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1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各種設(shè)計(jì)新穎、外形獨(dú)特的建筑不斷涌現(xiàn)，建筑工程施工難度越來越大，同時相關(guān)的設(shè)計(jì)、施工等教學(xué)的任務(wù)也越來越重，不僅要保證學(xué)生對著枯燥的課本聽得懂，還要耗費(fèi)大量物料材質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，教學(xué)效率低下、成本昂貴是一直以來的一個問題。基于BIM的虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式的結(jié)合，直觀地展示相關(guān)專業(yè)的知識點(diǎn)，高效地進(jìn)行知識傳遞，同時有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，是未來建筑行業(yè)教學(xué)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

已有學(xué)者對基于虛擬仿真技術(shù)和BIM技術(shù)的教學(xué)模式進(jìn)行了研究和探討。余宏亮等提出了工程管理專業(yè)BIM虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的整體架構(gòu)，并總結(jié)了實(shí)訓(xùn)平臺的云架構(gòu)原理，這為實(shí)訓(xùn)平臺的應(yīng)用建立底層平臺設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[1]。傅筱等分析了BIM教學(xué)中普遍存在的問題，提出了基于BIM進(jìn)行虛擬建造設(shè)計(jì)教學(xué)的整體框架[2]；李永奎等基于4D-BIM技術(shù)提出了工程進(jìn)度管理教學(xué)的改革建議，并建議將AR、VR等新技術(shù)引入教學(xué)課堂，這一舉措豐富了教學(xué)要素和手段，更好地啟發(fā)學(xué)生思考和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[3]； 冀偉等將BIM技術(shù)應(yīng)用于橋梁施工的教學(xué)，探索了理論知識與實(shí)踐和創(chuàng)新能力相結(jié)合的教學(xué)新模式，增強(qiáng)了課堂教學(xué)的直觀性和生動性，提高了學(xué)生的軟件操作和分析能力[4]； 衛(wèi)星等將BIM技術(shù)、VR技術(shù)與鋼結(jié)構(gòu)橋梁教學(xué)相結(jié)合，為相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐改革探索提供參考和借鑒[5]； 王昭慶等將BIM技術(shù)應(yīng)用于房屋建筑與裝飾工程計(jì)量與計(jì)價課程，將真實(shí)復(fù)雜的建設(shè)項(xiàng)目作為情境引入課堂，極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性[6]。這些研究為基于BIM的教育開辟了新天地，本文通過研究分析建立了基于BIM的實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺，該教學(xué)平臺同時支持混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式的施工教學(xué)，并與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，帶給學(xué)生們浸入式地情景學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2 應(yīng)用集成框架

基于實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺系統(tǒng)的需求分析，實(shí)訓(xùn)平臺需與實(shí)際工程進(jìn)行對接和互聯(lián)，根據(jù)教學(xué)實(shí)時提供工程建筑工程設(shè)計(jì)施工中的技術(shù)、管理、進(jìn)程、成本等多種信息，開展建筑工程大類專業(yè)理實(shí)一體、虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)，適應(yīng)國家現(xiàn)代建筑信息化發(fā)展的需求。實(shí)訓(xùn)平臺應(yīng)可實(shí)現(xiàn)教學(xué)案例全過程訓(xùn)練以及職業(yè)基礎(chǔ)課到職業(yè)技能課的有機(jī)組合，使從未接觸工程項(xiàng)目的學(xué)生得到身臨其境的訓(xùn)練。根據(jù)需求分析，實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺的應(yīng)用框架由三個子系統(tǒng)構(gòu)成，分別是實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺綜合管理系統(tǒng)、基于BIM的教學(xué)實(shí)訓(xùn)模塊、學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果及考核成績管理，如圖1所示。

圖1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺應(yīng)用框架

2.1 實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合管理系統(tǒng)

實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合管理系統(tǒng)用來整合各種BIM資源，同時借助平臺內(nèi)置的BIM教學(xué)管理系統(tǒng)將BIM軟件、BIM技術(shù)應(yīng)用、BIM課程和各種BIM案例資料整合到一起，學(xué)生可直接在線學(xué)習(xí)，并可以附件形式下載案例資料。

管理系統(tǒng)的組成主要包括教學(xué)統(tǒng)一管理平臺、漫游客戶端、5D虛擬平臺、移動端。教學(xué)統(tǒng)一管理平臺有課程教學(xué)模塊，考核成績模塊，模型管理模塊等。其中教學(xué)管理平臺，可在線組課、在線授課、在線管理教學(xué)資源，允許資源上傳下載在線查看，模型管理模塊，支持模型上傳下載，提供漫游客戶端，支持FBX、DAE模型的漫游； 施工圖等以文件形式上傳下載； 漫游客戶端主要功能是對模型進(jìn)行虛擬漫游； 5D虛擬平臺的主要功能是查看BIM模型，以及質(zhì)量安全信息等； 移動端用于上傳模型的質(zhì)量安全信息，如圖2所示。

