BIM+三維模擬情景教學(xué)法在“橋梁工程”教學(xué)中的探討＊

齊東春，雷進(jìn)生，陳興華

（三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002）

建筑信息模型（BⅠM）在近10年迅速發(fā)展，推動(dòng)了整個(gè)土木建筑行業(yè)新的變革[1]。BⅠM技術(shù)能夠集成橋梁工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工及后期管養(yǎng)各個(gè)階段的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)橋梁工程項(xiàng)目全壽命周期的數(shù)據(jù)共享，有利于實(shí)現(xiàn)橋梁全壽命設(shè)計(jì)理念及目標(biāo)，以提升項(xiàng)目質(zhì)量、降低全壽命建造及維護(hù)成本[2]。目前，BⅠM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、碰撞檢查、三維施工方案模擬、工程量精確量算、信息交互及運(yùn)維管理平臺(tái)等方面[3]，如圖1所示。盡管中國BⅠM技術(shù)存在應(yīng)用能力不平衡、集成化程度不高等問題，并沒有在橋梁工程項(xiàng)目中得到全面推廣，但基于BⅠM技術(shù)的智能化和高精度化的全壽命橋梁設(shè)計(jì)勢必是未來發(fā)展的方向[4]。

圖1 BⅠM技術(shù)在橋梁工程各階段的應(yīng)用

1 “橋梁工程”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

“橋梁工程”結(jié)構(gòu)體系眾多、構(gòu)造復(fù)雜，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，對于沒有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、缺乏生活常識(shí)的學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜的橋梁構(gòu)造是困難的，而掌握橋梁構(gòu)造特點(diǎn)是正確進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。目前在橋梁各部分構(gòu)造的教學(xué)中，教師仍主要應(yīng)用傳統(tǒng)媒體如幻燈片、施工照片、教學(xué)視頻（自制或來源于網(wǎng)絡(luò)）及教學(xué)模型。新形勢下教學(xué)改革理念是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，教學(xué)以“學(xué)生為中心”，教師主要起引導(dǎo)及答疑作用[5]。經(jīng)過幾輪培養(yǎng)方案的調(diào)整，道橋類專業(yè)課學(xué)時(shí)數(shù)已大幅減少，一些必修課程也變?yōu)檫x修課程。如何充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性、充分利用課堂以外的時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)生和創(chuàng)新就顯得尤為重要。

2 以BIM為手段的三維模擬情景法教學(xué)

在課堂教學(xué)課時(shí)不斷被縮減而教學(xué)內(nèi)容不斷更新和擴(kuò)充的矛盾下，必須采用更加先進(jìn)的教學(xué)手段來確保課堂教學(xué)的質(zhì)量[6]。隨著BⅠM技術(shù)不斷被推廣和普及，將BⅠM技術(shù)融入課程教學(xué)中已成為可能。采用BⅠM技術(shù)對橋梁工程中一些復(fù)雜構(gòu)造構(gòu)建三維參數(shù)化模型，可更加直觀、形象地展示橋梁的復(fù)雜的細(xì)部構(gòu)造，以BⅠM先進(jìn)的技術(shù)和手段更好地實(shí)現(xiàn)直觀教學(xué)法，大幅度提高課堂教學(xué)效率及質(zhì)量。

2.1 三維模擬情景法教學(xué)案例的設(shè)計(jì)

根據(jù)新工科對學(xué)生復(fù)合交叉、實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求，結(jié)合橋梁工程中重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)，采用常規(guī)教學(xué)手段難以講解清楚的內(nèi)容，選擇三維模擬情景法教學(xué)內(nèi)容。

通過反復(fù)優(yōu)化調(diào)整最終確定建模內(nèi)容，如表1所示。

表1 三維模擬情景法教學(xué)內(nèi)容

在開展橋面布置與構(gòu)造教學(xué)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際橋梁工程的施工圖紙采用Revit軟件將主梁之上的橋面系部分建立三維參數(shù)化模型，該模型不僅能清晰地展示橋面鋪裝、伸縮縫、防排水系統(tǒng)、人行道及欄桿的總體布置，而且也能顯示各組成部分的細(xì)部構(gòu)造，如常見橋面鋪裝的三角墊層、防水層、行車道鋪裝層等。學(xué)生可非常形象直觀地掌握橋面系的各組成部分及構(gòu)造特點(diǎn)，避免按圖片和文字講解而導(dǎo)致內(nèi)容繁多、枯燥乏味等問題。

