王述紅++劉婉婷++趙文

摘要：在當(dāng)今信息時(shí)代的大背景下，BIM技術(shù)應(yīng)用于土木工程施工實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。筆者分析了目前土木工程專業(yè)本科及研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的困難，結(jié)合BIM技術(shù)在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了教學(xué)嘗試，并取得了較為明顯的教學(xué)效果。文章針對(duì)課程改革提出一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)提高學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合具有重要意義。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；BIM技術(shù)；課程改革；土木工程

中圖分類號(hào)：G6420文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

10052909（2016）04013705

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）在中國的應(yīng)用目前處于起步階段。住建部在十二五期間建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要中提出，要加快建筑信息模型、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作等技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用，推動(dòng)建筑行業(yè)信息化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。因此，近年來BIM技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展迅猛，各大企業(yè)也掀起

學(xué)習(xí)BIM軟件的熱潮，將BIM技術(shù)逐步運(yùn)用到工程建設(shè)中。為指導(dǎo)和推動(dòng)建筑信息模型的應(yīng)用，由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部研究制定的《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》于2015年7月發(fā)布。其中指出，到2020年末，建筑行業(yè)甲級(jí)勘察、設(shè)計(jì)單位以及特級(jí)、一級(jí)房屋建筑工程施工企業(yè)應(yīng)掌握并實(shí)現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術(shù)的一體化集成應(yīng)用。預(yù)計(jì)2020年末，在新立項(xiàng)項(xiàng)目（以國有資金投資為主的大中型建筑、申報(bào)綠色建筑的公共建筑和綠色生態(tài)示范小區(qū)）勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)中，集成應(yīng)用BIM的項(xiàng)目比率達(dá)到90%。

在大環(huán)境的指導(dǎo)下，目前傳統(tǒng)的本科教學(xué)模式已經(jīng)難以適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才的需求，近年興起的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一個(gè)很好的技術(shù)手段，已經(jīng)逐步被應(yīng)用于現(xiàn)代教育技術(shù)之中[1]，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與BIM技術(shù)比較相近，但是BIM技術(shù)包含更加廣泛，BIM與其說是一種思想理念，不如說是一種工具，一種為工程建設(shè)虛擬建造、施工優(yōu)化的工具，更適合應(yīng)用于工程建設(shè)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（一） 費(fèi)時(shí)費(fèi)力

傳統(tǒng)房屋建筑學(xué)和土木工程施工等設(shè)計(jì)是本科土木工程專業(yè)教學(xué)的重要

內(nèi)容，房屋建筑設(shè)計(jì)學(xué)生通過手繪或CAD繪圖等進(jìn)行房屋各平立剖設(shè)計(jì)，形成一套圖紙，很難檢驗(yàn)圖紙對(duì)應(yīng)性和正確性，而且用時(shí)較大，耗費(fèi)較多，對(duì)房屋的整體性和外觀很難控制。土木工程施工課程實(shí)驗(yàn)等主要進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度控制，教學(xué)目標(biāo)為應(yīng)用手畫橫道圖進(jìn)行進(jìn)度控制，編寫施工方案，掌握擬定施工方案的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生解決施工技術(shù)和組織設(shè)計(jì)問題的基本能力等，工作量較大，處理比較繁瑣[2]。

（二）靈活性較差

在當(dāng)前的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生自主控制能力較差，部分學(xué)生難以理解三維實(shí)體用平面圖紙表征出來的效果，甚至沒有三維空間想象能力，難以本質(zhì)上提高學(xué)生的認(rèn)識(shí)能力。在目前的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中，如果改變?cè)O(shè)計(jì)方案的一部分對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)有較大的影響，處理較為復(fù)雜。

（三）適應(yīng)性較差

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，每次實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的成果難以繼續(xù)應(yīng)用和推廣（后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析等），只適用于本次實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，重復(fù)性工作較多，每次消耗勞動(dòng)力較大，同時(shí)學(xué)生接受和理解的程度不高。教師檢查和修改較繁瑣，圖紙配套較多，容易發(fā)生錯(cuò)漏，而且互相交流和溝通也不方便，難以達(dá)到教學(xué)要求。

（四）難以與大數(shù)據(jù)時(shí)代接軌

在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)+的時(shí)代，對(duì)本科教學(xué)提出了更高的要求，傳統(tǒng)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)的學(xué)生已難以適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才的需求，二維圖紙和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)施工理念跟不上大數(shù)據(jù)時(shí)代的步伐，特別是今年來，建設(shè)工程領(lǐng)域?qū)IM技術(shù)的需求增大，BIM技術(shù)人才短缺，急需將BIM引入教學(xué)，使學(xué)生盡快適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展。

