饒平平　徐　明　邵兆通　王翔宇　王喜春

(1.上海理工大學(xué)土木工程系，上海　200093；2.上海市楊浦區(qū)建筑業(yè)管理事務(wù)中心，上?！?00093；

3.上海延華智能科技(集團(tuán))股份有限公司,上?！?30073)

BIM技術(shù)在《城市地下工程施工技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

饒平平1徐明2邵兆通1王翔宇3王喜春3

(1.上海理工大學(xué)土木工程系，上海200093；2.上海市楊浦區(qū)建筑業(yè)管理事務(wù)中心，上海200093；

3.上海延華智能科技(集團(tuán))股份有限公司,上海430073)

【摘要】城市地下工程施工技術(shù)課程教學(xué)中涉及較多不常見的建筑空間與難以表達(dá)的施工工藝，需要形象的空間表現(xiàn)與教學(xué)演示工具。BIM技術(shù)能夠提供優(yōu)秀的信息傳達(dá)與表現(xiàn)能力。將BIM技術(shù)應(yīng)用到城市地下工程的教學(xué)實(shí)踐中，嵌入U(xiǎn)nity3D引擎到Winform中瀏覽地下工程構(gòu)件，并對(duì)地下工程構(gòu)件進(jìn)行有效分類，實(shí)現(xiàn)三維旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等多種方式查看；結(jié)合Navisworks的API開發(fā)城市地下空間漫游程序，實(shí)現(xiàn)重力作用下虛擬空間的漫游，簡化了瀏覽方式；開發(fā)了施工流程演示需要的播放器，對(duì)城市地下工程課程教學(xué)進(jìn)行了一定的創(chuàng)新實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】BIM；城市地下工程施工；課程；教學(xué)

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.12

1引言

據(jù)百度大數(shù)據(jù)觀測，2011年起B(yǎng)IM引起國內(nèi)相關(guān)行業(yè)工作者關(guān)注，自2012年12月至2016年5月，“BIM”關(guān)鍵詞在百度的搜索指數(shù)上漲了18倍[1]。BIM在綜合管線碰撞分析、施工進(jìn)度模擬、材料統(tǒng)計(jì)與概預(yù)算、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分析等方面取得了較大進(jìn)展。此外，BIM結(jié)合點(diǎn)云技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程逆向建模，結(jié)合3D打印提速產(chǎn)品研發(fā)，結(jié)合RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件實(shí)時(shí)追蹤。BIM在教學(xué)方面的應(yīng)用主要集中在BIM的課程設(shè)計(jì)：劉紅勇等[2]根據(jù)土木類專業(yè)教學(xué)方案和人才培養(yǎng)計(jì)劃，論證了高校開設(shè)BIM課程的可行性，提出了該課程的教學(xué)課時(shí)、教學(xué)方式和師資的建議；張尚等[3]基于美國BIM教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了BIM教學(xué)中的課程內(nèi)容、組織形式和技術(shù)選擇，提出了工程管理專業(yè)BIM教學(xué)改革的建議；尚春靜等[4]闡述了BIM與工程管理專業(yè)的相關(guān)性，國外大學(xué)BIM課程的設(shè)置情況與BIM與專業(yè)課程集成的創(chuàng)新模式與實(shí)踐措施。將BIM技術(shù)作為工具應(yīng)用到高等院校教學(xué)中的案例實(shí)屬少見：鐘煒等[5]將BIM與可視化仿真方法結(jié)合應(yīng)用到工程項(xiàng)目管理專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中，使教學(xué)內(nèi)容更加直觀、生動(dòng)。Forest P等[6]將BIM技術(shù)應(yīng)用在工程管理課程的教學(xué)上，從學(xué)生4年學(xué)習(xí)成績對(duì)比證實(shí)BIM提高了知識(shí)水平，通過斯坦福大學(xué)和特溫特大學(xué)課程的對(duì)比證實(shí)BIM提高了教學(xué)水平。

BIM技術(shù)由于其可視化程度高、傳達(dá)信息能力強(qiáng)等特點(diǎn)可以應(yīng)用在城市地下工程課程的教學(xué)中。通過在該課程中的實(shí)踐應(yīng)用，找到了BIM在教學(xué)中的應(yīng)用點(diǎn)與實(shí)施方法，活躍了課堂氣氛，在學(xué)生學(xué)習(xí)效果上取得了較好的反響。