簡支T梁橋的計(jì)算是橋梁工程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，掌握其構(gòu)造是進(jìn)行計(jì)算分析的前提條件，而由于缺乏工程經(jīng)驗(yàn)和空間想象力，學(xué)生很難通過二維平面圖弄清楚其復(fù)雜的構(gòu)造，若采用BⅠM軟件對簡支T梁橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，則可清楚展示T梁、橫梁及橋面板的布置及連接。解決了教師采用常規(guī)教學(xué)手段難以將T梁橋上部構(gòu)造講解清楚的困惑。

懸臂施工法是大跨徑橋梁最常用的施工方法，在各種橋型中均有廣泛應(yīng)用。掌握該工法是正確進(jìn)行分階段懸臂施工的橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算的前提。可利用BⅠM技術(shù)創(chuàng)建三維動(dòng)畫模型，生動(dòng)形象地展示整個(gè)懸臂施工工序，在動(dòng)畫中鏡頭由遠(yuǎn)處向一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)懸臂節(jié)段靠近，充分展示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)懸臂節(jié)段施工所包括的關(guān)鍵工序，即掛籃前移及調(diào)整—混凝土澆筑—預(yù)應(yīng)力張拉。整個(gè)動(dòng)畫模型設(shè)計(jì)緊湊、逼真，很好地展示了整個(gè)懸臂施工流程及關(guān)鍵工序。

其他教學(xué)案例的設(shè)計(jì)因篇幅所限不一一展開，其共同特點(diǎn)是利用BⅠM強(qiáng)大的三維可視化技術(shù)對橋梁工程教學(xué)中一些難以通過二維平面圖或照片講解的重難點(diǎn)問題進(jìn)行參數(shù)化建模，以實(shí)現(xiàn)三維模擬情景法教學(xué)。

2.2 三維模擬情景法教學(xué)案例的實(shí)施

以懸臂施工掛籃構(gòu)造為例，介紹三維模擬情景法教學(xué)的實(shí)施過程。掛籃是大跨徑橋梁懸臂施工的主要施工裝置，是梁段節(jié)段施工的工作平臺(tái)。在教材中用了大量篇幅對掛籃進(jìn)行講解，若能在懸臂法施工現(xiàn)場對照教材則很好理解，但對沒有工程閱歷的學(xué)生來說則會(huì)一頭霧水，此時(shí)授課教師若能利用BⅠM技術(shù)對掛籃進(jìn)行三維參數(shù)化建模，則能清晰地展示掛籃各受力構(gòu)件的布置、掛籃與梁體的連接、掛籃的移動(dòng)及調(diào)節(jié)等。在三維模型中，整個(gè)掛籃的形成過程應(yīng)分步展示，從軌道及頂推設(shè)備安裝→主桁架安裝→吊桿及橫梁安裝→模板安裝，在每步中盡可能地將各個(gè)細(xì)部構(gòu)造及連接措施描述清楚，如圖2所示。在安裝掛籃軌道時(shí)，將掛籃的移動(dòng)裝置（前后工作車）、頂推裝置（千斤頂和油缸），以及工作車與軌道和梁體的連接等細(xì)節(jié)一并展示出來，這樣學(xué)生便可深入理解掛籃逐步形成過程及工作原理?？梢娨隑ⅠM模型后教師可用相同的教學(xué)時(shí)間輕松地將掛籃的構(gòu)造、安裝及工作原理講解清楚。學(xué)生也可以從晦澀難懂的文字和圖片中解脫出來，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)效率。

圖2 掛籃安裝

要實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)和效果，要求授課教師掌握至少1種BⅠM軟件，并花大量時(shí)間和精力進(jìn)行備課，精細(xì)組織教學(xué)內(nèi)容，以實(shí)際工程為依托，根據(jù)二維平面施工圖建立BⅠM三維可視化模型，并采用渲染、透視、拆分、局部放大、標(biāo)注說明等手段制作表現(xiàn)力強(qiáng)的參數(shù)化模型。

