基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革初探

鄭玉瑩　謝偉　王秋分

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)目前存在教學(xué)模式過于傳統(tǒng)，鋼結(jié)構(gòu)實(shí)踐困難等問題。為了培養(yǎng)應(yīng)用型鋼結(jié)構(gòu)人才，使學(xué)生畢業(yè)后能更好的勝任相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)方面的工作。文章針對本科鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)現(xiàn)狀，利用BIM建立教學(xué)資源、改革課程設(shè)計(jì)、改革畢業(yè)設(shè)計(jì)及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、為學(xué)生提供創(chuàng)新平臺等各個方面提出了改革設(shè)想。為BIM技術(shù)如何融入鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)提供一個思路。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；教學(xué)改革；BIM技術(shù)；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）20-0150-03

鋼結(jié)構(gòu)以抗震性能的優(yōu)異、施工過程的方便和可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，伴隨著國家及地方政策對裝配式建筑的導(dǎo)向，鋼結(jié)構(gòu)市場在日益增大，鋼結(jié)構(gòu)專門人員的需求量加大，但各鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)、設(shè)計(jì)部門的鋼結(jié)構(gòu)人才多是從事多年鋼筋混凝土工程領(lǐng)域轉(zhuǎn)到鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。目前高校鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)中鋼結(jié)構(gòu)課程偏理論化[1]，距離培養(yǎng)應(yīng)用型人才還有一定的差距，剛走上工作崗位的大學(xué)畢業(yè)生不能馬上勝任工作，還需要相當(dāng)一段時間的培訓(xùn)。

一、鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)現(xiàn)狀

（一）傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)模式存在問題

現(xiàn)在高校普遍開設(shè)鋼結(jié)構(gòu)課程，但是教學(xué)模式過于傳統(tǒng)，具體來說存在以下問題：

1. 現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)課程理論方面的敘述過于詳細(xì)，內(nèi)容較多，與工程實(shí)際結(jié)合實(shí)例太少。教材和課件上鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造多是二維平面圖形。鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和變形比較復(fù)雜，有時必須用三維模型才能表達(dá)清楚，通過黑板或者PPT圖片無法實(shí)現(xiàn)。

2. 實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工地較少，實(shí)習(xí)場所有限，學(xué)生沒有直觀印象，無法全面了解實(shí)際工程。學(xué)生對輕鋼門式剛架、多高層鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架等與工程實(shí)際密切相關(guān)的內(nèi)容學(xué)生只能聽老師講述，無法掌握精髓實(shí)質(zhì)。

3. 鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)安排有困難。課程設(shè)計(jì)多是課程結(jié)束后，一兩周時間集中進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要大量計(jì)算，施工圖紙繪制主要是使用STS基本上也是二維建模。主要問題是時間倉促，學(xué)生多半按參考書中例子照搬，軟件二維建模之后也無法幫助學(xué)生理解。由于課程設(shè)計(jì)時鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算和繪圖相對復(fù)雜，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)時很少有人選擇鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類題目。

4. 現(xiàn)有教學(xué)模式很難跟上現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展形勢。教材更新慢，很多鋼結(jié)構(gòu)新的結(jié)構(gòu)型式、新的構(gòu)造、新的工藝很難在課堂講授，即使提及學(xué)生也很難理解。

（二）BIM在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)代表了未來建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的新模式。目前鋼結(jié)構(gòu)工程的BIM應(yīng)用主要是概念設(shè)計(jì)應(yīng)用Sketchup和Rhino軟件等，結(jié)構(gòu)分析一般應(yīng)用Midas、PKPM等，鋼結(jié)構(gòu)建模一般使用Tekla Structure、Revit等，數(shù)字化加工有Smart Nest等，虛擬建造應(yīng)用Navisworks、TeklaBIMsight等。BIM在鋼結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用從前期投標(biāo)、深化設(shè)計(jì)、工廠制造到現(xiàn)場施工是為工程全生命周期提供可靠服務(wù)的數(shù)字化表達(dá)。

從目前BIM在鋼結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用可以看出在當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)課程課時緊張的情況下，通過課堂教學(xué)讓學(xué)生掌握BIM內(nèi)容是不現(xiàn)實(shí)的[5]。通過對這幾年鋼結(jié)構(gòu)教改參考文獻(xiàn)[2]～[4]的研究，發(fā)現(xiàn)改革還是針對于教材例題編寫、課程設(shè)計(jì)題目。學(xué)生實(shí)習(xí)場地受限制，理解困難等問題還是沒有得到解決，總的來講，目前針對鋼結(jié)構(gòu)的教學(xué)改革主要還停留在針對傳統(tǒng)實(shí)踐模式的改善和優(yōu)化的階段，尚缺乏對教學(xué)模式上的創(chuàng)新，相關(guān)研究仍存在著一定的不足。而對于本課題的研究方向——基于BIM的教學(xué)模式的探索涉及較少，對BIM如何融入課程建設(shè)目前也尚處于初步探索階段。