2城市地下工程課程介紹

2.1城市地下工程課程教學(xué)實(shí)踐

城市地下工程施工技術(shù)是土木工程類相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門新課，也是相關(guān)專業(yè)重要的必修或選修課。同時(shí)還是一門綜合性、實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，課程的總體目標(biāo)是在具有扎實(shí)基礎(chǔ)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，掌握城市地下工程的基本作業(yè)、輔助作業(yè)、環(huán)境控制以及施工管理等內(nèi)容，培養(yǎng)具有綜合實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才。本課程內(nèi)容設(shè)置一方面參照了我國當(dāng)前有關(guān)的地下工程施工技術(shù)標(biāo)注、規(guī)范和規(guī)程，另一方面也吸收了今年來地下工程施工中發(fā)展的各種新科技成果和新技術(shù)，全面系統(tǒng)的介紹了各種城市地下工程施工技術(shù)。課程內(nèi)容主要為地下連續(xù)墻施工技術(shù)、基坑工程施工技術(shù)、盾構(gòu)法施工技術(shù)、掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工技術(shù)、頂管法施工技術(shù)、沉管法施工技術(shù)和城市地下工程施工組織和施工監(jiān)測[7]。重點(diǎn)鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，重點(diǎn)掌握各類城市地下工程施工技術(shù)的基本內(nèi)容，使學(xué)生具有組織現(xiàn)場施工管理的能力，同時(shí)能夠分析解決現(xiàn)場施工遇到的一般技術(shù)問題。

2.2創(chuàng)新教學(xué)方式

本課程知識(shí)點(diǎn)較多，需要采用多種方式讓學(xué)生對(duì)該課程有多方位學(xué)習(xí)。城市地下工程施工技術(shù)這一課程涉及較多的地下結(jié)構(gòu)和空間，在平時(shí)生活學(xué)習(xí)中，學(xué)生除了對(duì)地下車庫的空間布置有所了解外，其他空間如人防區(qū)域、地下倉庫，地鐵基坑等接觸機(jī)會(huì)較少。教學(xué)時(shí)采用課堂教學(xué)、現(xiàn)場觀摩和視頻教學(xué)結(jié)合的方式進(jìn)行，共設(shè)置課堂教學(xué)30個(gè)課時(shí)，實(shí)踐教學(xué)2個(gè)課時(shí)。

除現(xiàn)場觀摩外，作者在如何讓教學(xué)活動(dòng)更加生動(dòng)方面做了一些嘗試。BIM技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的熱潮讓作者有了將BIM引入課程實(shí)踐的想法。BIM為建筑工程領(lǐng)域帶來大量的信息集成，具有很好的表現(xiàn)力，結(jié)合BIM理念與教學(xué)內(nèi)容的特殊性進(jìn)行一些課程實(shí)踐，可以為相關(guān)課程教學(xué)提供一些參考。

3城市地下工程結(jié)構(gòu)三維構(gòu)件模型演示

3.1三維構(gòu)件演示技術(shù)實(shí)現(xiàn)

為了讓學(xué)生更清晰的了解城市地下工程涉及的研究對(duì)象，開發(fā)了三維構(gòu)件模型演示模塊，界面如圖1?；谖④?Net平臺(tái)，將Unity3D引擎嵌入WinForm應(yīng)用程序中展示城市地下空間模型：

(1)安裝Unity3D和VisualStudio軟件；

(2)創(chuàng)建WinForm應(yīng)用程序；

(3)在工具箱位置右鍵后點(diǎn)擊“選擇項(xiàng)”，打開“COM組件”；

(4)選中UnityWebPlayer Control后確定；

(5)拖動(dòng)該控件到窗體，更改SRC屬性即可。

通過Unity3D展示地下空間結(jié)構(gòu)的模型對(duì)象好處在于學(xué)生能夠?qū)θS模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等操作，可以多角度查看，簡便易用、效果逼真。

圖1　基于Unity3D的模型演示

3.2三維構(gòu)件演示構(gòu)件分類

對(duì)城市地下空間課程中涉及到的模型對(duì)象進(jìn)行了梳理。由于模型較多，需要對(duì)模型分類以便于查看。按用途分類如圖2所示，其中施工機(jī)械為輔助模型。

