融合BIM技術(shù)的土木工程制圖課程教學(xué)研究★

鄧 娜，潘 強，張 敏

(成都工業(yè)學(xué)院土木工程系,四川 成都 611730)

0 引言

土木工程制圖與識圖是面向土建類專業(yè)的學(xué)生,在大一開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,使學(xué)生具有較強的空間思維能力是該課程的教學(xué)目標(biāo)之一,但在實際授課過程中發(fā)現(xiàn),普遍學(xué)生的空間思維能力較差,無法將二維平面圖與三維立體圖對應(yīng)起來,學(xué)習(xí)制圖較為困難。BIM是Building Information Modeling的簡稱,代表建筑信息模型,是通過軟件虛擬建設(shè)的一個多維度的工程數(shù)字化模型。通過積極開展現(xiàn)代信息技術(shù)和制圖課程教學(xué)的結(jié)合,將BIM模型融合在日常教學(xué)中,通過可視化的三維模型直觀地呈現(xiàn)課程教學(xué)內(nèi)容,輔助學(xué)生理解制圖知識,提高教學(xué)效率和質(zhì)量,達到教學(xué)目標(biāo)。

1 現(xiàn)狀

李雪[1]以美國知名大學(xué)為例,分析了如何將BIM和虛擬設(shè)計與施工技術(shù)引入相關(guān)課程,為國內(nèi)教育提供了參考。國內(nèi)高校建筑土木類專業(yè)教育也逐漸增加BIM技術(shù),毛新奇[2]通過分析建筑制圖課程教學(xué)中的問題,提出引入BIM技術(shù)對建筑制圖課程教學(xué)改革的建議;黃黎敏等[3]介紹了在建筑工程專業(yè)中探索與實施BIM教育的過程;欒英艷等[4]結(jié)合新工科背景,對工程圖學(xué)課程進行改革建設(shè)。土木工程制圖課程是土建類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程,很多學(xué)者也一直在研究制圖課程的建設(shè)與改革。其中,王業(yè)明[5]通過“作業(yè)驅(qū)動”的方式,將CAD和制圖課程的教學(xué)有機融合起來,達到教學(xué)效果;胡海軍等[6]應(yīng)用Solid Work建立立體模型庫的方法進行制圖課程的教學(xué)改革,并取得較好效果;何蕊等[7]將BIM技術(shù)引入土木工程制圖課堂教學(xué);吳杰等[8]對多學(xué)科交叉融合的智能建造專業(yè)進行制圖課程建設(shè)研究。

目前已有一些學(xué)者結(jié)合BIM技術(shù)對土建類專業(yè)的課程進行了課程建設(shè)改革,針對土木工程制圖課程改革的方法是使用BIM相關(guān)軟件建立模型資源庫和在宏觀層面上把Revit作為三維教學(xué)軟件進行講解,并未將BIM技術(shù)融入土木工程制圖各知識點的教學(xué)中。

目前各高校在課程設(shè)置上的主要形式有:1)只開設(shè)土木工程制圖課程,利用Revit軟件建立BIM三維模型資源庫,輔助制圖課程教學(xué);2)分兩門課開設(shè),土木工程制圖和建筑信息模型技術(shù)應(yīng)用課程進行獨立授課;3)只設(shè)一門課程,課程中包括制圖和BIM建模等教學(xué)內(nèi)容,但是先講制圖知識,再講BIM建模。第一種形式只是把BIM技術(shù)作為輔助教學(xué)工具;第二、三種形式將制圖知識點和BIM 建模分開講授,融合度不夠。融合BIM技術(shù)的土木工程制圖課程改革將兩者相互融合,將BIM技術(shù)融入制圖各章節(jié)中,使其在學(xué)習(xí)過程中自然過渡,既掌握了制圖知識、提高了空間思維能力,又掌握了基本的建模技能。

2 BIM融入制圖課程理念

BIM技術(shù)利用三維軟件Revit Architecture,設(shè)計含有完整工程信息的三維數(shù)字模型,并用該模型自動生成帶尺寸標(biāo)注的工程視圖,包括平、立、剖面圖、詳圖等二維施工圖。通過BIM技術(shù)可改變從識讀二維圖紙到聯(lián)想三維實體的傳統(tǒng)教學(xué)方式,改變教師的教學(xué)理念[9]。學(xué)生通過旋轉(zhuǎn)模型,能直觀地觀察建筑的每個細節(jié),并且在Revit中可以同時查看模型的三維視圖、平面圖、剖面圖等自動關(guān)聯(lián)的信息。學(xué)生通過反復(fù)查看、學(xué)習(xí)和理解,逐步培養(yǎng)其空間思維能力。

將BIM技術(shù)融入土木工程制圖課程,運用模型可視化、可出圖性的特點,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,促進學(xué)生對制圖知識的理解。同時近年來施工單位、設(shè)計單位等用人企業(yè)對應(yīng)屆畢業(yè)生具有BIM應(yīng)用能力的要求在提高,不僅是房屋建筑要求建三維模型,對工業(yè)類、市政類建構(gòu)筑物也開始逐步要求使用BIM,由此可見BIM應(yīng)用范圍廣闊。