二、BIM技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

BIM是以建筑工程項(xiàng)目各相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進(jìn)行建筑信息模型建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物的真實(shí)信息。它具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性和可出圖性等五大特點(diǎn)。BIM技術(shù)初期的建模較為容易，學(xué)生主要通過Autodesk公司下的REVIT軟件進(jìn)行建模，為后續(xù)一系列應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

（一）技術(shù)新穎性

最近幾年BIM技術(shù)逐步在工程建設(shè)領(lǐng)域中應(yīng)用，在主流傳統(tǒng)技術(shù)中脫穎而出，不僅吸引了各大公司，同時(shí)也對(duì)本科教學(xué)產(chǎn)生了巨大吸引力。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入BIM，既可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)投入熱情，也可全方位可視化地理解和掌握課程的綜合方面。它可以改善學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)識(shí)，比如：房屋建筑學(xué)通過BIM技術(shù)進(jìn)行建模和表征，三維可視化展示，讓學(xué)生充分理解每一個(gè)細(xì)節(jié)部分；土木工程施工也可通過BIM技術(shù)進(jìn)行虛擬施工組織設(shè)計(jì)和模擬施工建造，讓學(xué)生直觀感受施工過程中的錯(cuò)誤和需要改進(jìn)的工序；工程結(jié)構(gòu)破壞數(shù)值實(shí)驗(yàn)課程可通過BIM技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的建模，將信息模型導(dǎo)入其他力學(xué)分析軟件中進(jìn)行模擬破壞分析應(yīng)用；巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中，可以通過巖體結(jié)構(gòu)模型建模，模擬巖石在不同情況下的切割和破壞等。BIM技術(shù)的應(yīng)用全面提高了土木工程專業(yè)教學(xué)水平。

（二）培養(yǎng)技術(shù)人才

目前，隨著BIM技術(shù)在國內(nèi)的崛起，國家也開始大力推進(jìn)發(fā)展BIM在工程建設(shè)中的應(yīng)用，推出一系列指導(dǎo)意見和標(biāo)準(zhǔn)，為建設(shè)領(lǐng)域提供方向和指導(dǎo)。土建類專業(yè)就業(yè)形勢(shì)相對(duì)較好，隨著城鄉(xiāng)建設(shè)趨于平穩(wěn)，行業(yè)對(duì)人才需求量也逐漸飽和，常規(guī)的技術(shù)人才優(yōu)勢(shì)變?nèi)鮗3]。BIM的大力發(fā)展導(dǎo)致技術(shù)專業(yè)人才匱乏，大部分公司缺少能懂BIM的技術(shù)人才。在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的BIM技能，提高學(xué)生對(duì)BIM技術(shù)的初步認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)對(duì)BIM軟件的學(xué)習(xí)興趣，為畢業(yè)后學(xué)生在工作崗位中運(yùn)用BIM技術(shù)打好基礎(chǔ)，在畢業(yè)應(yīng)聘中具有競(jìng)爭(zhēng)力和優(yōu)勢(shì)。

（三）提高學(xué)校競(jìng)爭(zhēng)力

由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部研究制定的《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》于2015年7月發(fā)出后，各大企業(yè)公司掀起了一股BIM熱潮，同時(shí)他們對(duì)BIM人才也是求賢若渴。目前，在本科生階段涉及BIM有關(guān)課程的學(xué)校少之又少，有幾個(gè)院校將BIM技術(shù)與土木工程專業(yè)課程相結(jié)合，進(jìn)行了課程改革實(shí)踐。天津理工大學(xué)的鐘煒等[4]將BIM技術(shù)融入工程項(xiàng)目管理課程，湖北工程學(xué)院譚潔等[5]提出了基于BIM數(shù)字技術(shù)的教學(xué)改革，西南石油大學(xué)劉紅勇等[6]對(duì)國內(nèi)高校開展BIM科研情況進(jìn)行了歸納總結(jié)，同時(shí)論證了高等院校開設(shè)BIM實(shí)踐教學(xué)的可行性，并提出了相應(yīng)的建議[7]。但是大部分土木工程專業(yè)本科生不了解BIM的應(yīng)用，因此，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入BIM技術(shù)應(yīng)用，培養(yǎng)BIM技術(shù)人才，在目前的大環(huán)境中一定可提高學(xué)校的核心競(jìng)爭(zhēng)力，吸引大量的招聘者，為學(xué)生就業(yè)提供一個(gè)良好的機(jī)會(huì)，也可提高學(xué)校的知名度。

