工程教育背景下BIM 技術(shù)在“房屋建筑學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用研究

呂 巖，楊德健

（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

工程教育認(rèn)證理念認(rèn)為：畢業(yè)生在掌握基本工程知識的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具備應(yīng)用分析與設(shè)計(jì)、施工與管理、檢測與加固等專業(yè)能力；承擔(dān)土木工程及其相關(guān)領(lǐng)域多學(xué)科背景下復(fù)雜工程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、管理等工作的能力.本文以天津城建大學(xué)為例，根據(jù)工程認(rèn)證的要求，提出了“房屋建筑學(xué)”課程應(yīng)對土木工程專業(yè)畢業(yè)生的若干能力提供相應(yīng)支撐（見表1）.

表1 課程目標(biāo)對畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

如何培養(yǎng)出同時(shí)具備工程實(shí)踐能力與科研創(chuàng)新能力的復(fù)合型土木工程畢業(yè)生，如何根據(jù)工程教育認(rèn)證理念對傳統(tǒng)教學(xué)過程進(jìn)行改革與創(chuàng)新，是當(dāng)前高等工程教育面臨的重大挑戰(zhàn)[1-2].因此，專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核標(biāo)準(zhǔn)都必須支撐該課程對應(yīng)的能力目標(biāo)，然而傳統(tǒng)的教學(xué)方法在某些方面無法支撐新的培養(yǎng)目標(biāo).本文以“房屋建筑學(xué)”為例，討論將BIM 技術(shù)結(jié)合工程案例用于“房屋建筑學(xué)”課程教學(xué)的思路.

“房屋建筑學(xué)”是土木工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，其以“工程制圖”“建筑材料”等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)也為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”“建筑施工”“工程造價(jià)”等專業(yè)課程提供必要的專業(yè)知識儲備.只有學(xué)習(xí)了“房屋建筑學(xué)”才能對房屋建筑的基本構(gòu)造組成有所了解，在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行更深入的專業(yè)課程學(xué)習(xí).對于土木工程專業(yè)的學(xué)生，本課程的重要性不言而喻.

1 目前“房屋建筑學(xué)”課程教學(xué)中存在的問題

“房屋建筑學(xué)”是土木工程專業(yè)的入門課程，貫穿整個(gè)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的全過程.“房屋建筑學(xué)”的課程內(nèi)容包括建筑設(shè)計(jì)和建筑構(gòu)造兩大部分.建筑設(shè)計(jì)主要介紹房屋的空間設(shè)計(jì)原則和建筑平、立、剖面圖的設(shè)計(jì)方法，為“建筑識圖”和“房屋建筑學(xué)”課程設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)；構(gòu)造設(shè)計(jì)則介紹了房屋基本組成構(gòu)件的構(gòu)造原理和構(gòu)造方法，主要包括基礎(chǔ)、墻體、樓地層、樓梯、屋頂和門窗等六大組成部分的構(gòu)造原理和營造做法，是土木工程專業(yè)學(xué)生重點(diǎn)學(xué)習(xí)的內(nèi)容.

現(xiàn)階段的“房屋建筑學(xué)”教學(xué)方式較為單一，大多采用“教師講授+多媒體”的方式.課堂教學(xué)中基本使用二維圖形并適當(dāng)結(jié)合教學(xué)視頻進(jìn)行輔助講解教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在上課時(shí)需要根據(jù)二維圖形在頭腦中想象出三維模型.如果學(xué)生的空間想象力不足或者注意力不夠集中，盡管教師花費(fèi)大量的時(shí)間組織語言解釋二維圖形，學(xué)生依然難以理解所學(xué)內(nèi)容，不可避免會影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí).因此，目前的課堂教學(xué)方法不夠直觀，直接造成課堂教學(xué)效率較低.