圖2 教學(xué)管理平臺應(yīng)用架構(gòu)

2.2 基于BIM的教學(xué)實(shí)訓(xùn)模塊

基于BIM的教學(xué)實(shí)訓(xùn)模塊包括網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計(jì)劃的編制、二維三維場地布置、安全管理、質(zhì)量管理、資料管理和5D虛擬施工綜合實(shí)訓(xùn)等六個子模塊。其中，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計(jì)劃的編制模塊，可以實(shí)現(xiàn)模型與Project進(jìn)度計(jì)劃的關(guān)聯(lián)，并提供按實(shí)際或計(jì)劃進(jìn)度時間動態(tài)展示模型的增長過程； 場地布置模塊主要包括三維施工平面圖設(shè)計(jì)和主要施工過程三維動畫仿真等功能，形象真實(shí)地反映建筑施工現(xiàn)場不同施工階段的場景布置情況，可實(shí)現(xiàn)建筑施工過程從靜態(tài)場景到動態(tài)仿真模擬、從工地材料進(jìn)場到工程完工效果展示； 基于安全管理模塊可以進(jìn)行現(xiàn)場安全檢查，發(fā)現(xiàn)危險源，通過移動端拍照、填寫位置、信息上傳至虛擬施工客戶端，施工客戶端可根據(jù)BIM模型位置查看安全檢查信息?，F(xiàn)場模型質(zhì)量檢查后，將檢測結(jié)果，通過移動端拍照、填寫位置、信息等上傳至虛擬施工客戶端，施工客戶端可根據(jù)BIM模型位置查看質(zhì)量檢查信息； 5D虛擬施工綜合實(shí)訓(xùn)模塊通過虛擬施工客戶端BIM 模型檢索查看包含BIM模型、進(jìn)度、安全、質(zhì)量、資料等相關(guān)資料，可與施工進(jìn)度相結(jié)合，通過模型動態(tài)展示建筑從無到有的施工過程，并提供計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度的對比，也可根據(jù)進(jìn)度工序，輸入成本數(shù)據(jù)，通過成本曲線進(jìn)行成本分析。

2.3 學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果及考核成績管理模塊

學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果及考核成績管理模塊用以實(shí)現(xiàn)在線布置作業(yè)、提交作業(yè)，提供考試題庫，可在線組卷、在線考試、客觀選擇題可根據(jù)題庫答案自動判卷，同時提供課件管理接口，供上傳、下載、查看實(shí)訓(xùn)課件用。學(xué)生實(shí)訓(xùn)成果及考核成績管理模塊功能的功能設(shè)計(jì)以管理員、教師、學(xué)生三個角色進(jìn)行分類，管理員通過管理后臺實(shí)現(xiàn)用戶、數(shù)據(jù)和權(quán)限管理等，教師和學(xué)生通過教學(xué)平臺實(shí)現(xiàn)作業(yè)布置、學(xué)生管理、考試管理等，如圖3所示。

圖3 功能框架圖

3 BIM與虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

在當(dāng)下科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的新形勢下，虛擬仿真技術(shù)在建筑工程的施工過程中的使用越來越普遍，而且還取得了一定的成就[7-8]。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑工程的施工過程中，能夠有利于施工人員發(fā)現(xiàn)存在于施工過程中的問題，同時使用模擬測試的方式不僅可以使工程的施工成本得以有效地降低[9]，而且還可以確保施工的安全性及工程質(zhì)量[10]。

3.1 虛擬仿真技術(shù)教學(xué)應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，即在虛擬的系統(tǒng)環(huán)境中對真實(shí)的環(huán)境進(jìn)行模擬。利用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、智能技術(shù)和傳感技術(shù)等。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑施工中，計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境是虛幻的，人類對建筑環(huán)境、施工過程等的感覺是真實(shí)的，施工人員可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的交互，虛擬環(huán)境及時做出應(yīng)答。虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建建筑系統(tǒng)的完整虛擬環(huán)境，通過虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)對建筑實(shí)體的分析和控制，培養(yǎng)學(xué)生三維到二維的空間認(rèn)知能力，如圖4、圖5。

圖4 土木工程課程模擬

圖5 建筑工程概預(yù)算課程實(shí)例教學(xué)

3.2 5D-BIM技術(shù)教學(xué)應(yīng)用

用戶上傳模型后，可在模型管理中下載或直接啟動本地PBIMViewer，進(jìn)行該模型的三維視圖瀏覽，如圖6、圖7。

圖6 選擇三維瀏覽模型

圖7 PBIMViewer模型瀏覽

5D施工，可啟用本地PBBim查看該模型的模型和進(jìn)度成本，以及質(zhì)量安全信息，如圖8-10。

圖8 選擇5D施工模型

圖9 施工模型進(jìn)度對比查看

圖10 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度計(jì)劃

移動端APP E筑—校園版，用于上傳質(zhì)量，安檢檢查信息，對應(yīng)于模型管理各模型5D查看里質(zhì)量安全信息，如圖11。

圖11 移動端App E筑—校園版

3.3 課程管理應(yīng)用

課程設(shè)置的總體目標(biāo)為完成項(xiàng)目引領(lǐng)混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)等案例實(shí)踐教學(xué)，體現(xiàn)BIM的可視化、模擬性和實(shí)操性[11]。課程設(shè)置的內(nèi)涵建設(shè)為完成相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)知識點(diǎn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目與BIM的對接。在課程管理和課程學(xué)習(xí)中，以專業(yè)課程為中心，將課件、案例和軟件與課程關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)全方位教學(xué)，如圖12所示。

