BIM技術(shù)在高校虛擬仿真實驗教學(xué)中的應(yīng)用

肖忠　李婧　錢原銘

[摘 要] 將BIM（Building Information Modeling）技術(shù)應(yīng)用在虛擬仿真實驗中是高校教學(xué)的一種創(chuàng)新形式。通過匯總分析現(xiàn)有的基于BIM技術(shù)的高校虛擬仿真實驗教學(xué)項目，并將BIM技術(shù)與其他繪圖或建模技術(shù)進(jìn)行對比，探討了BIM技術(shù)在高校虛擬仿真實驗教學(xué)中的優(yōu)勢和應(yīng)用前景，得出BIM技術(shù)具有多方面的優(yōu)勢，更加適用于建筑工程相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)。基于BIM技術(shù)的虛擬仿真實驗將逐步融入課程體系，結(jié)合多種新技術(shù)打造沉浸式的教學(xué)場景，并在教學(xué)中體現(xiàn)多維度信息。

[關(guān)鍵詞] BIM技術(shù);虛擬仿真實驗;高校教學(xué)

[基金項目] 2018年度國家自然科學(xué)基金項目“吸力桶與圓沉箱整體預(yù)制式新型離岸深水碼頭的穩(wěn)定性研究”（51879187）;2020年度天津大學(xué)第四批校級虛擬仿真實驗教學(xué)項目“基于BIM技術(shù)的沉箱重力式碼頭施工過程的虛擬仿真實驗”（16）;2021年度天津大學(xué)第三批課程思政教改項目“水運工程施工技術(shù)與管理”（35）

[作者簡介] 肖 忠（1983—），男，山東菏澤人，博士，天津大學(xué)建筑工程學(xué)院副教授（通信作者），博士生導(dǎo)師，主要從事港口、海岸和近海工程研究;李 婧（1998—），女，遼寧撫順人，天津大學(xué)國際工程師學(xué)院2020級土木水利專業(yè)碩士研究生，研究方向為港口、海岸和近海工程;錢原銘（1986—），男，河南鄭州人，工學(xué)碩士，中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院高級工程師，主要從事BIM技術(shù)研究。

[中圖分類號] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）11-0005-04 [收稿日期] 2021-08-22

引言

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，將工程中幾何、物理、性能等信息集成并進(jìn)行分析及模擬的技術(shù)，最終可形成用于項目設(shè)計、施工、運維等全生命周期的可視化數(shù)字模型[1]。

近年來，BIM技術(shù)在土木、水利、交通和海洋工程等行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣。2019年4月，人社部發(fā)布“建筑信息模型技術(shù)員”這一職業(yè)，意味著市場對BIM人才的需求量正處于爆炸式增長階段，這也對BIM人才培養(yǎng)的速度和質(zhì)量提出了要求。高校是為社會輸送和培養(yǎng)專業(yè)人才的基地[2]，如何將BIM技術(shù)融入高校教學(xué)系統(tǒng)是培養(yǎng)BIM人才的關(guān)鍵所在。

一、虛擬仿真實驗教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

BIM技術(shù)與教學(xué)的融合可采用建設(shè)基于BIM技術(shù)的虛擬仿真實驗平臺、開設(shè)BIM技術(shù)相關(guān)教學(xué)課程、在課程設(shè)計中應(yīng)用BIM技術(shù)等多種方式。其中，開設(shè)虛擬仿真實驗可大幅度提高教學(xué)質(zhì)量，對教師的BIM軟件操作能力要求不高且便于學(xué)生理解，最易被學(xué)生接受。但目前各高校的BIM科研水平遠(yuǎn)超其教學(xué)發(fā)展[3];已建設(shè)基于BIM技術(shù)的虛擬仿真實驗平臺或項目的高校較少，且都處于探索和嘗試階段;現(xiàn)有的基于BIM技術(shù)虛擬仿真實驗大多集中于施工學(xué)科，沒有體現(xiàn)出BIM技術(shù)貫穿項目全生命周期的作用。