二、高校結(jié)合BIM的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)形式

教學(xué)改革的目的是以BIM技術(shù)為載體形成有特色的鋼結(jié)構(gòu)課程體系，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段的創(chuàng)新，深化鋼結(jié)構(gòu)課程改革，提升鋼結(jié)構(gòu)人才培養(yǎng)質(zhì)量。那么如何在傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，在課程教學(xué)中基于BIM進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革？《鋼結(jié)構(gòu)制圖識圖》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》以及《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》這些內(nèi)容是分布在好幾門專業(yè)基礎(chǔ)課或者專業(yè)課中[6]，那如何能夠?qū)ⅰ八槠钡闹R點(diǎn)系統(tǒng)化？本文旨在合理使用BIM技術(shù)，將BIM技術(shù)和案例教學(xué)法相結(jié)合，這將是鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革非常可行的一個方向。

（一）利用BIM實(shí)現(xiàn)教學(xué)體系系統(tǒng)化

合理使用教學(xué)資源，同一個結(jié)構(gòu)模型可以貫穿在一系列鋼結(jié)構(gòu)課程中，并且可以實(shí)現(xiàn)課程章節(jié)的連續(xù)性和一體化，如在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》課程中建立一個鋼結(jié)構(gòu)工作平臺的BIM模型，利用實(shí)例可以講解鋼結(jié)構(gòu)工作平臺的結(jié)構(gòu)平面布置，連接這一章可以查看鋼結(jié)構(gòu)主次梁和梁柱節(jié)點(diǎn)的連接形式等，受彎構(gòu)件以主次梁為實(shí)例、壓彎構(gòu)件以柱為實(shí)例，各個章節(jié)的內(nèi)容最終結(jié)合成鋼結(jié)構(gòu)工作平臺。

（二）利用BIM可以建立鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)資源庫

對虛擬建造軟件，只需要學(xué)生了解，教師可以利用該類軟件建立鋼結(jié)構(gòu)工作平臺、輕鋼門式剛架、鋼結(jié)構(gòu)框架、輕鋼小別墅等鋼結(jié)構(gòu)模型的鋼結(jié)構(gòu)安裝、焊接、螺栓等工藝流程視頻，形成三維可視化教學(xué)資源庫。可視化可以增加課堂教學(xué)的直觀程度，深化學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造的理解，提高了教學(xué)質(zhì)量。

（三）利用BIM豐富課程設(shè)計(jì)內(nèi)容形式

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過程相對復(fù)雜，很多結(jié)構(gòu)形式不適合手算，因此學(xué)生課程設(shè)計(jì)選題單一，重復(fù)計(jì)算量大，學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)識圖和制圖能力較差，對整體理解把握能力不強(qiáng)。結(jié)合Midas等可以完成輕鋼門式剛架、重型單層工業(yè)廠房、多層框架結(jié)構(gòu)等多類型鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)題目，豐富課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，弱化不必要的計(jì)算，利用Revit軟件建模，提高學(xué)生的理解和對結(jié)構(gòu)整體的認(rèn)知。

（四）結(jié)合BIM提高學(xué)生制圖識圖能力

在上述課程設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生鋼結(jié)構(gòu)制圖能力很差，或者直接軟件作出的二維圖紙完全和手算內(nèi)容對不上，反映學(xué)生識圖能力也較弱。通過BIM軟件三維模型再轉(zhuǎn)生成二維圖紙?zhí)岣邔W(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)圖紙的識圖能力，這樣也深化了對鋼結(jié)構(gòu)原理的理解。

（五）開設(shè)BIM鋼結(jié)構(gòu)實(shí)踐環(huán)節(jié)

這解決了實(shí)際工程現(xiàn)場參觀實(shí)習(xí)受到限制的難題。目前學(xué)生實(shí)習(xí)主要是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，很少到實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)工程或者是參觀已經(jīng)建成的鋼結(jié)構(gòu)類建筑看不到關(guān)鍵部位施工，嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)課程的實(shí)習(xí)效果。BIM鋼結(jié)構(gòu)實(shí)踐環(huán)節(jié)可以以學(xué)生為主，形式靈活，能夠結(jié)合真實(shí)設(shè)計(jì)任務(wù)完成BIM仿真設(shè)計(jì)工作，為學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)踐類課程提供了強(qiáng)有力的支持。