圖12 課程管理方式

課件管理支持文字、圖片、視頻等多媒體課件在線學(xué)習(xí)，也可將課件直接下載到本地，在本地進(jìn)行仿真模擬，查看詳細(xì)課程信息。并提供規(guī)范化的課程模板功能，建立好的課程格式可提交至模板庫，方便再次使用。與章節(jié)相關(guān)的案例數(shù)據(jù)、資料文件等結(jié)合理論知識在線學(xué)習(xí)案例工程可直接使用軟件打開練習(xí)，驗(yàn)證所學(xué)理論知識，如圖13。作業(yè)管理融合在各門課程中，教師可以在課程對應(yīng)的章節(jié)中建立作業(yè)，學(xué)生作答后，對應(yīng)章節(jié)進(jìn)行作業(yè)批改?？荚嚬芾碇薪處熆梢栽O(shè)置試卷試題、時間、分?jǐn)?shù)、分配學(xué)生等進(jìn)行組卷，由教師控制考試是否生效，生效后考試會在設(shè)定時間自動開始考試，學(xué)生需在考試時間內(nèi)完成答題，時間到自動交卷，教師可進(jìn)行閱卷、批卷、評分等操作，如圖14，圖15。

資源管理含有平臺所有的配套工程案例、多媒體資源等，可由平臺內(nèi)置，也可由管理員隨時上傳，可供教師組課時直接引用。學(xué)生可在課程學(xué)習(xí)時瀏覽隨課資源，進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以將案例工程等下載，在軟件上進(jìn)行實(shí)訓(xùn)練習(xí)，如圖16。

軟件管理：管理所有軟件信息，可用于添加軟件和綁定軟件，設(shè)置信息等。軟件導(dǎo)航：通過Web端或客戶端單個軟件頁面，即可下載軟件、打開軟件等，如圖17。

圖13 課程講義

圖14 線上答題

圖15 線上閱卷

圖16 課程資源

圖17 軟件資源

3.4 權(quán)限管理應(yīng)用

系統(tǒng)內(nèi)置三種角色：管理員、教師、學(xué)生，根據(jù)角色設(shè)置權(quán)限，新用戶可單獨(dú)建立或批量導(dǎo)入。其中，教師創(chuàng)建課程，通過添加與課程相配套的講義、資料、選擇合適案例資源、分配學(xué)生等進(jìn)行組課。組建好的課程可保存為模板，設(shè)置課程后提交課程申請，通過管理員批準(zhǔn)后才能夠正式開課。學(xué)生用戶可以在線學(xué)習(xí)課程，下載資料、案例等資源輔助學(xué)習(xí)。圖18展示了管理員對用戶權(quán)限管理的應(yīng)用。

圖18 用戶權(quán)限管理

3.5 教學(xué)桌面客戶端應(yīng)用

教學(xué)平臺系統(tǒng)配備教學(xué)桌面端應(yīng)用，滿足線上線下教學(xué)需求。

教學(xué)客戶端單獨(dú)安裝在學(xué)生電腦上，滿足學(xué)生課上學(xué)習(xí)，課下鞏固需求。課上聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下可與教學(xué)管理平臺相連，不需要登錄網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)界面，直接在客戶端登錄查看課程講義、虛擬課程瀏覽，完成相關(guān)作業(yè)以及設(shè)置個人信息等，還可直接通過客戶端啟動資料管理等軟件進(jìn)行軟件操作。脫機(jī)狀態(tài)下可允許用戶進(jìn)行軟件的導(dǎo)航和使用。如圖19。

圖19 客戶端

4 結(jié)語

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)的合理應(yīng)用，不僅能提升建筑施工水平，進(jìn)一步推動仿真技術(shù)的后續(xù)發(fā)展[12-13]。還能通過虛實(shí)結(jié)合、真實(shí)案例、BIM信息與專業(yè)教學(xué)融合，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)技能和信息建造素。實(shí)踐表明，通過對虛擬仿真技術(shù)的使用，可大幅減少工程中的質(zhì)量問題，降低施工成本[14-15]， 降低教學(xué)成本、提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)全施工過程的動態(tài)控制。將BIM引入教學(xué)實(shí)踐中，使學(xué)生能夠參與實(shí)踐，通過真實(shí)模擬的場景提升自主學(xué)習(xí)的素養(yǎng)。