張霓 孫慶巍 張振東

[摘 要] “土木工程制圖”是土木工程專業(yè)的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)教學(xué)難以滿足目前土木工程發(fā)展趨勢下的人才培養(yǎng)需求，為了適應(yīng)時代發(fā)展趨勢，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)技術(shù)人才，文章在分析傳統(tǒng)教學(xué)存在問題的基礎(chǔ)上，對BIM技術(shù)融入“土木工程制圖”教學(xué)的必要性進(jìn)行分析，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)實踐三個方面對教學(xué)進(jìn)行改革，充分發(fā)揮BIM可視化、模擬性、優(yōu)化性、協(xié)調(diào)性及可出圖性的優(yōu)勢，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及“土木工程制圖”課程的教學(xué)效率，使學(xué)生更能適應(yīng)時代發(fā)展趨勢，畢業(yè)后快速地適應(yīng)工作。

[關(guān)鍵詞] BIM技術(shù);土木工程制圖;空間想象力;教學(xué)改革

“土木工程制圖”是土木工程專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課，主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生繪制和閱讀建筑工程圖的能力，即用二維平面圖形表達(dá)三維空間形體的能力及對空間形體的形象思維能力和創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力，從而提高學(xué)生實踐應(yīng)用的能力。BIM（Building Information Modeling）是建筑信息模型化的簡稱，它是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，并利用數(shù)字化技術(shù)為這個模型提供與實際情況一致的各種建筑工程相關(guān)信息。BIM是2002年由美國建筑師協(xié)會資深建筑師Jerry Laiserin提出的，并逐漸得到業(yè)界人士的廣泛認(rèn)可。隨著全球化進(jìn)程的發(fā)展，BIM技術(shù)逐漸在歐洲、新加坡、日本等國家開始普及。在我國BIM技術(shù)近年來受到了廣泛關(guān)注。2018年兩會期間，政協(xié)委員王美華提出加強(qiáng)高校土木類專業(yè)推廣BIM教學(xué)力度，增加系統(tǒng)課程，培養(yǎng)技術(shù)運用和軟件開發(fā)的“二元型”人才，這反映了BIM技術(shù)人才需求量旺盛，預(yù)示了BIM課程可能納入土木工程專業(yè)教學(xué)評估[1-3]。近年來隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，BIM技術(shù)人才出現(xiàn)緊缺趨勢，因此高校要順應(yīng)發(fā)展趨勢，為國家培養(yǎng)掌握BIM技術(shù)的人才。將BIM技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的“土木工程制圖”課程中，不僅能讓學(xué)生通過三維模型更好地閱讀建筑工程圖，而且讓學(xué)生更適應(yīng)當(dāng)前時代發(fā)展趨勢，畢業(yè)后快速地適應(yīng)工作。

一、“土木工程制圖”課程存在問題

（一）課程學(xué)時不足、內(nèi)容繁多

“土木工程制圖”作為專業(yè)基礎(chǔ)課，包括投影理論基礎(chǔ)、表達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)、繪圖能力基礎(chǔ)和工程規(guī)范基礎(chǔ)四部分，課程內(nèi)容繁多，但課程教學(xué)學(xué)時卻從最初的56學(xué)時縮減到目前的48學(xué)時，其中實踐學(xué)時僅有12學(xué)時。課程內(nèi)容基本沒變，而課程學(xué)時縮減14%，致使課程學(xué)時少而任務(wù)量大，在學(xué)時安排上給“土木工程制圖”課程教學(xué)帶來了極大的困難。如果不能科學(xué)合理地設(shè)計教學(xué)方案，只是按原來的方法在有限的學(xué)時內(nèi)講授課程內(nèi)容，會導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)習(xí)較為吃力，很難跟上教學(xué)進(jìn)度安排?！巴聊竟こ讨茍D”是理論和實踐相結(jié)合的一門課程，課堂講授內(nèi)容學(xué)生跟不上，造成理論基礎(chǔ)薄弱，無法在短時間內(nèi)將理論和實踐相結(jié)合，理論知識無法靈活地運用于實踐中。

（二）教學(xué)方式死板、教學(xué)效率低

“土木工程制圖”課程經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的黑板板書到運用多媒體教學(xué)，在教學(xué)方式方法上取得了一些進(jìn)展。而這種黑板板書和多媒體課件相結(jié)合的教學(xué)方式，對于“土木工程制圖”課程而言，很難激發(fā)學(xué)生對土木工程制圖課程學(xué)習(xí)的興趣，課堂教學(xué)中理論教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容中占很高比例，使學(xué)生被動地接受理論知識，導(dǎo)致教學(xué)效率較低。作為實踐性較強(qiáng)的一門基礎(chǔ)課，如果學(xué)生不能將理論知識運用于解決工程實際問題，不知學(xué)為何用，就失去了教學(xué)意義。但目前大部分學(xué)生無法在短時間內(nèi)理解理論與實踐相結(jié)合的知識。采用傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)方法，學(xué)生的積極性及教學(xué)效率普遍較低。

