基于BIM技術的“鐵路橋梁施工與維護” 課程改革教學研究

【摘" 要】 橋梁施工作為高職鐵道工程專業(yè)的核心課程，具有實踐性、專業(yè)性強等特點，但目前的教學方法較為保守，教學效果不佳，應與教育、建筑行業(yè)的信息化發(fā)展快速結(jié)合，突破傳統(tǒng)教學的局限。作者嘗試將BIM技術融入橋梁施工課程，以建立橋梁模型庫為例，探索橋梁施工課程應用BIM技術的必要性和可行性。再以T梁為例，介紹了模型庫的建設方法和應用過程，總結(jié)了BIM技術對教學的作用，為相關課程走出教學困境提供借鑒。

【關鍵詞】 BIM技術；橋梁施工課程；橋梁模型庫；教學改革

一、傳統(tǒng)橋梁施工課程教學現(xiàn)狀及結(jié)合BIM技術建模教學對課程的幫助

第一，橋梁施工教學內(nèi)容多、專業(yè)性強，應用BIM技術后可提高學生學習興趣。

BIM技術是一種信息化技術，也是能使學生產(chǎn)生濃厚興趣的新領域，在開設橋梁課程時，學生已經(jīng)學習了“BIM技術應用”，掌握了使用Revit軟件進行基本建模的方法，將BIM技術與橋梁施工結(jié)合，讓學生自己建立橋梁構造的三維模型，增強學生對新技術的探索欲望，培養(yǎng)他們克服困難的勇氣，有助于增加教學趣味，提高學生學習的主動性。

第二，應用BIM技術后可實現(xiàn)用三維模型代替橋梁實體，不僅便于觀看外部形狀，還能剖切內(nèi)部構造。

包頭鐵道職業(yè)技術學院已經(jīng)建設關于橋梁模型的校內(nèi)實習基地，但學生只能看到已經(jīng)建設完成的橋梁模型，他們不能參與到建模的過程中，并且校內(nèi)實習基地對學校的經(jīng)濟、場地都有較高的要求，一般只能按實際橋梁建設縮小比例的模型，學生只能看到混凝土外觀，而不能了解內(nèi)部特點，只能看到一種、兩種橋梁模型，并不能看到所有類型的橋梁構造。除此之外，校內(nèi)實訓基地中到處都是橋梁模型，有些是混凝土橋梁模型，有些是鋼筋橋梁模型，如果學生在參觀實訓室的過程中，出現(xiàn)打鬧或者擁擠追逐，非常容易出現(xiàn)安全事故。實訓室的教學效果往往也不太理想，學生比較容易出現(xiàn)三五成群聊著他們感興趣的話題的現(xiàn)象，忽略了老師正在上課。

橋梁施工實踐教學的可行性低，如果使用BIM技術，通過使用Revit軟件可以建立不同類型的橋梁三維模型，橋梁不同構造的三維模型，不僅能夠清晰的看到橋梁外部形狀，還能對其進行剖切，準確定位每根鋼筋的型號、位置、長度、形狀以及數(shù)量，BIM技術的應用能有效提高橋梁施工課程的實踐性，提高教學質(zhì)量，增強學生對新技術、新知識的探索欲望，增加其克服苦難的勇氣，培養(yǎng)其堅韌不拔的意志。學生只有在完全學懂橋梁施工圖紙和掌握Revit技術后，才能建立出正確的三維模型，因此學校不止向用人企業(yè)輸送具有橋梁施工專業(yè)知識的人才，更為他們提供了熟練使用Revit軟件的人才，可以說是高標準地完成了人才培養(yǎng)計劃。

第三，橋梁施工實訓課程里的圖紙識讀難度高，應用BIM技術后，將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維模型，使圖紙更形象直觀，降低了學習難度。