虛擬仿真實驗教學(xué)將信息技術(shù)與專業(yè)教學(xué)進(jìn)行了深度融合，可推動高等教育信息化的建設(shè)，是高校實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢之一[4]。2013年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)工作，以豐富信息化教學(xué)資源[5]。2018年6月，教育部開展國家虛擬仿真教學(xué)項目建設(shè)工作以適應(yīng)教學(xué)方式在信息化條件下的變化[6]。2020年12月，世界慕課大會虛擬仿真分論壇舉行，多國專家分享了虛擬仿真融入教學(xué)的相關(guān)經(jīng)驗。依托相關(guān)政策及各高校自身優(yōu)勢學(xué)科的建設(shè)，我國高校虛擬仿真實驗教學(xué)的建設(shè)工作已開展。

基于BIM技術(shù)的虛擬仿真實驗平臺，利用BIM技術(shù)的組件化實體建模方式能夠更加便捷準(zhǔn)確地進(jìn)行建設(shè)工程的三維建模，使模型中的多場地變換更為簡單，能夠在時間、空間、信息三種維度上向?qū)W生直觀展現(xiàn)建筑物的組成信息，以及各階段的施工過程和技術(shù)信息，甚至運維期的管理，可涉及建筑物全生命周期的建造和管理信息，通過這種虛擬仿真教學(xué)實驗，學(xué)生可對專業(yè)領(lǐng)域工程的建造和管理信息進(jìn)行多維度、全尺度、360度視角和全生命周期的觀摩和學(xué)習(xí)，是土木、水利和交通工程類學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)的重要發(fā)展方向。

二、BIM技術(shù)應(yīng)用于虛擬仿真實驗教學(xué)的意義

（一）作為傳統(tǒng)教學(xué)方式的改革和延伸，可提高教師的教學(xué)質(zhì)量

實地觀摩實踐工程項目具有條件限制、經(jīng)費約束、安全風(fēng)險等特點，且一般往年參觀學(xué)習(xí)的項目施工過后就不再適合再次觀摩學(xué)習(xí)[5，7]。搭建基于BIM技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，一方面加深了課堂講授概念與實際工程實物的關(guān)聯(lián)，使概念名稱三維形象化、實物化;另一方面學(xué)生能將現(xiàn)場隱蔽部件和大型構(gòu)件看得真真切切、一覽無余。

（二）使學(xué)生更加深入和形象地了解項目的全生命周期

可解決學(xué)生無法通過簡短的現(xiàn)場實習(xí)了解項目全生命周期的問題，滿足土木水利類等專業(yè)實驗、實踐教學(xué)在時間及信息維度上的需求。學(xué)生按照實驗步驟掌握工程施工全過程的各工序的名稱和邏輯順序，并能結(jié)合BIM模型構(gòu)建三維虛擬施工場景，在看似搭積木的操作中感受到虛擬仿真實驗的樂趣和作為工程師的成就感。

（三）搭建學(xué)生與前沿技術(shù)之間的橋梁

BIM技術(shù)將更好地還原工程項目的實際狀況，還原國家重大工程項目的復(fù)雜程度。通過建立基于國家重大建設(shè)項目案例的BIM虛擬仿真實驗，可以實現(xiàn)實驗教學(xué)與國家重大建設(shè)項目的無縫接軌[8]。

（四）促進(jìn)BIM技術(shù)在高校中的應(yīng)用與融合，培養(yǎng)專業(yè)人才

BIM技術(shù)在我國建筑行業(yè)已經(jīng)從初步認(rèn)識進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用階段[3]。學(xué)生盡早接觸BIM技術(shù)，可為今后利用前沿技術(shù)輔助工程設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。教師也會加強BIM技術(shù)的學(xué)習(xí)，思索如何促進(jìn)BIM技術(shù)和教學(xué)的深度融合，增強教學(xué)展示效果。

（五）響應(yīng)綠色建筑、智慧城市的建設(shè)

通過教學(xué)與BIM技術(shù)的融合，引導(dǎo)學(xué)生理解綠色建筑、智慧城市的概念，將會提升我國未來工程建造的水平，使我國的工程建造水平朝著節(jié)能環(huán)保、智能高效的方向發(fā)展。

（六）支撐后疫情時代的線上教育

通過虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生和教師可隨時隨地進(jìn)行線上交互操作和練習(xí)，有力地支撐了在線實踐教學(xué)穩(wěn)定、有序、高質(zhì)量的開展[9]。