三、BIM技術(shù)應(yīng)用教學(xué)的初探

（一）工程結(jié)構(gòu)破壞數(shù)值實(shí)驗(yàn)課程

目前，BIM技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已經(jīng)在工程結(jié)構(gòu)破壞數(shù)值實(shí)驗(yàn)課程中進(jìn)行試點(diǎn)講解，引起了學(xué)生的高度重視，該課程主要通過課上講述、PPT演示、三維軟件建模與虛擬現(xiàn)實(shí)模擬、學(xué)生自主建模演示等完成。由于課程時(shí)間有限，不能系統(tǒng)地對(duì)BIM技術(shù)多方面講述，但是可初步培養(yǎng)學(xué)生對(duì)BIM的認(rèn)識(shí)，講解和使用今后在設(shè)計(jì)單位或施工單位應(yīng)用最多的軟件，如Revit和Navisworks。該門課程也受到了學(xué)生的歡迎，以后會(huì)更進(jìn)一步調(diào)整課改方案，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)便利。

通過BIM技術(shù)建立巖石工程空間模型，如地下洞室、邊坡工程、隧道工程、核廢料處置庫等大型巖體三維數(shù)值仿真，再現(xiàn)巖體內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，特別是工程開挖、支護(hù)等施工過程中巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)力分析，提高教學(xué)演示度，進(jìn)一步幫助學(xué)生理解消化所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。圖1為邊坡工程和隧道工程空間結(jié)構(gòu)。

（二） 巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室

東北大學(xué)采礦與土木工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為土木工程巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的重要組成部分，是為解決采礦工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)、采礦圍巖失穩(wěn)數(shù)值仿真模擬等大型復(fù)雜實(shí)驗(yàn)裝備

昂貴、維護(hù)費(fèi)用高以及采礦現(xiàn)場(chǎng)安全性差等問題而成立的綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

BIM虛擬與現(xiàn)實(shí)技術(shù)已在東北大學(xué)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了教學(xué)嘗試，并取得了較為明顯的教學(xué)效果，通過該虛擬與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可進(jìn)行巖土數(shù)值實(shí)驗(yàn)分析和教學(xué)，巖土力學(xué)數(shù)值實(shí)驗(yàn)教學(xué)豐富了力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵和手段，并形成了常規(guī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值實(shí)驗(yàn)相融合的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[8]。教學(xué)過程中擺脫了教師單一講解的模式，課堂主要時(shí)間用于學(xué)生建模、計(jì)算模擬、實(shí)際感知，全面激發(fā)學(xué)生的思維和創(chuàng)新，可以更有效地理解和接受實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高自身技術(shù)水平和能力[9]。實(shí)驗(yàn)室虛擬仿真演示系統(tǒng)如圖2。

在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)過程中，該虛擬數(shù)值仿真平臺(tái)可以進(jìn)行包括巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、巖體結(jié)構(gòu)面、二次結(jié)構(gòu)面等工程擾動(dòng)過程的基本實(shí)驗(yàn)過程模擬，以及演示各種巷道、隧道、邊坡等復(fù)雜巖石結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析和破壞過程模擬，實(shí)現(xiàn)了巖石破壞復(fù)雜現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)再現(xiàn)，彌補(bǔ)了物理試驗(yàn)很難直觀演示各種巖體變形、破壞等復(fù)雜現(xiàn)象的不足。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有通用性強(qiáng)、方便靈活、可重復(fù)性等特點(diǎn)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可以觀察巖石破壞的過程，而且由于數(shù)值試驗(yàn)可獲得試樣在破壞過程中的應(yīng)力場(chǎng)及其演化過程的全部信息，使本科生在深刻理解巖石力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)巖石力學(xué)工程問題有了高層次的認(rèn)識(shí)。一般情況，在教學(xué)過程中，可以參考下列步驟操作。

（1）利用測(cè)量?jī)x器和設(shè)備，采集現(xiàn)場(chǎng)地表和有限的巖體結(jié)構(gòu)面信息，重建巖體結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體三維結(jié)構(gòu)及其他高度結(jié)構(gòu)化巖石塊體的識(shí)別、空間模型表征等。

（2）教學(xué)內(nèi)容一：在上述巖體幾何模型基礎(chǔ)上，考慮開挖誘發(fā)的次生結(jié)構(gòu)對(duì)巖體宏觀力學(xué)性質(zhì)及變形影響。巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征在很大程度上影響著其宏觀力學(xué)破壞行為。運(yùn)用BIM技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)，及相應(yīng)的物理力學(xué)試驗(yàn)手段，演示結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、次生結(jié)構(gòu)面的生成與貫通等因素對(duì)巖體工程的宏觀力學(xué)特性，尤其是破壞過程的影響，實(shí)現(xiàn)工程巖體的真實(shí)表征。