目前，橋梁施工的實訓課程仍是施工圖紙的識讀，但是平面圖紙較為抽象，所以傳統(tǒng)的實訓課往往把學生分為三類，一類學生緊跟老師思路，通過聽講能夠自行完成學習任務；二類學生空間想象力不足，難以將平面圖紙與立體橋梁聯(lián)系起來，但通過死記硬背，也能取得較理想的成績；三類學生知難而退，一張圖看不懂，張張圖看不懂，最后只能放棄。利用BIM技術建立三維模型，學生不再為看不懂二維圖紙而苦惱，學生只需按著平面圖紙的要求建模，系統(tǒng)自動就會生成三維模型，然后再將三維模型沿著任意方向在任意面剖切，又可以得到各個方向、各個位置的橋梁平面圖，這樣的操作使平面與立體相結(jié)合，大大降低了施工圖紙的識讀難度。學生參與到整個模型的制作，親眼見證二維轉(zhuǎn)三維的過程，才能扎扎實實地掌握橋梁施工圖紙的閱讀方法。

二、BIM技術下教學用橋梁結(jié)構模型庫的建設方法研究

梁體跨度12m，混凝土強度C35，采用HPB235和HRB335鋼筋，建模步驟如下：

第一，打開Revit軟件，選擇結(jié)構樣板，找到“結(jié)構”選項卡，點擊“梁”，編輯梁的類型為T型梁，將設計圖紙上邊梁的上、下翼緣寬度和高度，腹板寬度和高度，混凝土強度編輯至“類型屬性”中，然后按照變截面界限的長度繪制T梁，最后將各截面整合。

第二，“結(jié)構”選項卡，點擊“保護層”，設置保護層厚度50mm。

第三，繪制梁體鋼筋，選擇東立面，選擇“結(jié)構”選項卡，點擊“鋼筋”，參照設計圖紙編輯箍筋的型號、直徑、長度、形狀，選擇“平行于工作平面”，按照間距數(shù)量布置箍筋。也可以先編輯箍筋族，然后導入。與上一步驟相同的方法布置縱筋，注意縱筋布置時選擇“平行于保護層”。

第四，繪制橋面板和擋渣墻鋼筋，方法同第三步。最終繪制結(jié)果如圖1所示。

參照上述步驟還建立了橋墩、橋臺、基礎的模型，從而組成應用于橋梁施工課程的模型庫，后期還可根據(jù)教學需要建立其他類型的橋梁模型。

三、BIM技術下教學用橋梁結(jié)構模型庫的應用

（一）利用BIM三維模型識讀施工圖紙概圖、平面圖、剖面圖

在進行讀圖識圖實訓時，首先要帶領學生參觀T型橋梁，但受安全、課時因素影響，一般只能在橋下，或者稍遠的位置觀看T梁的外部構造和形狀，導致學生細部結(jié)構看不清晰，看后記不住，教師難以管理學生，教學時間不足等問題出現(xiàn)?；氐秸n堂識讀平面圖紙時，學生依然搞不清剖面的位置，剖面處的立體形狀，什么是變截面，此時又沒有實物，老師很難只靠圖紙講明白它們之間的空間關系。應用BIM橋梁模型則可以解決以上問題。

圖2是跨中位置的橋梁橫截面施工圖，其中梁體界線有實有虛，并且與鋼筋混合在一起，對于沒有看圖經(jīng)驗的學生而言，很難辨別出梁體形狀，截面的位置，更看不清各型號的鋼筋是如何布置的，什么形狀，數(shù)量有多少。

圖3是與圖2位置一致的跨中剖切節(jié)段的三維模型，可以一目了然看出跨中剖切后梁體的形狀，明確分辨出梁體邊界線和鋼筋布置位置，旋轉(zhuǎn)模型后還能看明白為什么設計圖紙中I-I剖面有些位置是虛線。同理，圖4是梁體水平剖切圖，這張圖上，很難看出腹板的寬度和高度有什么變化，但是與它對應的三維模型圖5里很容易就能看出，梁體腹板在梁體兩端處寬，在跨中位置窄，下翼緣板在梁體兩端高，在跨中位置矮。所以三維模型能夠清晰也展示出梁體的寬窄、高低變化。圖6畫圈處是梁體變截面位置，在模型中，可以清晰看出，下翼緣高度由梁端至跨中是逐漸減小的。由此可見，三維模型直接獲取的信息遠比施工圖紙中的多，而且識讀起來更加直觀。