（三）學(xué)生缺乏空間想象力

“土木工程制圖”課程的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生用二維平面圖形表達(dá)三維空間形體的能力，培養(yǎng)空間分析和空間幾何問題的圖解能力，培養(yǎng)對空間形體的形象思維能力和創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計的能力。該課程的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具有一定的空間想象力，但目前學(xué)生的空間想象能力欠缺，對結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)造做法及節(jié)點詳圖等缺乏清晰的認(rèn)識。而傳統(tǒng)教學(xué)僅僅展現(xiàn)二維平面圖形，很少涉及三維空間的展現(xiàn)，故對于空間想象力缺乏的學(xué)生來說，“土木工程制圖”課程的學(xué)習(xí)難度較大。根據(jù)課后對學(xué)生的調(diào)查反饋發(fā)現(xiàn)，學(xué)生普遍反映根據(jù)二維平面圖很難想象形體的三維空間圖，在“土木工程制圖”課程的教學(xué)中，這是該課程的教學(xué)難點。

二、BIM技術(shù)的優(yōu)點

（一）可視化

BIM技術(shù)提供了可視化的模式，可對建筑進(jìn)行三維實體建模，即所見所得的模式。建筑形式千變?nèi)f化、造型復(fù)雜，以前都是通過二維平面圖紙去想象三維空間實體，但這樣單憑人的想象力去想象三維形體未免不切合實際。所以BIM提供了可視化的模式，可以直接用三維模型來獲得建筑實體的信息。此外，BIM不僅可以展示效果圖，還能增加各個專業(yè)間的討論、溝通和決策，這些都可通過BIM可視化的狀態(tài)進(jìn)行。

（二）模擬性

BIM技術(shù)的模擬性是指可以通過放大、旋轉(zhuǎn)等指令查看實際中不能做到的操作，從而更直觀地認(rèn)識三維模型。BIM能夠進(jìn)行模擬實驗，對建筑項目進(jìn)行3D模擬，把建筑項目的細(xì)節(jié)構(gòu)造在模型中展示出來。同時還可將模型中的構(gòu)件、設(shè)施及設(shè)備等數(shù)據(jù)信息通過BIM的參數(shù)化特性導(dǎo)入其中，讓項目參與者能夠看到的不僅是可視化模式，而是讓參與者通過數(shù)據(jù)信息庫中的信息進(jìn)行調(diào)取、閱覽、分析和修改，改善傳統(tǒng)二維畫面協(xié)調(diào)效果不佳、溝通效率差的現(xiàn)狀。在設(shè)計階段，通過BIM配合相關(guān)軟件對建筑項目周邊環(huán)境的自然氣象信息、地理信息、環(huán)境信息進(jìn)行分析，可以把建筑項目對建筑在實際使用過程中可能會出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行模擬，如日照模擬、節(jié)能模擬、緊急疏散模擬及通風(fēng)模擬等。施工階段的模擬也是BIM技術(shù)的一大特色，通過BIM技術(shù)與施工的工法、工序相結(jié)合，將施工項目中的重點及難點進(jìn)行事先的施工預(yù)演，對施工具體操作人員而言，具有非常強(qiáng)的指導(dǎo)性，讓他們清楚自己該做什么，施工模擬還可模擬施工用料情況，可以降低物資材料的浪費。另外，BIM技術(shù)還可進(jìn)行4D模擬，即在三維基礎(chǔ)上增加時間，將BIM模型進(jìn)行維度的擴(kuò)展形成BIM4D模型。通過模擬指導(dǎo)施工，有效提高項目管理效能，施工方亦可隨時了解項目實際與模擬進(jìn)度之間的區(qū)別，便于及時對施工方案進(jìn)行調(diào)整。在BIM4D模型基礎(chǔ)上加入5D維度形成5D模擬，通過對施工中物料的應(yīng)用狀態(tài)、勞動成本的價格、人力資源的配置等，模擬項目的成本變化生成報表呈現(xiàn)給項目中參與人員，從而合理分配人力物力，實現(xiàn)成本控制。在后期使用階段還可模擬日常緊急情況的處理方式，如地震、火災(zāi)等緊急突發(fā)狀況下人員的逃生模擬，合理制定安全逃生路線。