2 BIM 技術(shù)與“房屋建筑學(xué)”課程相結(jié)合的優(yōu)勢

建筑信息模型（building information modeling，簡稱BIM）技術(shù)是Autodesk 公司在2002 年率先提出的，基于BIM 技術(shù)的工程仿真模擬是施工中BIM 技術(shù)的重要應(yīng)用之一[3-4]. 將BIM 三維立體模型與漫游技術(shù)用于課堂教學(xué)，為學(xué)生展示建筑內(nèi)部構(gòu)造，能夠使學(xué)生有身臨其境的感覺，幫助學(xué)生理解掌握課程內(nèi)容，尤其是學(xué)生理解困難的剖面設(shè)計(jì)的內(nèi)容在三維模型的演示下非常直觀.這將會大幅度簡化教學(xué)過程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率.

2019 年6 月至8 月，大連大學(xué)建筑工程學(xué)院的楊永偉、周家康對建筑學(xué)、土木工程、建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程等專業(yè)各年級的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)研. 數(shù)據(jù)顯示，在受訪的531 人中，25.99%的人認(rèn)為“房屋建筑學(xué)”難以理解；在BIM 技術(shù)輔助“房屋建筑學(xué)”課程改革的意愿方面，土木工程專業(yè)有54.17% 的學(xué)生希望通過BIM 技術(shù)能進(jìn)一步輔助理解復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造問題；而建筑環(huán)境與能源應(yīng)用、工程造價(jià)等專業(yè)則有50%以上學(xué)生傾向于通過BIM 技術(shù)更有效地完成平面、立面、剖面的同步繪制及相互轉(zhuǎn)換工作[5].

天津城建大學(xué)“房屋建筑學(xué)”課程組教師針對土木工程專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，總結(jié)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了基于BIM 技術(shù)與工程案例相結(jié)合的“房屋建筑學(xué)”課程教學(xué)過程，如圖1 所示.

圖1 基于BIM 技術(shù)與工程案例相結(jié)合的“房屋建筑學(xué)”課程教學(xué)設(shè)計(jì)

當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，信息技術(shù)影響著各個(gè)行業(yè)的發(fā)展與變革，建筑行業(yè)也不例外.BIM 技術(shù)是近些年來在建筑工程中應(yīng)用越來越廣泛的數(shù)據(jù)化工具，不論是出于市場的需求還是技能的學(xué)習(xí)，學(xué)生都應(yīng)掌握BIM 技術(shù)并熟練使用[6]. 而將BIM 技術(shù)應(yīng)用于“房屋建筑學(xué)”課程的教學(xué)也能充分發(fā)揮其優(yōu)勢、提高教學(xué)效果.

3 基于BIM 技術(shù)的“房屋建筑學(xué)”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

3.1 整合知識點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

由于“房屋建筑學(xué)”課程的特點(diǎn)是覆蓋面廣、知識點(diǎn)繁多，并且沒有明顯的條理性，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難.教師需要根據(jù)教學(xué)大綱提前將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理，合理安排學(xué)時(shí)，并注意行業(yè)的發(fā)展隨時(shí)將新技術(shù)納入到教學(xué)內(nèi)容中.以天津城建大學(xué)為例，根據(jù)教學(xué)大綱的要求，“房屋建筑學(xué)”課程組將教學(xué)計(jì)劃分為四個(gè)知識單元和兩個(gè)實(shí)踐單元，具體內(nèi)容和對應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)見表2.

表2 課程教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配

對于以上教學(xué)內(nèi)容中的難點(diǎn)、重點(diǎn)或者學(xué)生不易理解的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)部分，可預(yù)先使用BIM 軟件進(jìn)行建模.在進(jìn)行課堂教學(xué)時(shí)，使用BIM 三維模型與傳統(tǒng)的二維圖形進(jìn)行對比展示，給學(xué)生更加直觀的形象.在進(jìn)行難點(diǎn)講解時(shí)可以使用Revit 中的3D 視圖或者漫游功能給學(xué)生進(jìn)行演示，例如建筑物的采光分析、各部分構(gòu)件的組成、柱梁板的配筋等，如圖2 所示.將新技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)的做法更容易引起學(xué)生共鳴并激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣.

