基于BIM技術(shù)的高職《橋梁構(gòu)造與識圖》課程綜合改革

李 飛，陳 祥，陳艷華，隋玉鳳

(1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)， 宜昌 443002)

1 引 言

隨著交通強國戰(zhàn)略的大力推進，我國逐漸向橋梁強國轉(zhuǎn)變。橋梁建設(shè)在交通基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮著重要作用，高職院校道路與橋梁工程技術(shù)專業(yè)高素質(zhì)技能人才的培養(yǎng)尤為迫切，然而《橋梁構(gòu)造與識圖》的傳統(tǒng)課程教學(xué)，不能適應(yīng)新時代技能人才培養(yǎng)的發(fā)展要求，課程改革迫在眉睫。當(dāng)前，國內(nèi)高職院校對《建筑構(gòu)造與識圖》課程結(jié)合BIM技術(shù)進行改革的已經(jīng)有所推動，效果較好，在市政工程中也有所涉及[1]。但是在《橋梁工程》《橋梁構(gòu)造與識圖》[2-3]課程上較少融入BIM技術(shù)，亟待我們進行高職道路與橋梁工程技術(shù)專業(yè)橋梁識圖課程改革研究。

《橋梁構(gòu)造與試圖》課程現(xiàn)狀存在諸多問題，專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量與行業(yè)需求存在較大的差距[4]，特別是擴招學(xué)生素質(zhì)能力更弱[5]，原有培養(yǎng)模式需要做出改變。同時由于學(xué)制較短，前導(dǎo)課程開設(shè)不夠，學(xué)習(xí)專業(yè)核心課程的基礎(chǔ)比較薄弱，學(xué)生普遍感覺難度較大。此外，綜合類高職院校實訓(xùn)條件普遍與需求不匹配[6]，現(xiàn)場實踐安全風(fēng)險較大，教學(xué)資源匱乏[7]。因此，為提升學(xué)生學(xué)習(xí)《橋梁構(gòu)造與識圖》課程的信心，提高教學(xué)質(zhì)量，亟需對課程的教學(xué)方法進行改革。

2 BIM技術(shù)融入《橋梁構(gòu)造與識圖》課程主要路徑

2.1 橋梁識圖課程主要教學(xué)難點

《橋梁構(gòu)造與識圖》是一門對前導(dǎo)課程要求較高的專業(yè)課，內(nèi)容難度大，表現(xiàn)如下：

(1)平面繪圖與空間模型的有效轉(zhuǎn)化。學(xué)生空間想象能力不足，缺少幾何知識、缺乏工程經(jīng)驗，難以將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維構(gòu)件。

(2)整體結(jié)構(gòu)與局部構(gòu)件的構(gòu)造分析。橋梁圖紙通常需要識圖者切換順橋向與橫橋向視角，同時理解各構(gòu)件之間的相互關(guān)系，初學(xué)者很難適應(yīng)。

(3)橋梁細部構(gòu)造與工程量分析。鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼筋空間位置和關(guān)系復(fù)雜，型號眾多，識圖和工程量計算困難。

2.2 融入BIM技術(shù)的課程改革實現(xiàn)路徑

BIM軟件在道路橋梁隧道專業(yè)的適應(yīng)性越來越強，國外有Revit、Midas、CATIA、Bentley等眾多優(yōu)良軟件，國內(nèi)以同豪土木系列軟件為基礎(chǔ)，推出了公路工程設(shè)計BIM系統(tǒng)，行業(yè)反應(yīng)較好，有力推動了橋梁行業(yè)BIM技術(shù)發(fā)展。鑒于高職院校教學(xué)資源的限制，兼顧直觀效果好、操作性強、學(xué)生興趣足、經(jīng)濟可行等多方面優(yōu)勢，可以采用基于BIM技術(shù)的橋梁識圖類課程的教學(xué)實施[8]。

本次課程改革采用BIM技術(shù)解決學(xué)生橋梁構(gòu)造識圖的難點，有效融合了BIM技術(shù)三維效果直觀的優(yōu)點，BIM融入路徑及邏輯架構(gòu)如圖1所示。

(1)漫游功能解決平面繪圖與空間模型的有效轉(zhuǎn)化難題。通過不同視角，可以直觀了解橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的立面圖、平面圖、剖面圖，重點通過BIM模型將點線面之間的關(guān)系及三視圖的關(guān)系理解。

圖1 BIM融入路徑及邏輯架構(gòu)

(2)通過三維效果展示解決整體結(jié)構(gòu)與局部構(gòu)件的構(gòu)造分析難題。學(xué)生沒有實際現(xiàn)場經(jīng)驗，通過漫游功能，帶領(lǐng)學(xué)生仔細觀察各個細部，掌握不同橋梁上下部結(jié)構(gòu)及各個構(gòu)件，解決部分隱蔽工程的構(gòu)造認知。例如，裝配式梁橋中，學(xué)生很難理解橋墩的方向與主梁的方向不一致，多片主梁如何組裝成梁格體系，但通過橋梁整體BIM模型，帶領(lǐng)學(xué)生觀看一遍，即可了解橋梁結(jié)構(gòu)上下部結(jié)構(gòu)關(guān)系。