2.3 三維模擬情景法的交互式教學(xué)

隨著“橋梁工程”課堂教學(xué)學(xué)時(shí)被大幅壓縮，如何將部分專業(yè)知識(shí)的課堂學(xué)習(xí)延伸到課外學(xué)習(xí)，是需要探討的問題。由于BⅠM技術(shù)將成為未來土木建筑行業(yè)高校安全發(fā)展的重要手段，為適應(yīng)社會(huì)需求，在各校人才培養(yǎng)方案中已紛紛加入BⅠM相關(guān)課程，學(xué)生對BⅠM的學(xué)習(xí)熱情也十分高漲。橋梁工程課程一般在大三下學(xué)期或大四上學(xué)期開設(shè)，此時(shí)學(xué)生已具備一定的BⅠM基礎(chǔ)，在這一背景下，教師可引導(dǎo)學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)BⅠM參數(shù)化建模。

具體實(shí)施時(shí)，可將教學(xué)班級(jí)劃分為幾個(gè)小組，每組5人左右，設(shè)組長負(fù)責(zé)具體任務(wù)分配與協(xié)調(diào)。教師以項(xiàng)目制的方式擬定各小組需完成的任務(wù)，需結(jié)合教學(xué)的需要從實(shí)際工程項(xiàng)目中選擇合適的建模內(nèi)容，提供施工圖紙及參考資料，明確建模的具體內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生分步完成建模任務(wù)。各小組依據(jù)教師指定的任務(wù)進(jìn)行分工協(xié)作，首先是實(shí)際工程圖紙的識(shí)圖工作，需利用已學(xué)的工程識(shí)圖知識(shí)將二維平面圖轉(zhuǎn)換為三維空間圖，然后選擇熟悉的BⅠM軟件（如Revit、Navisworks等）進(jìn)行三維參數(shù)化建模，按照從整體到局部的順序?qū)δＰ瓦M(jìn)行檢查和調(diào)整，以保證模型的正確性與橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際構(gòu)造一致，然后采用渲染、標(biāo)注等手段使模型具有良好的可視化效果，最后提交模型并準(zhǔn)備答辯。在課堂教學(xué)的相關(guān)章節(jié)可安排學(xué)生講解，展示學(xué)生的BⅠM作品，安排小組進(jìn)行匯報(bào)和答辯，要求小組全部成員均上臺(tái)，1人主講，其他成員補(bǔ)充和答辯，教師最后進(jìn)行總結(jié)和評述，并根據(jù)模型的完成情況和答辯情況進(jìn)行評分，作為學(xué)生的平時(shí)成績，在這一過程中實(shí)現(xiàn)了師生的交互和課堂翻轉(zhuǎn)。在這種教學(xué)模式中，教師主要起規(guī)劃、引導(dǎo)和答疑的作用，學(xué)生則是主體，通過查閱大量資料，綜合利用所學(xué)知識(shí)完成預(yù)定任務(wù)[5-7]。

3 結(jié)語

由于“橋梁工程”課程的特殊性，傳統(tǒng)的教學(xué)手段與方法已不適應(yīng)當(dāng)前的人才培養(yǎng)方案，“橋梁工程”課程教學(xué)改革已迫在眉睫。基于BⅠM技術(shù)的三維模擬情景教學(xué)法已在三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院“橋梁工程”教學(xué)中得到應(yīng)用，通過連續(xù)三屆的教學(xué)實(shí)踐，取得良好的效果。最為明顯的進(jìn)步體現(xiàn)在：教師授課更加輕松自如，自我認(rèn)同感提升；課堂吸引力增強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情高漲；師生互動(dòng)增強(qiáng)，學(xué)生更愿意提問，解決問題的能力提高；學(xué)生的BⅠM應(yīng)用水平普遍提高。存在的問題如下：教師需要具有較高的BⅠM應(yīng)用水平及豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，這對教師提出了更高要求；教師需要花大量時(shí)間制作三維參數(shù)化模型，并需利用空余時(shí)間為學(xué)生指導(dǎo)、答疑；學(xué)生水平參差不齊，提交的作品有一部分達(dá)不到要求。