圖2 BIM 教學(xué)模型

3.2 引入案例，進(jìn)行分組教學(xué)

大部分高校將“房屋建筑學(xué)”這門課安排在大二下學(xué)期或者大三上學(xué)期開設(shè).在這此階段學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“土木工程概論”、“土木工程材料”和“工程制圖”等基礎(chǔ)課程，但對于房屋構(gòu)造仍然缺乏認(rèn)識，如果只是照本宣科的按照傳統(tǒng)方式教學(xué)恐怕難以引起學(xué)生興趣.

因此，應(yīng)在結(jié)合BIM 技術(shù)的基礎(chǔ)上再引入實(shí)際工程案例，結(jié)合實(shí)際工程的施工圖進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和構(gòu)造方案的講解，并鼓勵(lì)學(xué)生對案例施工圖進(jìn)行優(yōu)化，以小組為單位提出不同的設(shè)計(jì)方案.從不同的角度進(jìn)行批判的思考和學(xué)習(xí)，學(xué)生會對這門課更有興趣，教師的授課過程也更加靈活.

關(guān)于教學(xué)案例的選擇可以使用已建成項(xiàng)目的施工圖，例如學(xué)生最熟悉的宿舍樓、教學(xué)樓、辦公樓的圖紙都是很好的選擇.學(xué)生對于身邊的建筑物可以非常清楚地指出其設(shè)計(jì)中的優(yōu)、缺點(diǎn)，也樂于進(jìn)行優(yōu)化或者再設(shè)計(jì).以城建大學(xué)為例，筆者結(jié)合“房屋建筑學(xué)”課程的教學(xué)安排，選擇以下四個(gè)實(shí)際工程實(shí)例作為教學(xué)案例，項(xiàng)目具體內(nèi)容見表3.

表3 用于“房屋建筑學(xué)”課程教學(xué)的工程案例

以上四個(gè)案例項(xiàng)目類型涉及居住建筑、辦公建筑、教學(xué)建筑以及旅館建筑，基本涵蓋了常見的公共建筑類型，并且與學(xué)生日常學(xué)習(xí)、生活密切相關(guān)，便于學(xué)生觀察、了解其功能要求和構(gòu)造特點(diǎn).實(shí)際項(xiàng)目的訓(xùn)練讓學(xué)生更多地了解和熟悉BIM 相關(guān)軟件的功能和應(yīng)用，不同公司開發(fā)的BIM 軟件的操作界面和邏輯關(guān)系都比較相似，熟練掌握一種軟件后，其他軟件都能夠觸類旁通，這一技能的掌握能夠?yàn)閷W(xué)生日后就業(yè)和發(fā)展提供更多機(jī)會.

3.3 組織翻轉(zhuǎn)課堂，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性

在完成案例的學(xué)習(xí)內(nèi)容后，學(xué)生對于整個(gè)建筑設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)過程已經(jīng)全部了解，并且能夠識讀建筑施工圖.為了鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)可以組織學(xué)生分組對上述案例進(jìn)行優(yōu)化或再設(shè)計(jì)，然后以翻轉(zhuǎn)課堂的形式進(jìn)行匯報(bào)答辯，對于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)過程設(shè)計(jì)如圖3 所示.

圖3 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

以天津城建大學(xué)為例，目前土木工程專業(yè)的“房屋建筑學(xué)”課程均為二合一的課堂授課教學(xué)模式，每個(gè)教學(xué)班大約60～70 人.可對學(xué)生進(jìn)行分組，各組同學(xué)分工合作對一個(gè)案例進(jìn)行建筑方案和構(gòu)造設(shè)計(jì)的優(yōu)化或者重新設(shè)計(jì).由于在前期已開設(shè)BIM 課程，因此部分學(xué)生具備使用BIM 建模、進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工圖繪制的條件.