(3)通過BIM三維功能解決主梁等構(gòu)件復(fù)雜鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋布置圖的識圖問題。BIM技術(shù)可以直觀的將橋梁平面圖紙中的點、線、面結(jié)合在一起，并可以通過漫游功能，看到構(gòu)件的各部位及鋼筋分布。

基于BIM技術(shù)的有機融合，本課程主要從課程體系、課程內(nèi)容、課程實施、評價體系四方面進行綜合改革。采用BIM技術(shù)，全景顯示橋梁整體，然后對應(yīng)視角查看，即可模擬投影關(guān)系顯示圖紙，然后翻圖，三維模型生成對應(yīng)二維圖紙，完成工程量準確統(tǒng)計，橋梁結(jié)構(gòu)動態(tài)表達及信息化管理，充分發(fā)揮三維空間的想象力，促進融通識圖。

3 基于BIM技術(shù)的橋梁識圖類課程改革實施

3.1 融入BIM技術(shù)，改革課程體系和內(nèi)容

為了體現(xiàn)BIM三維展示橋梁整體布置及局部構(gòu)造[9]的功能(如圖2)，在本課程識圖的基礎(chǔ)上，增加CAD、MIDAS、Revit等相關(guān)軟件的操作的初步講授，將原有的單門課程講授轉(zhuǎn)變?yōu)槿谌隑IM基礎(chǔ)的橋梁識圖課程講授，貫通實操繪圖與構(gòu)造理解全過程。

通過自學(xué)、導(dǎo)學(xué)、訓(xùn)練、鞏固過程找規(guī)律，建立遞進“自主探究、BIM演示、構(gòu)造剖析、繪圖抄繪、BIM翻圖”五環(huán)節(jié)的識圖課程內(nèi)容改革模式。

引入BIM建模實操技能技術(shù)要求，弱化知識的講解，強化操作實訓(xùn)的部分。融入BIM操作，課時量仍然確定為60學(xué)時，理實一體化，將主要的課時分配給常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)識圖，實訓(xùn)先進行圖紙抄繪，然后進行CAD繪制相關(guān)圖紙，最后通過Revit軟件進行構(gòu)件建模。課程內(nèi)容重構(gòu)如圖3所示。

圖2 課程橋梁整體BIM模型

圖3 課程內(nèi)容重構(gòu)

在教學(xué)內(nèi)容上，結(jié)合橋梁項目情景，對本課程劃分橋梁概述、橋梁基礎(chǔ)、橋梁墩臺、上部結(jié)構(gòu)、附屬設(shè)施五大學(xué)習(xí)項目。

核心項目由教師講授、學(xué)生實訓(xùn)兩大部分組成，理實一體化實現(xiàn)。教師講授的部分，概括當(dāng)前最常用的各構(gòu)件形式，采用實體模型，圖片與視頻，教師通過Revit軟件建立的變截面箱梁模型，以此來引導(dǎo)學(xué)生識讀上部結(jié)構(gòu)中箱梁相關(guān)圖紙。

傳統(tǒng)鋼筋圖紙表達，利用BIM模型提供鋼筋三維表達直接顯示鋼筋位置，對鋼筋的搭接、彎起準確展示，初學(xué)者能直觀理解鋼筋直徑、等級、間距等信息，利用三維顯示突破鋼筋圖識圖的難點。對比二維圖紙計算單根鋼筋長度進行匯總鋼筋量，通過三維匯總計算提取鋼筋量，更為直觀準確，實現(xiàn)精準算量(見圖4)。

圖4 箱梁鋼筋BIM圖

3.2 面向BIM建模，改革課程實施

基于BIM基礎(chǔ)，融入橋梁構(gòu)造識圖教學(xué)過程，課程實施由課前預(yù)習(xí)、課中講授、實訓(xùn)導(dǎo)學(xué)、課后作業(yè)、教師總結(jié)幾部分組成。

課前：學(xué)生領(lǐng)取任務(wù)及資料，預(yù)習(xí)本次課的相關(guān)知識點，做好準備。

圖5 全橋布置圖

課中：由教師先進行講授，教師講授時采用實體模型和BIM模型切入，對照平面圖紙，重點講授構(gòu)造的名稱、作用、投影關(guān)系。給出BIM模型，動態(tài)講解各類構(gòu)件三視圖及構(gòu)造關(guān)系。

實訓(xùn)部分：學(xué)生在理解教師的講解后，首先將實訓(xùn)圖紙手工抄繪，以此理解圖紙中的比例、圖樣的線型線寬、標注，然后采用AutoCAD進行繪制，對比手工抄繪的圖紙進行，熟悉CAD操作，最后，將本構(gòu)件采用Revit建立模型。