（三）優(yōu)化性

事實上項目的整個設(shè)計、施工過程就是一個不斷優(yōu)化的過程，即優(yōu)化存在于整個建筑過程中。優(yōu)化和BIM并不存在實質(zhì)性的關(guān)系，而是我們可以在BIM的基礎(chǔ)上對項目進(jìn)行優(yōu)化。信息、復(fù)雜程度和時間是制約優(yōu)化的三樣因素，合理的優(yōu)化結(jié)果需建立在準(zhǔn)確可靠的資源數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，BIM三維模型提供了建筑的可靠信息，包括形狀信息、物理信息等信息數(shù)據(jù)，還提供了建筑調(diào)整后的實際信息。信息涵蓋面廣、復(fù)雜程度大，導(dǎo)致項目參與人員無法掌握全部的信息數(shù)據(jù)，這就需要借助一定的科學(xué)技術(shù)和儀器的幫助，BIM技術(shù)提供了對復(fù)雜建筑項目進(jìn)行優(yōu)化的可能性。BIM的優(yōu)化主要體現(xiàn)在對項目方案的優(yōu)化和對特色項目的設(shè)計優(yōu)化。對項目方案的優(yōu)化是將項目設(shè)計與投資回報相結(jié)合，將設(shè)計變化對投資回報的影響實時計算出來，讓業(yè)主能夠選擇更有利于自身需求的項目設(shè)計方案。對特色項目的設(shè)計優(yōu)化是針對大空間隨處可見的屋頂、幕墻等異型設(shè)計，這些異型設(shè)計看起來占的比例較小，但占實際工作量和投資的比例往往較大，且在施工中問題較多、施工難度較大，利用BIM技術(shù)對上述內(nèi)容的設(shè)計施工方案進(jìn)行優(yōu)化，能夠顯著改善工期和工程造價。

（四）協(xié)調(diào)性

工程項目在設(shè)計時，由于各專業(yè)工程師之間溝通不到位，會出現(xiàn)各個專業(yè)之間的碰撞問題。例如在施工圖紙中給排水、暖通等專業(yè)的管道布置都是各自繪制各自的施工圖紙，因而在實際施工中，可能會在管道布置中遇到結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)件妨礙管道布置的現(xiàn)象，這就是在施工過程中經(jīng)常遇到的各專業(yè)間的碰撞問題，通過BIM的協(xié)調(diào)作用可處理上述問題。BIM建筑信息模型可協(xié)調(diào)各專業(yè)的碰撞問題，形成數(shù)據(jù)性文件。另外，BIM的協(xié)調(diào)作用還可用于解決防火分區(qū)與其他設(shè)計布置之間的協(xié)調(diào)、電梯井布置與其他設(shè)計布置之間的協(xié)調(diào)等問題。

（五）可出圖性

BIM繪制的圖紙不同于以往大家常見的建筑設(shè)計院所出的建筑設(shè)計圖紙，而是通過對建筑物進(jìn)行可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性和優(yōu)化設(shè)計以后繪制出的圖紙，如綜合結(jié)構(gòu)留洞圖、經(jīng)過碰撞檢查和設(shè)計修改后的綜合管線圖、碰撞檢查偵錯報告及建議改進(jìn)方案等。

三、基于BIM技術(shù)的課程教學(xué)改革

（一）教學(xué)理念改革

“土木工程制圖”課程涉及面廣、實踐性強(qiáng)，培養(yǎng)目標(biāo)是要培養(yǎng)出既掌握理論知識又能靈活運用的實踐型人才。課程從最初的手工繪圖逐漸向計算機(jī)繪圖，從二維圖形到三維圖形發(fā)展。在目前的課程中，大多以畫法幾何理論為主，輔以CAD制圖，這要求高校教師轉(zhuǎn)變理念，根據(jù)實際情況完善教學(xué)模式，開發(fā)全新的課程體系，才能實現(xiàn)我們的教學(xué)目標(biāo)，為社會培養(yǎng)更多高素質(zhì)的專業(yè)人才。要想保證土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)效果，就要順應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，將BIM技術(shù)應(yīng)用到“土木工程制圖”課程的教學(xué)中。充分利用BIM技術(shù)在“土木工程制圖”課程中的作用，通過BIM技術(shù)建立教學(xué)仿真模型，讓學(xué)生在BIM技術(shù)的輔助下，能夠接觸到更多土木專業(yè)的經(jīng)典建筑，將“土木工程制圖”課程相關(guān)知識點融入教學(xué)活動中來;借助BIM技術(shù)提高課堂教學(xué)的直觀性，從而激發(fā)學(xué)生對于該課程的學(xué)習(xí)興趣，吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性;充分利用BIM的豐富性和可視性的特點，有效提高“土木工程制圖”課程教學(xué)質(zhì)量。