圖2　地下空間演示模型分類

4城市地下結(jié)構(gòu)空間與施工流程演示

4.1地下空間漫游模塊

如果沒有在施工現(xiàn)場的親身體會(huì)，學(xué)生很難對(duì)地下空間有真實(shí)的感性理解。開發(fā)城市地下結(jié)構(gòu)空間與施工工藝演示模塊，能夠讓學(xué)生身臨其境一般在地下空間的車道上漫步，能夠讓學(xué)生觀看結(jié)構(gòu)施工的工藝流程，對(duì)該學(xué)科研究的對(duì)象記憶更加深刻。

Autodesk Navisworks是一款可以將多格式、多專業(yè)的模型統(tǒng)一集成在一起的軟件平臺(tái)，可以兼容大多數(shù)的三維設(shè)計(jì)和激光掃描格式，能夠快速創(chuàng)建動(dòng)畫和視點(diǎn)，并以影片和靜態(tài)圖片的格式輸出，具有重力的自動(dòng)計(jì)算，可以模擬用戶在虛擬空間地板或道路上的漫步。

在向?qū)W生演示城市地下工程空間時(shí)，可以基于Navisworks提供的API開發(fā)地下空間漫游模塊。將Navisworks瀏覽器嵌入WinForm應(yīng)用程序中，能夠?qū)崿F(xiàn)Navisworks自身的所有功能，為了簡化界面可以去除不必要的功能，在本模塊中嵌入的功能有Navigate Walk漫游，重力計(jì)算，三維旋轉(zhuǎn)等功能。如圖3所示。

圖3　地下空間漫游模塊

圖4　城市地下工程施工工藝演示

之所以不采用Navisworks軟件直接操作是為了使演示更簡單，《城市地下工程施工技術(shù)》課程將BIM作為工具的需求是具體的：虛擬空間漫游、4D施工演示、不同視點(diǎn)的切換，不同專業(yè)間的模型協(xié)調(diào)等。將這些功能集成在WinForm中，界面大大簡化，后期可以統(tǒng)一整合到教學(xué)演示系統(tǒng)中。

4.2施工流程演示

地下工程的施工工藝和流程更加需要形象的演示方式。明挖法、蓋挖法、淺埋暗挖法、盾構(gòu)法等，如果只是圖片演示或口頭闡述，學(xué)生很難有較深的印象，數(shù)字動(dòng)畫和現(xiàn)場視頻是比較有效的表達(dá)方式，數(shù)字動(dòng)畫可以采用3dmax建模，經(jīng)過調(diào)整燈光、材質(zhì)，渲染后可以達(dá)到影視級(jí)別效果，其缺陷是對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，渲染比較消耗計(jì)算資源，可以借助近期興起的云渲染平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。如果對(duì)畫質(zhì)效果要求不高，可以制作Flash二維動(dòng)畫，這種動(dòng)畫體積小，能夠有效表達(dá)施工工藝流程。

將施工現(xiàn)場拍攝的視頻與數(shù)字動(dòng)畫集成到程序中，需要考慮開發(fā)視頻播放模塊，可以使用：Windows Media Player控件，該方法比較簡單，但界面比較固定，支持的視頻格式有限，如圖4所示；微軟的DirectX，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以自定義界面，支持格式較多，但播放視頻時(shí)需要另外安裝解碼器；DirectShow程序，該程序是開源的，支持格式較多。播放Flash文件時(shí)，需要添加“Shockwave Flash Object”Com組件。從工具箱拖動(dòng)Flash控件到Form中，設(shè)置名稱為flsPlayer，設(shè)置flsPlayer的Movie屬性為Flash文件的完整路徑，然后調(diào)用flsPlayer的Play方法即可。

5結(jié)論

本文將BIM技術(shù)應(yīng)用在城市地下工程課程教學(xué)中，做了以下嘗試并取得了一些成果：

(1)將Unity3D引擎嵌入到WinForm窗體中以顯示地下工程研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)自由縮放、平移與多角度觀察功能，并對(duì)城市地下工程施工中涉及到的對(duì)象進(jìn)行有效分類。

(2)將Navisworks ViewControl嵌入到WinForm中，結(jié)合其API實(shí)現(xiàn)重力作用下地下工程空間的虛擬漫游功能，4D施工功能，多視點(diǎn)查看功能，精簡了主程序的界面。