課后：對實訓(xùn)課程項目完善，上交實訓(xùn)作品。

教師總結(jié)：分析本項目學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問題，包括識圖問題、構(gòu)造問題、軟件操作問題等，并提出解決辦法。為了學(xué)生了解更多同類構(gòu)件，采用其他橋型的BIM模型，帶領(lǐng)學(xué)生識圖，使學(xué)生達到融會貫通的目的。

3.3 對標BIM應(yīng)用，改革評價體系

對標BIM應(yīng)用職業(yè)技能考核要求，引入形成性評價內(nèi)容的同時，結(jié)合期末的測試，形成基于形成性評價的綜合評價體系。

形成性評價占比60%，由參與度、動手能力、成果準確度形成，評價注重學(xué)生在過程中的團隊合作、學(xué)習(xí)能力。項目情景中均會設(shè)置考核點，將大部分考核貫穿于學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核，在繪圖、CAD操作、BIM建模的過程中考核學(xué)生的各項能力，同時在期末采用理論測試與實操，考核學(xué)生核心知識點的掌握情況。

4 某預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁識圖案例

某公路橋梁主梁結(jié)構(gòu)，采用3根長30m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁結(jié)構(gòu)，樁柱式橋墩，主梁構(gòu)造與鋼筋較為復(fù)雜，學(xué)生識圖困難。為解決這一難題，本研究基于BIM技術(shù)進行教學(xué)，突破構(gòu)造識圖難點。

4.1 BIM三維表達與二維圖紙識讀

基于真實橋梁圖紙，建立BIM模型，通過不同視角顯示，得到對應(yīng)二維視圖，關(guān)聯(lián)三維模型與二維表達，拓展學(xué)生空間思維能力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)體驗感。在視角切換中，剖析空間維度變化，深化二維圖紙識讀，促進三維表達理解。

通過圖5、6的對比識讀，可以建立學(xué)生對裝配式簡支T梁的BIM模型與平面圖紙的對應(yīng)關(guān)系。

4.2 主梁細部布置與BIM模型分析

對于主梁，由整體圖與局部大樣圖分析主梁位置關(guān)系，在梁的端部截面T梁肋的矩形，跨中部位為馬蹄形，過渡區(qū)段為變截面區(qū)域(見圖7、8)。利用BIM模型表達，全面真實截面的的變化過渡段，直觀區(qū)分端部截面與跨中截面位置，通過模型對比，提升局部與整體關(guān)系分析能力。

圖6 全橋BIM模型

圖7 T梁一般構(gòu)造圖

圖8 T梁BIM模型表達

4.3 預(yù)應(yīng)力鋼束與BIM模型表達

預(yù)應(yīng)力鋼束是T梁的重要組成部分，正確識讀鋼束線型極為關(guān)鍵，課程教學(xué)通過BIM 模型預(yù)應(yīng)力三維表現(xiàn)，漫游表達預(yù)應(yīng)力剛束空間位置(圖9)以便于學(xué)生正確理解圖紙。

4.4 鋼筋識圖算量與BIM模型表達

以一榀T梁為例，如圖10所示，通過CAD圖紙與BIM模型構(gòu)建分析，平面繪圖與軟件翻圖協(xié)作，提升圖紙識圖與構(gòu)造關(guān)系理解。提取主梁工程量，并與主梁工程數(shù)量表進行對比，完成工程量復(fù)核。

圖9 預(yù)應(yīng)力鋼束BIM模型表達

圖10 T梁鋼筋構(gòu)造圖紙與BIM模型

根據(jù)BIM模型中的三維鋼筋結(jié)構(gòu)，突出顯示各鋼筋之間的位置關(guān)系，學(xué)生通過平面圖紙的投影關(guān)系，結(jié)合三維相關(guān)表達，即可理解鋼筋之間的相互關(guān)系，學(xué)生在理解鋼筋三視圖的基礎(chǔ)上，計算每一根鋼筋的長度，復(fù)核鋼筋數(shù)量表的內(nèi)容。圖紙工程量和BIM軟件在建模時一致，說明按圖建立BIM模型。傳統(tǒng)方法為學(xué)生自行看圖，理解計算工程數(shù)量。新方法為學(xué)生借助BIM模型，了解鋼筋布置情況和形狀后，根據(jù)圖紙進行統(tǒng)計工程量。

通過圖10理解每一根鋼筋的形狀和相對位置關(guān)系后，學(xué)生掌握了鋼筋形狀和長度，即可較為準確地計算出鋼筋數(shù)量。

4.5 手繪及CAD抄圖加深圖紙理解

針對課程任務(wù)，要求學(xué)生通過尺規(guī)手工作圖和CAD抄圖的形式，加深學(xué)生對平面圖紙的理解，同時提升學(xué)生動手能力。學(xué)生采用A3圖幅，確定繪圖比例，按照圖紙給出的尺寸，在規(guī)范指導(dǎo)下進行尺規(guī)繪圖。在繪圖過程中注意繪圖細節(jié)，線寬、布局等。學(xué)生通過前面過程的學(xué)習(xí)，使用AutoCAD軟件進行圖樣的繪制。通過“學(xué)練做”一體融通，強化構(gòu)造識圖與繪圖技能。