（3）教學(xué)內(nèi)容二：基于巖體細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型的細(xì)觀力學(xué)特征演示。巖體具有高度的結(jié)構(gòu)性和非均質(zhì)性特征，在上述巖體掃描數(shù)字圖像的結(jié)構(gòu)化幾何概念模型（二維、三維）重建基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的力學(xué)及多場(chǎng)耦合分析演示，直觀講解巖體復(fù)雜的物理、力學(xué)性能（如非飽和特征、各向異性等）。

（4）教學(xué)內(nèi)容三：實(shí)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)的多尺度耦合演示。在準(zhǔn)定量研究或分析基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)巖體微觀、細(xì)觀（中觀）、宏觀不同尺度力學(xué)數(shù)值模型計(jì)算的耦合，再現(xiàn)細(xì)觀結(jié)構(gòu)上巖體的損傷演化、裂紋的擴(kuò)展及應(yīng)力的重分配等特征，結(jié)合工程實(shí)際展示工程巖體多尺度特性，及其擾動(dòng)過程。

四、BIM應(yīng)用于課程改革分析

眾所周知，BIM技術(shù)是一個(gè)全新的技術(shù)手段，高校應(yīng)跟上時(shí)代的步伐，在土木工程本科階段初步培養(yǎng)對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)課程或?qū)ｉT的課程中融入BIM技術(shù)的學(xué)習(xí)，在研究生階段針對(duì)不同研究方向施以不同的培養(yǎng)方式，通過實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)良條件，進(jìn)行學(xué)術(shù)科研活動(dòng)等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有生動(dòng)性好、實(shí)驗(yàn)效果直觀、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，有利于學(xué)生理解和掌握復(fù)雜工程設(shè)計(jì)原理與工藝、力學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新思維，有利于學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。

東北大學(xué)巖土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，近年來在資源建設(shè)與隊(duì)伍建設(shè)方面開展了多種途徑的實(shí)踐。在實(shí)驗(yàn)資源配置方面進(jìn)行了優(yōu)化[10]。目前土木工程專業(yè)的課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)課程，都還沒有融入BIM技術(shù)，如果改變當(dāng)前教學(xué)模式，提出應(yīng)用BIM技術(shù)的課程實(shí)驗(yàn)或者設(shè)計(jì)，感興趣的學(xué)生可另外進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)和應(yīng)用，考核成績(jī)加分，鼓勵(lì)學(xué)生積極應(yīng)用到實(shí)踐。同時(shí)之前開設(shè)BIM技術(shù)應(yīng)用的選修課，由專業(yè)教師進(jìn)行授課，這樣可以提高學(xué)生的BIM技術(shù)應(yīng)用能力。在多門專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)中可應(yīng)用BIM，如房屋建筑學(xué)、高層建筑結(jié)構(gòu)、土木工程施工、工程結(jié)構(gòu)破壞數(shù)值實(shí)驗(yàn)、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)等，培養(yǎng)學(xué)生的自主思維和應(yīng)用能力，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，可通過集體授課方式講解BIM技術(shù)的功能和實(shí)現(xiàn)方法及軟件的操作等，學(xué)成后可參加全國BIM技術(shù)等級(jí)一級(jí)建模師考試，增加自身求職能力。集體BIM中心培訓(xùn)機(jī)房如下圖4。

學(xué)院定期舉辦BIM技術(shù)技能大賽，優(yōu)秀者頒發(fā)獲獎(jiǎng)證書并計(jì)入德育成績(jī)分，通過技術(shù)競(jìng)賽的準(zhǔn)備和競(jìng)爭(zhēng)提高學(xué)生BIM技能，同時(shí)選拔優(yōu)秀學(xué)生參加全國BIM技術(shù)技能應(yīng)用大賽，開闊應(yīng)用視野

。培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手建模、分析和解決問題的興趣和能力，調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，掌握思考問題和解決問題的方法，提高創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。

五、結(jié)語

土木工程專業(yè)是高校的重點(diǎn)專業(yè)，擔(dān)任著國家工程建設(shè)的重任。建立虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)踐教學(xué)，對(duì)學(xué)生深刻理解工程設(shè)計(jì)原理，掌握理論知識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有重要的意義。此次針對(duì)課程改革提出一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過BIM技術(shù)與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相結(jié)合，不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和熱情，

而且促使學(xué)生掌握BIM技術(shù)，進(jìn)一步為中國建筑產(chǎn)業(yè)信息化培養(yǎng)優(yōu)秀人才。參考文獻(xiàn)：

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