三、基于BIM技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)項目現(xiàn)狀分析

（一）基于BIM技術(shù)的虛擬仿真教學(xué)項目建設(shè)現(xiàn)狀

2018年6月，教育部認(rèn)定了105個首批國家虛擬仿真教學(xué)項目，至今已認(rèn)定兩批共401個項目，并在國家虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺（實驗空間，http：//www.ilab-x.com）上進(jìn)行了資源共享[10]。目前該網(wǎng)站上已有2079個項目進(jìn)行共享，其中基于BIM技術(shù)的虛擬仿真實驗僅有4個，并均專注于BIM技術(shù)在工程項目中某一階段的應(yīng)用，實驗類型以可視化認(rèn)知類實驗、仿真交互操作類實驗為主或二者結(jié)合為主[11]。此外，部分高校也積極進(jìn)行校級虛擬仿真教學(xué)項目的建設(shè)，為申請國家級虛擬仿真教學(xué)項目做準(zhǔn)備，如天津大學(xué)立項了“基于BIM技術(shù)的梁板式高樁碼頭施工過程的虛擬仿真實驗”和“基于BIM技術(shù)的沉箱重力式碼頭施工過程的虛擬仿真實驗”，并已在教學(xué)中應(yīng)用。

在建筑行業(yè)信息化推廣的大背景下，可見我國高校已陸續(xù)開始進(jìn)行教育信息化、智慧化的創(chuàng)新和改革。目前，各實驗均集中于BIM的施工模擬功能，而對其他功能應(yīng)用較少;學(xué)科多集中于交通類、土木類、水利類等專業(yè)，而工程管理類和建筑類等其他與BIM技術(shù)相關(guān)的專業(yè)還沒有建立相關(guān)項目。除BIM外，還應(yīng)用了多種技術(shù)以實現(xiàn)實驗平臺的建立。

（二）BIM與其他繪圖或建模技術(shù)的對比分析

BIM技術(shù)相關(guān)軟件有Revit系列、Bentley系列等，其使用目的在于參與建筑項目的全生命周期，包括方案設(shè)計、施工運維等，并附帶可視化功能，而CAD技術(shù)大多用于設(shè)計階段的成果展示及施工階段的依據(jù)，以Untiy3D、3ds Max等軟件實現(xiàn)的3D仿真技術(shù)僅可用作三維或動畫展示環(huán)節(jié)。

在表現(xiàn)形式方面，BIM技術(shù)可表現(xiàn)為帶有建筑各方面信息的BIM 3D模型、關(guān)聯(lián)進(jìn)度信息的BIM 4D施工模擬模型或關(guān)聯(lián)進(jìn)度和成本信息的BIM 5D成本控制模型，而CAD往往以帶有建筑符號或表示的點、線、面二維平面圖紙傳遞信息，以Untiy3D、3ds Max等軟件實現(xiàn)的3D仿真技術(shù)僅展示建筑信息的三維可視化模型或動畫，并不包含建筑的相關(guān)信息。

在建模方法方面，BIM技術(shù)使用數(shù)據(jù)信息庫的基礎(chǔ)構(gòu)件、模塊組合進(jìn)行建模，而CAD建模則需要先利用繪圖工具繪制基本圖形，以Untiy3D、3ds Max等軟件實現(xiàn)的3D仿真需要利用簡單的幾何模型組合建模，并采用渲染效果。

在工作模式方面，BIM技術(shù)能形成工程各階段的串聯(lián)并實現(xiàn)各參與方協(xié)同參與，甚至可以進(jìn)行空間碰撞檢查及成本管理核算;由于參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，利用數(shù)據(jù)的自動適配使設(shè)計更改和優(yōu)化變得更加方便。CAD應(yīng)用于設(shè)計環(huán)節(jié)，由設(shè)計方繪制二維圖紙并交給施工方，能形成串聯(lián)但不能實現(xiàn)各參與方的協(xié)同參與。以Untiy3D、3ds Max等軟件實現(xiàn)的3D仿真技術(shù)，同樣由設(shè)計方繪制及向各參與方進(jìn)行展示，不能形成各參與方的協(xié)同參與。