3 實踐措施

經(jīng)過前期調(diào)研、資料查閱,從教學(xué)大綱、教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、實踐教學(xué)及考核方式等多方面進行將BIM技術(shù)融入到土木工程制圖課程的研究,進行課程建設(shè),然后開始教學(xué)實施,通過具體實施效果進行教學(xué)經(jīng)驗總結(jié),對需要調(diào)整的地方繼續(xù)完善,最后進行成果的推廣與應(yīng)用。實踐過程如圖1所示。

3.1 修訂教學(xué)大綱

土木工程制圖課程的教學(xué)內(nèi)容包括:畫法幾何、投影制圖、專業(yè)制圖和識圖這三個方面,詳見圖2。其中,畫法幾何和投影制圖是專業(yè)制圖和識圖的理論基礎(chǔ),專業(yè)制圖和識圖包括建筑施工圖、結(jié)構(gòu)施工圖的繪制與識讀。通過梳理土木工程制圖課程教學(xué)內(nèi)容,理清畫法幾何、投影制圖、專業(yè)制圖和BIM建模之間的相互關(guān)系,選擇可以融入BIM技術(shù)的知識點,在原課程的基礎(chǔ)上增加BIM技術(shù)的內(nèi)容。將制圖知識和軟件建模貫穿講解,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)軟件建模的同時,對制圖知識點的理解更加深刻。豐富教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源后,調(diào)整原有內(nèi)容的講課學(xué)時,重新進行學(xué)時分配,使學(xué)生在掌握課程原有的制圖基本原理和專業(yè)繪圖知識的基礎(chǔ)上,學(xué)會Revit軟件基本的建模方法,為后續(xù)其他專業(yè)課程、畢業(yè)設(shè)計及各類學(xué)科競賽等做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

3.2 改革教學(xué)模式

融入BIM技術(shù)后,土木工程制圖課程傳統(tǒng)的授課模式已不能滿足正常的教學(xué)要求。BIM技術(shù)涉及到軟件操作,必須使用新的教學(xué)模式才能達到教學(xué)效果。改變傳統(tǒng)的先講制圖內(nèi)容再講BIM內(nèi)容的形式,將BIM教學(xué)充分融入制圖各章節(jié)中。采用“能力本位”課堂教學(xué)模式,培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力,改變傳統(tǒng)的從二維圖紙的識讀到三維實體的想象為創(chuàng)建三維實體再到二維平面圖紙的理解,以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加深對知識的領(lǐng)悟。課程以學(xué)生為主體,以課堂講解、課后學(xué)習(xí)、合作練習(xí)為主要方式開展教學(xué)。例如,在學(xué)習(xí)組合體和建筑形體表達的知識點時,讓同學(xué)們使用Revit中的概念體量來創(chuàng)建標(biāo)高、參照平面、參照點等工作平面,再在工作面上創(chuàng)建輪廓組合生成三維概念體量模型,通過對模型進行旋轉(zhuǎn)、視圖切換、三維剖切使學(xué)生更深入理解組合體的投影,建筑形體剖面和斷面的知識。通過學(xué)生自己動手建立模型,提高興趣、加深印象,變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。由于課時的局限性,還增加部分微課的學(xué)習(xí),延伸課堂,培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

3.3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)的制圖課程知識點很細很多,再融入BIM技術(shù)的知識,會導(dǎo)致教學(xué)學(xué)時嚴(yán)重不足,因此要對制圖課程的教學(xué)內(nèi)容進行整合優(yōu)化[10]。

畫法幾何的主要內(nèi)容有:投影基本知識、點線面的投影及其相對位置關(guān)系等,其中部分內(nèi)容如換面法等在實際工作中很少用到。學(xué)生只需要掌握投影的基本知識、點線面的投影、建筑形體的表達方法、軸測圖等內(nèi)容即可滿足相關(guān)工作的要求,解決常規(guī)的問題。利用BIM三維建模建立空間關(guān)系來講解相貫線和截交線這兩個知識點,通過模型可以看到復(fù)雜形體的相貫線和截交線的空間形狀,促進學(xué)生理解,加快學(xué)習(xí)進程同時也能節(jié)省授課時間。壓縮以上部分內(nèi)容,其課時可用于BIM的教學(xué)。

優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容還包括深度挖掘制圖知識點與BIM教學(xué)的融合點,研究什么地方融入,融入什么內(nèi)容,最終使BIM技術(shù)融入土木工程制圖的各知識點中,并且對教學(xué)內(nèi)容和授課順序重新設(shè)計,避免出現(xiàn)BIM軟件操作和制圖理論授課內(nèi)容割裂的情況。例如:學(xué)習(xí)建筑施工圖時,先讓學(xué)生動手創(chuàng)建建筑的BIM模型,然后生成該建筑的平、立、剖面圖,這樣學(xué)生對投影制圖部分知識進行回顧,同時更清楚建筑施工圖的圖示內(nèi)容及識圖要點。教學(xué)內(nèi)容對比如表1所示。

