn)人員的各項(xiàng)成績(jī)，智能化地為其推薦相對(duì)應(yīng)的課程。學(xué)習(xí)人員同時(shí)也可以在該層中進(jìn)行學(xué)習(xí)偏好的設(shè)置，系統(tǒng)利用算法智能化地匹配相對(duì)應(yīng)的課程提供給學(xué)員進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.2 實(shí)訓(xùn)模塊

基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)擁有四大實(shí)訓(xùn)模塊：“工程技術(shù)展示模塊”“管理流程實(shí)訓(xùn)模塊”“工藝實(shí)操訓(xùn)練模塊”和“安全警示教育模塊”。

（1）工程技術(shù)展示模塊：該模塊提供道路、橋梁、隧道、建筑物施工技術(shù)的展示。模塊結(jié)合了BIM技術(shù)對(duì)施工過(guò)程中的建造技術(shù)進(jìn)行三維動(dòng)畫(huà)展示，有效地幫助學(xué)習(xí)人員更好地理解項(xiàng)目的建造過(guò)程以及施工的重難點(diǎn)。

（2）管理流程實(shí)訓(xùn)模塊：該模塊提供與工程項(xiàng)目管理實(shí)操相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。其中包括項(xiàng)目的招投標(biāo)模擬練習(xí)、項(xiàng)目進(jìn)度管理實(shí)操訓(xùn)練、施工現(xiàn)場(chǎng)管理實(shí)操訓(xùn)練等。旨在從項(xiàng)目全流程管理的角度，對(duì)學(xué)習(xí)人員進(jìn)行實(shí)際工程項(xiàng)目管理的培訓(xùn)。

（3）工藝實(shí)操訓(xùn)練模塊：該模塊提供施工工藝相關(guān)的實(shí)操訓(xùn)練。學(xué)習(xí)人員可以在該模塊中進(jìn)行如鋼筋綁扎、混凝土澆筑、鋼筋焊接等具體工藝的實(shí)訓(xùn)練習(xí)。通過(guò)佩戴VR設(shè)備，學(xué)習(xí)人員可以投入到沉浸式的實(shí)操訓(xùn)練，增強(qiáng)其動(dòng)手實(shí)踐能力。

（4）安全警示教育模塊：該模塊提供安全施工的培訓(xùn)內(nèi)容。學(xué)習(xí)人員在該模塊中既可以通過(guò)視頻學(xué)習(xí)的方式了解施工現(xiàn)場(chǎng)不規(guī)范施工所帶來(lái)的安全隱患，也可以通過(guò)佩戴VR設(shè)備進(jìn)行安全施工實(shí)操訓(xùn)練，以此提升他們的安全施工意識(shí)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，在資源導(dǎo)入方面，存在數(shù)據(jù)類(lèi)型不一致、兼容性要求高的問(wèn)題;在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，由于數(shù)據(jù)類(lèi)型種類(lèi)多、數(shù)據(jù)量巨大，存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題;在課程培訓(xùn)與實(shí)操訓(xùn)練方面，由于需要提供學(xué)習(xí)人員真實(shí)、沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，存在BIM模型精度要求高、圖形渲染引擎渲染能力強(qiáng)的問(wèn)題;在智能課程推薦方面，由于學(xué)習(xí)人員每個(gè)人的學(xué)習(xí)情況不一致，個(gè)人對(duì)于知識(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)掌握程度不一致，存在如何運(yùn)用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行智能推薦的問(wèn)題。因此該平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)在于：

（1）數(shù)據(jù)兼容性：對(duì)于輸入數(shù)據(jù)中的文本、圖片、視頻、模型等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，增加每一種類(lèi)數(shù)據(jù)的兼容性。

（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：對(duì)于存儲(chǔ)在平臺(tái)中的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)之間可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)，例如樁號(hào)文本文件與模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可以通過(guò)樁號(hào)直接對(duì)應(yīng)模型的指定位置。

（3）圖形渲染引擎：沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)需要高精度的BIM模型配合性能強(qiáng)大的圖形渲染引擎。該渲染引擎可以對(duì)建筑物的細(xì)節(jié)進(jìn)行充分的渲染，處理速度快、渲染刷新率無(wú)延遲。

（4）智慧推薦算法：智慧推薦算法是基于學(xué)習(xí)人員的實(shí)操數(shù)據(jù)以及課程喜愛(ài)程度，利用深度學(xué)習(xí)智能算法對(duì)學(xué)習(xí)者的長(zhǎng)處與短處進(jìn)行分析，對(duì)學(xué)習(xí)類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)，智能化地為學(xué)習(xí)人員推薦相關(guān)的課程。

3 應(yīng)用價(jià)值展望

基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)擁有廣闊的應(yīng)用空間。對(duì)于高等院校的大學(xué)生，該平臺(tái)能夠?yàn)樗麄兲峁O為真實(shí)的工程現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)，通過(guò)觀(guān)摩施工技術(shù)、實(shí)操項(xiàng)目管理、施工工藝等相關(guān)課程，有利于學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際操作結(jié)合，培養(yǎng)工程思維，提升專(zhuān)業(yè)興趣。對(duì)于已就業(yè)的施工現(xiàn)場(chǎng)各專(zhuān)業(yè)人員，該平臺(tái)能夠很好地幫助他們完成技能提升、安全教育、技術(shù)交底等相關(guān)項(xiàng)目，有利于幫助企業(yè)培養(yǎng)人才，更好地完成工程項(xiàng)目。

4 結(jié)語(yǔ)

在土木工程行業(yè)數(shù)字化不斷推進(jìn)的過(guò)程中，運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程改革成了一個(gè)重要方向?；贐IM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，其具備“三維可視化”“信息數(shù)據(jù)化管理”“數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)”“圖形渲染能力強(qiáng)”“課程算法推薦準(zhǔn)確”的優(yōu)勢(shì)，為傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)課程的數(shù)字化改革提供了新的方向。該平臺(tái)主要由“資源層”“學(xué)習(xí)層”“實(shí)操層”和“推薦層”組成;擁有四大實(shí)訓(xùn)模塊即“工程技術(shù)展示模塊”“管理流程實(shí)訓(xùn)模塊”“工藝實(shí)操訓(xùn)練模塊”和“安全警示教育模塊”;關(guān)鍵技術(shù)主要有數(shù)據(jù)兼容性、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、圖形渲染引擎、智慧推薦算法。

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