由此可見，BIM技術(shù)在表現(xiàn)形式方面能夠兼顧時間及造價等信息;在建模方法方面，采用更適用于建設(shè)工程的組件化的實體建模方式;在使用目的方面，更適用于建設(shè)工程和項目;在工作模式方面，可實現(xiàn)設(shè)計、建造和運維管理一體化，簡化了工作流程，提高了工作效率。BIM技術(shù)具有CAD或其他3D仿真所沒有的優(yōu)勢，更適合建筑工程相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)。

四、BIM技術(shù)在虛擬仿真實驗教學(xué)中的應(yīng)用前景

（一）逐步融入課程體系

隨著BIM技術(shù)的逐漸普及，高校中相關(guān)課程體系也會逐步融入BIM技術(shù)，制定相關(guān)教學(xué)目標(biāo)，越來越多的高校會將其引入課堂。與專設(shè)一門課的實現(xiàn)方式相比，各高?？梢詫IM技術(shù)進(jìn)行分解，利用其不同功能與各個專業(yè)進(jìn)行內(nèi)容整合，并建立虛擬仿真實驗平臺[12]。

（二）結(jié)合多種新技術(shù)，打造沉浸式教學(xué)場景

僅通過BIM技術(shù)很難達(dá)到既內(nèi)容豐富，又簡單易操作的使用目的，甚至?xí)黾咏虒W(xué)難度。在虛擬仿真實驗的開發(fā)過程中，BIM技術(shù)將與VR、AR等不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)相結(jié)合，相輔相成地提高教學(xué)質(zhì)量，這也是未來基于BIM技術(shù)的虛擬仿真實驗的主要發(fā)展方向之一。

（三）在多學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用多維度信息

未來BIM技術(shù)在虛擬仿真實驗中也將適用于更多的學(xué)科和教學(xué)環(huán)節(jié)，如工程管理類專業(yè)的成本造價管理，交通運輸、水利工程等專業(yè)的鐵路、地鐵、港口和水電站等的運營管理，等等。

結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)社會和建筑行業(yè)的發(fā)展，BIM技術(shù)作為一種計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)在建筑市場中也呈現(xiàn)出燎原之勢，高校能否快速推廣BIM技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用是高校BIM人才培養(yǎng)和進(jìn)一步提高高校建筑工程類相關(guān)專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

目前BIM在高校中的融合應(yīng)用還處于起步階段，各高校應(yīng)結(jié)合自身情況，落實建筑信息化與教育信息化方針，積極將BIM融入課程體系，充分利用BIM進(jìn)行虛擬仿真實驗教學(xué)，發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢及價值。

BIM在表現(xiàn)形式、建模方法、使用目的和工作模式上都具有CAD或3D仿真等技術(shù)所沒有的優(yōu)勢，也更加適用于建筑工程相關(guān)專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)?；贐IM技術(shù)的虛擬仿真實驗將朝著逐步融入課程體系，結(jié)合多種新技術(shù)打造沉浸式教學(xué)場景，并在多學(xué)科教學(xué)中應(yīng)用多維度信息的方向發(fā)展。

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The Application of BIM in Teaching of College Virtual Simulation Experiments

XIAO Zhong LI Jing QIAN Yuan-ming

（1.School of Civil Engineering， Tianjin Univeristy， Tianjin 300350， China; 2.Tianjin International Engineering Institute， Tianjin 300072， China; 3.CCCC-FHDI ENGINEERING CO.， LTD， Guangzhou， Guangdong 510000， China）

Abstract： The application of BIM in virtual simulation experiment is an innovative form of college teaching. The existing teaching projects based on BIM have been investigated and analyzed. The advantages and application prospects of BIM in college virtual simulation teaching are discussed. It is concluded that BIM has more advantages in various respects. BIM is more suitable for virtual simulation experiment teaching of construction engineering. Virtual simulation experiments based on BIM are integrated into the curriculum system. The virtual simulation experiment based on BIM will be gradually integrated into the curriculum system. We combine a variety of new technologies to create an immersive teaching scene and reflect multi-dimensional information in teaching， combined with new technologies to create immersive teaching scenarios， and reflect multi-dimensional information in teaching.

Key words： BIM; virtual simulation experiment; college teaching