（六）為學(xué)生的鋼結(jié)構(gòu)科技創(chuàng)新活動提供了可實(shí)現(xiàn)的平臺

學(xué)生可以利用BIM設(shè)計(jì)各類鋼結(jié)構(gòu)模型，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)投入，同時培養(yǎng)訓(xùn)練了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力。組織參加大學(xué)生鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽、廣聯(lián)達(dá)BIM大賽等賽事。必然會推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)踐教學(xué)水平的進(jìn)一步提升。

對上述幾種教學(xué)形式進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的連續(xù)性和整體性，以實(shí)現(xiàn)有限教學(xué)資源的最大利用，提升實(shí)踐教學(xué)效果。對鋼結(jié)構(gòu)課程以BIM為主線的一體化教學(xué)進(jìn)行研究。利用BIM建立實(shí)際工程案例將鋼結(jié)構(gòu)所有課程、所有教學(xué)環(huán)節(jié)和絕大部分知識點(diǎn)串連起來，使各課程間相互聯(lián)系和銜接更加緊密，使理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)之間過渡更加自然，從而改變傳統(tǒng)教學(xué)中各個課程零散相互無聯(lián)系，理論和實(shí)踐脫節(jié)的現(xiàn)狀。目前看來，多個教學(xué)環(huán)節(jié)貫穿使用是比較理想的教學(xué)形式。具體運(yùn)用實(shí)例如圖1～圖4，以一商業(yè)綜合體高層鋼結(jié)構(gòu)為案例，在鋼結(jié)構(gòu)制圖課中以此為模型讓學(xué)生進(jìn)行制圖練習(xí)；在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中講解樓蓋設(shè)計(jì)主次梁布置、選型和設(shè)計(jì)；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對整體結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行講解如支撐布置，洞口布置等；鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)中對鋼管混凝土和柱腳等進(jìn)行講解。通過各種實(shí)例的講解發(fā)現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)尤其是綜合實(shí)訓(xùn)中愿意選擇鋼結(jié)構(gòu)多高層框架和網(wǎng)架的學(xué)生人數(shù)逐年增多。

三、結(jié)論

本課題組針對鋼結(jié)構(gòu)的課程改革進(jìn)行了一系列的研究，主要包括：1.以鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)特點(diǎn)、當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行改革研究；2.建立鋼結(jié)構(gòu)課程精品課件和教案；3.鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)題目的精選及學(xué)時安排的增加；4.教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式、教學(xué)手段的改革研究。

根據(jù)這些研究，本課題組重新編寫了多門鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)大綱，對學(xué)時和內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，減少了多高層鋼結(jié)構(gòu)的學(xué)時，增加了部分網(wǎng)架、網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。另外本課題組按不同的結(jié)構(gòu)體系編寫了教學(xué)案例，采用案例教學(xué)法有利于提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力。主要改革是針對于利用BIM實(shí)現(xiàn)三維可視案例，根據(jù)案例進(jìn)行例題編寫和課程設(shè)計(jì)題目的改革。本課題的研究方向——基于BIM的教學(xué)模式的探索尚涉及較少，對BIM如何融入課程建設(shè)目前也尚處于初步探索階段，可是如果能夠合理使用BIM技術(shù)，既能滿足鋼結(jié)構(gòu)課程的需求也能符合目前高校改革對BIM學(xué)習(xí)的要求。另外也能解決學(xué)生實(shí)習(xí)場地受限制，理解困難等問題。

我系在實(shí)踐過程中取得了一系列的成果，包括學(xué)生競賽和學(xué)生就業(yè)等方面：1. 充分利用BIM技術(shù)的跨專業(yè)協(xié)作優(yōu)勢，土木+工管、土木+工管+建環(huán)跨專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)連續(xù)兩年取得很好的成績。2016年獲得了江蘇省優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)和全國高校BIM畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽二等獎，2017年獲得全國高校BIM畢業(yè)設(shè)計(jì)大賽一等獎、二等獎。2. 嘗試在綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中設(shè)置基于BIM的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)題目，學(xué)生綜合能力得到了極大的鍛煉。3. 連續(xù)兩年的鋼結(jié)構(gòu)課程改革之后，學(xué)生畢業(yè)后從事鋼結(jié)構(gòu)方面的人數(shù)逐年上升。

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