表1 教學(xué)內(nèi)容對比表

3.4 增加實踐學(xué)時

土木工程制圖課程對空間思維能力要求很高,需要由圖想物。其教學(xué)目標(biāo)是通過學(xué)習(xí)制圖和識圖的基本知識,具備工程制圖與識圖的基本能力和基本素質(zhì),培養(yǎng)空間想象能力和空間分析能力。在教學(xué)中融入了BIM技術(shù)后,會增加相應(yīng)的實踐課時讓學(xué)生動手操作,著重實踐能力的培養(yǎng),獲得感性認(rèn)識的積累以及空間思維的啟發(fā),實現(xiàn)手腦并用、學(xué)做合一。從課程開始,可采用“模型作業(yè)”的形式,增加學(xué)生上機建模的時間,培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實操能力,并對實踐練習(xí)學(xué)時做出要求,包括預(yù)習(xí)時間、上機操作時間以及交流時間。

針對某些較難的知識點布置“項目作業(yè)”,通過分組的形式完成,并作報告交流,加強學(xué)生邏輯思維訓(xùn)練,提高學(xué)習(xí)效果。在完成該項任務(wù)時,可以增強學(xué)生的實際動手能力、團隊協(xié)作能力和發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力,并為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和實踐打下基礎(chǔ),提升學(xué)生的綜合工程素質(zhì)。

3.5 改進考核方式

融入了BIM技術(shù)的制圖課程具有很強的實踐性,傳統(tǒng)的課程以期末考試為主要考核方式,卷面成績只能說明學(xué)生對理論知識的掌握程度,實際動手能力不能體現(xiàn)出來。因此,本課程將總成績分為平時成績和期末成績,實踐能力包含在平時成績中,改變原有7∶3的比例為5∶5,即期末筆試占總成績的50%,平時成績占總成績的50%,其中平時成績包括上課考勤、課堂表現(xiàn)、模型作業(yè)、項目作業(yè)、手繪作業(yè)等。

4 應(yīng)用型人才培養(yǎng)

將BIM技術(shù)貫穿融合于制圖課程的教學(xué)中,圍繞土木工程制圖教學(xué)質(zhì)量和BIM基礎(chǔ)建模能力雙提高為目標(biāo)實施教學(xué)。將BIM技術(shù)充分融合在制圖知識點教學(xué)過程中,使學(xué)生既能掌握土木工程制圖的基本知識,又能熟悉建模過程,在建模過程中對圖紙的識讀理解更進一步,空間思維能力也得到提升。將BIM教育融入整個大學(xué)四年的專業(yè)課程體系中,使其在專業(yè)教育中達到橫縱向全覆蓋的模式,即在第一學(xué)年,進行BIM基礎(chǔ)訓(xùn)練,使其會基本的建模;對大二的、大三的同學(xué)進行擴展訓(xùn)練,增加建模難度,加強BIM應(yīng)用,選拔優(yōu)秀學(xué)生參加智慧建筑創(chuàng)新大賽、四川省BIM建模競賽等BIM、成圖比賽等相關(guān)比賽,如圖3所示。由于提前完成基礎(chǔ)軟件操作的學(xué)習(xí),還可以為第6學(xué)期為期2周城市地下空間工程BIM技術(shù)應(yīng)用實訓(xùn)打下基礎(chǔ),再學(xué)習(xí)BIM技術(shù)應(yīng)用時,學(xué)生已有一定的建?；A(chǔ),通過實際項目學(xué)習(xí)BIM深化應(yīng)用,可以更好地掌握BIM技術(shù)。

BIM技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景,將其引入大學(xué)本科專業(yè)教育中,可以使學(xué)生盡早接觸本專業(yè)的部分前沿技術(shù),有利于激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的興趣和熱愛,提前做好職業(yè)發(fā)展規(guī)劃。將BIM技術(shù)融合到傳統(tǒng)的“制圖”課程中,通過三維立體建筑模型,學(xué)生能更好地閱讀和理解施工圖,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,鍛煉學(xué)生實操能力,培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力,使其成為滿足社會需求的應(yīng)用型人才。

5 結(jié)語

為滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求,提高教學(xué)質(zhì)量,土木工程制圖課程融合BIM技術(shù),并從修訂教學(xué)大綱、改革教學(xué)模式、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、增加實踐學(xué)時、改進考核方式五個方面進行課程改革研究,建設(shè)了一門面向土木工程、城市地下空間工程等土建類專業(yè)的土木工程制圖課程,并取得一定效果。但由于是首次深度融合BIM技術(shù)來開展該課程教學(xué),還存在制圖內(nèi)容壓縮、對學(xué)生要求偏高等問題,有待將來進一步的建設(shè)和完善。