BIM 技術(shù)應(yīng)用對于多種專業(yè)合作、多任務(wù)協(xié)同工作的要求較高.并且BIM 所提供的協(xié)同平臺，完全符合小組設(shè)計(jì)模式，小組成員之間的分工協(xié)作極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性，促進(jìn)其承擔(dān)任務(wù)、參與合作、積極交流，很大程度上避免了傳統(tǒng)分組設(shè)計(jì)的弊端[7-9].翻轉(zhuǎn)課堂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在實(shí)踐環(huán)節(jié)完成后各組在全班進(jìn)行的公開演示以及對其優(yōu)化方案或設(shè)計(jì)思路的講解，同時(shí)與其他同學(xué)進(jìn)行的提問和答辯形成了思維碰撞，討論過程有助于學(xué)生對所學(xué)知識的深入理解與思考.

這種以學(xué)生為主體的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式可以對傳統(tǒng)課堂中學(xué)生參與不足的弊端進(jìn)行有效補(bǔ)充. 而且，學(xué)生做完的BIM 模型也可以進(jìn)行存檔，作為后續(xù)施工組織課程設(shè)計(jì)、工程預(yù)算或者畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料進(jìn)行深入設(shè)計(jì).

4 基于BIM 技術(shù)與工程案例相結(jié)合的“房屋建筑學(xué)”課程教學(xué)評價(jià)

通過發(fā)放網(wǎng)絡(luò)問卷對參與本次教學(xué)試驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果如圖4 所示.受訪學(xué)生中72.4%的受訪者認(rèn)為BIM 技術(shù)在“房屋建筑學(xué)”課程教學(xué)中的應(yīng)用對于學(xué)習(xí)有幫助.其中：41.7%的學(xué)生認(rèn)為BIM 技術(shù)對其最大的幫助是有助于理解復(fù)雜構(gòu)造節(jié)點(diǎn)；43.5%的學(xué)生認(rèn)為在專業(yè)課學(xué)習(xí)階段就將BIM 技術(shù)用于案例設(shè)計(jì)對今后就業(yè)有幫助；7.6%的學(xué)生認(rèn)為BIM 技術(shù)的最大優(yōu)勢是能直接生成剖面圖，降低繪圖難度；其他學(xué)生則認(rèn)為結(jié)合了BIM 的教學(xué)過程與傳統(tǒng)課堂相比更有吸引力.

圖4 BIM 技術(shù)用于“房屋建筑學(xué)”課程教學(xué)的調(diào)查

經(jīng)過在16 級、17 級土木工程專業(yè)學(xué)生中的試行結(jié)果表明，采用BIM 技術(shù)與工程案例相結(jié)合教學(xué)方法的學(xué)生比傳統(tǒng)課堂教學(xué)的學(xué)生具備更強(qiáng)的工程分析能力，對專業(yè)知識的運(yùn)用更得心應(yīng)手.參加該教學(xué)改革試驗(yàn)的學(xué)生在后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)展更順利.

5 結(jié) 語

BIM 技術(shù)在土木工程行業(yè)中的作用不僅體現(xiàn)在工程的設(shè)計(jì)、施工和管理上.在教學(xué)過程中結(jié)合BIM技術(shù)不僅能夠使建筑結(jié)構(gòu)可視化，還能通過三維視圖有效展示建筑內(nèi)部復(fù)雜構(gòu)件的構(gòu)造做法、鋼筋搭接，并且能夠?qū)?xiàng)目快速算量.相較于傳統(tǒng)的二維圖紙，BIM 技術(shù)與實(shí)際工程案例相結(jié)合的模式更便于學(xué)生快速理解及掌握建筑原理與構(gòu)造方法，對于強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果以及幫助學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行設(shè)計(jì)起到明顯的作用.此外，在實(shí)踐教學(xué)單元中采用翻轉(zhuǎn)課堂的模式真正做到了以學(xué)生為主導(dǎo)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生參與不足的問題.