學生通過將BIM模型與施工圖紙對照，可以增強識讀剖切圖紙的能力，同時可以幫助學生了解更多關于該構造的特征信息，并且由于BIM三維的互動特性，學生的學習主動性也可以大幅提高。

（二）利用BIM三維模型識讀施工圖紙鋼筋數(shù)量、空間位置

鋼筋數(shù)量和布置位置是學習識讀施工圖紙的最大難點。以鋼筋數(shù)量表中a1鋼筋和a5鋼筋為例（圖7），I-I剖面能看出a1鋼筋的形狀，但要結(jié)合梁腹板中心縱截面圖才能看出他的空間布置位置和數(shù)量；如果是a5鋼筋，它在圖2中只是一個點，空間布置位置和數(shù)量，很容易找到，但是形狀和長度仍要結(jié)合梁腹板中心縱截面圖來閱讀。

鋼筋的識讀不能只在一個平面，就將所有信息獲取，但通過三維模型，則能輕易解決這個問題。如圖8所示，用鼠標點擊a1模型中的鋼筋，單根a1鋼筋變成藍色，從模型中就能看出它的形狀、數(shù)量和空間位置，再點擊“屬性”菜單欄，還能查看a1鋼筋的等級、長度、直徑等信息。

（三）應用BIM技術后，新的考核方法能更全面衡量學生的學習效果

鑒于開設橋梁施工課程時，學生已具備基本的Revit軟件的操作技能，所以考核由筆試、答辯和上機三部分組成，其中筆試內(nèi)容是計算混凝土和鋼筋用量，占總成績的30%。答辯內(nèi)容是分析鋼筋空間位置和數(shù)量，占總成績的20%。上機內(nèi)容是按要求截取T梁的某一截段，以此為研究對象，編輯其中包含的所有鋼筋的等級、形狀、數(shù)量、直徑、單根長度、一片梁的總鋼筋長度，上機成績占總成績的50%。

四、教學效果分析

在2019級、2020級鐵道工程專業(yè)兩個平行班中選出一個班作為教學試點，然后對比實訓成績后發(fā)現(xiàn)，2019級試點班成績高出非試點班成績24.34%，2020級試點班成績高出非試點班成績31.57%。足以見得，應用BIM模型庫后，學生的學習成績有了明顯的提高。

教學過程中發(fā)現(xiàn)，學生對三維模型的識讀興趣和求知欲望較高，與老師的互動也顯著增加，不再需要為了高分而對不理解的知識死記硬背，也減輕了學生的學習壓力，可以說是在快樂中學習，從學習中去找快樂。

橋梁模型庫中的模型是參照實際工程項目圖紙而建成的，有效實現(xiàn)理實結(jié)合，降低了教學成本，增加了實訓安全性，提高了教學效果，為學生提供了接觸BIM技術的前沿科技的機會，為日后學生考取“1+X”證書做好充足準備，為更快速地適應崗位需求打好基礎。

橋梁模型成熟的應用于橋梁施工教學后，后續(xù)的教學中，計劃讓學生根據(jù)施工設計圖紙自行建模，培養(yǎng)橋梁方向BIM技術人才。

參考文獻：

［1］ 何關培，李剛. 那個叫BIM的東西究竟是什么［M］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］ 冀偉，藺鵬臻，劉世忠. 基于BIM技術的“情景教學-仿真模擬-工程應用”的橋梁施工課程教學改革與實踐［J］. 高等建筑教育，2019（02）：124-130.

［3］ 楊勃，蔣平江，陳艷茹. BIM技術在橋梁施工課程教學改革中的應用［J］. 遼寧高職學報，2017（02）：52-55.