(3)開發(fā)了用于施工流程演示的視頻播放和Flash動(dòng)畫播放功能，介紹了視頻和動(dòng)畫演示的流程，使城市地下工程課程更生動(dòng)、有趣。

對(duì)城市地下工程施工課程輔助工具開發(fā)中的理解與思考：

(1)通過本文基于BIM在《城市地下工程施工技術(shù)》課程中的開發(fā)實(shí)踐，能夠有效將各模塊集成為統(tǒng)一的教學(xué)輔助系統(tǒng)。設(shè)置了相應(yīng)的上傳模塊后可以方便服務(wù)器數(shù)據(jù)積累，為各高校相關(guān)課程提供豐富的教學(xué)資源。

(2)為了擴(kuò)展教學(xué)輔助系統(tǒng)的功能，可以與地下工程施工企業(yè)合作集成工程實(shí)時(shí)錄像，將示范工程作為高校的學(xué)科專業(yè)教學(xué)試點(diǎn)。

(3)基于BIM的教學(xué)輔助系統(tǒng)各模塊功能完備后，可以基于該技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用擴(kuò)展。為工程管理、橋梁隧道、暖通空調(diào)、建筑結(jié)構(gòu)等土木二級(jí)學(xué)科專業(yè)學(xué)生提供支持，可考慮設(shè)置各專業(yè)學(xué)生的學(xué)科間協(xié)作方式。

參考文獻(xiàn)

[1]來源：百度指數(shù).http：//index.baidu.com/?tpl=trend &word=BIM.

[2]劉紅勇，何維濤，黃秋爽.普通高等院校BIM實(shí)踐教學(xué)路徑探索[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013，5(5)：98-101.

[3]張尚，任宏，Albert P.C.Chan.BIM的工程管理教學(xué)改革問題研究(二)—BIM教學(xué)改革的作用、規(guī)劃與建議[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2015，36(9)：129-132.

[4]尚春靜，李艷榮，任思佳 等.基于BIM的工程管理專業(yè)理論課程與實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新研究[J].建筑經(jīng)濟(jì)，2015，36(2)：92-96.

[5]鐘煒，張馨文，姜騰騰.BIM仿真在工程項(xiàng)目管理課程教學(xué)改革中的應(yīng)用研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013，5(6)：7-11.

[6]Forest Peterson，Timo Hartmann，Renate Fruchter et al.Teaching construction project management with BIM support：Experience and lessons learned[J].Automation in Construction，2011，20:115-125.

[7]吳能森，熊孝波，王照宇.地下工程結(jié)構(gòu)[M].武漢理工大學(xué)出版社，2015.

Application of BIM Technology in the Teaching of Construction Technology of Urban Underground Engineering

Rao Pingping1,Xu Ming2,Shao Zhaotong1,Wang Xiangyu3,Wang Xichun3

(1.DepartmentofCivilEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.ConstructionManagementAffairsCenterofYangpuDistrict,Shanghai200093,China; 3.ShanghaiYanhuaSmartTechGroupCo.,Ltd.,Shanghai430073,China)

Abstract:In the teaching of construction technology of urban underground engineering,image spatial representation and teaching demonstration tools are needed when it involves unusual architectural space and the construction process which is difficult to express.BIM can provide excellent information communication and expression ability and can be applied to the teaching practice of construction technology of urban underground engineering.Urban underground engineering components are classified and viewed effectively by embedding Unity3D engine to Winform; urban underground space roaming program has been developed by Navisworks API,which realizes virtual space roaming under the gravity.And a demo player for construction process is developed.The conclusion has certain significance on the teaching of construction technology of urban underground engineering.

Key Words：BIM; Urban Underground Engineering; Curriculum; Teaching

【基金項(xiàng)目】上海市教委精品課程項(xiàng)目,上海市教委本科重點(diǎn)課程項(xiàng)目，上海理工大學(xué)教師教學(xué)發(fā)展研究重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：CFTD16011Z)

【作者簡介】饒平平(1984-)，男，博士，副教授。主要從事巖土力學(xué)、BIM技術(shù)教學(xué)與科研工作。

【中圖分類號(hào)】TU411

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1674-7461(2016)03-0062-04