（二）教學(xué)內(nèi)容改革

“土木工程制圖”課程主要分為畫法幾何、專業(yè)制圖和計算機(jī)輔助制圖三個部分。畫法幾何部分主要內(nèi)容是投影法的基本概念、投影法的分類及投影特性，點、直線、平面的投影及三者間的從屬關(guān)系，平面立體及曲面立體多面正投影，截交線與相貫線，軸測投影的形成及其分類，組合體的形成及三面投影圖，建筑形體的六面正投影等內(nèi)容。專業(yè)制圖部分主要分為建筑施工圖和結(jié)構(gòu)施工圖兩部分，包括建筑平、立、剖面圖的形成，讀圖方法、圖示內(nèi)容及繪制方法，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)施工圖常用符號、常用圖例等的畫法，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工圖（結(jié)構(gòu)平面圖、構(gòu)件詳圖）及鋼結(jié)構(gòu)施工圖的作用、圖示方法和圖示內(nèi)容等。本課程內(nèi)容較多、較難理解，且課程的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具有一定的空間想象力。如果再添加BIM，必然會加大教學(xué)壓力，因此需要任課教師調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的改革。在“土木工程制圖”課程中增加BIM技術(shù)，利用BIM、多媒體課件相結(jié)合，將一些復(fù)雜的構(gòu)造通過屏幕投影形式呈現(xiàn)給學(xué)生，深化學(xué)生對BIM的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力。這種教學(xué)手段能夠直觀、形象地向?qū)W生展示一些結(jié)構(gòu)的細(xì)部、細(xì)節(jié)，既能增加學(xué)生的理性認(rèn)識，又能調(diào)動學(xué)生的積極性，提高教學(xué)效果。將BIM技術(shù)運用到“土木工程制圖”課程，將二維平面圖與三維模型相結(jié)合，讓學(xué)生對“土木工程制圖”課程的學(xué)習(xí)提起興趣。利用BIM的三維模型輔助教學(xué)，加深學(xué)生對圖紙的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

（三）教學(xué)實踐改革

在“土木工程制圖”課程實踐過程中發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生缺乏空間想象力，導(dǎo)致無法將二維平面圖與三維模型聯(lián)系起來。目前在計算機(jī)輔助制圖部分，大多以CAD繪制建筑平面圖、立面圖及剖面圖為主，而學(xué)生對于這種二維平面圖認(rèn)識較為淺顯，很難與三維模型相聯(lián)系。針對目前的教學(xué)實踐情況，任課教師可利用BIM技術(shù)，在實踐教學(xué)中采用Revit軟件，為學(xué)生講解該軟件的操作方法，鼓勵學(xué)生利用Revit軟件建立建筑模型。充分利用其可視化功能及二維平面圖與三維模型間自由切換功能，讓學(xué)生能夠更直觀、高效、準(zhǔn)確地理解建筑施工圖與結(jié)構(gòu)施工圖的相關(guān)知識點，培養(yǎng)學(xué)生建模能力，深化BIM技術(shù)在“土木工程制圖”課程中的實踐應(yīng)用。BIM可視化教學(xué)中虛擬建立的三維模型，相當(dāng)于將施工現(xiàn)場代入課堂，能夠達(dá)到很好的教學(xué)效果。利用BIM三維模型，通過放大、旋轉(zhuǎn)等命令，可以從多角度、多方向觀察三維模型，便于學(xué)生對建筑工程圖的理解和繪制。利用BIM技術(shù)還能夠反映出復(fù)雜節(jié)點的構(gòu)造，在實踐教學(xué)中利用BIM三維模型進(jìn)行演示（見圖1），學(xué)生如同親臨施工現(xiàn)場觀看節(jié)點構(gòu)造，BIM模型的直觀性讓學(xué)生能夠進(jìn)一步加深對節(jié)點構(gòu)造的認(rèn)識理解程度。為了加強(qiáng)學(xué)生實訓(xùn)，高?？山M織教師建立BIM工作室，與企業(yè)合作，鼓勵學(xué)生參與到項目實踐中，給學(xué)生提供提前接觸工作崗位的機(jī)會，培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力，提高學(xué)生未來的就業(yè)能力。

四、結(jié)語

“土木工程制圖”課程作為土木工程專業(yè)的基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)教學(xué)已無法滿足目前土木工程發(fā)展趨勢下的人才培養(yǎng)需求，為了順應(yīng)土木工程專業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)技術(shù)人才，本文在分析傳統(tǒng)教學(xué)存在問題的基礎(chǔ)上，將BIM技術(shù)引入“土木工程制圖”課程中，充分發(fā)揮BIM可視化、模擬性、優(yōu)化性、協(xié)調(diào)性及可出圖性的優(yōu)勢，使學(xué)生更容易建立空間想象力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)主動性，提高“土木工程制圖”課程的教學(xué)效率，使學(xué)生更能適應(yīng)當(dāng)前時代發(fā)展趨勢，滿足社會對應(yīng)用型人才的需求。

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