BIM與VR技術(shù)在土木工程施工教學(xué)改革中的探索與實(shí)踐

陸海燕 鮑文博 寧寶寬

摘要：BIM與VR技術(shù)通過(guò)數(shù)字化，將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等融入建筑的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維中，引領(lǐng)建筑業(yè)的技術(shù)變革。BIM與VR技術(shù)的普及對(duì)土木類本科教學(xué)提出了新的要求，高等學(xué)校加強(qiáng)BIM與VR技術(shù)方面人才的培養(yǎng)已成為必然。文章介紹了BIM與VR技術(shù)應(yīng)用狀況，在總結(jié)目前土木工程施工教學(xué)模式所面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)現(xiàn)行土木工程類專業(yè)施工課程教學(xué)模式，構(gòu)建了基于BIM與VR技術(shù)的仿真教學(xué)系統(tǒng)，對(duì)土木工程施工教學(xué)改革方法進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；VR技術(shù)； 土木工程； 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TU17；G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2018）05-0127-05

BIM與VR技術(shù)作為建筑信息化發(fā)展的方向，將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等融入建筑的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維中，對(duì)土木工程專業(yè)本科培養(yǎng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。學(xué)生不僅要掌握傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)和工程管理技術(shù)，還要掌握三維可視化的BIM技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。在土木工程施工課教學(xué)中引入BIM與VR技術(shù)，不但可以提高學(xué)習(xí)效果，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更為重要的是通過(guò)VR技術(shù)的交互體驗(yàn)增加學(xué)生在施工管理中的實(shí)踐能力和存在感。目前，將BIM技術(shù)與土木工程專業(yè)課程相結(jié)合，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了探索與實(shí)踐[1-2]。但是，尚未見(jiàn)將BIM與VR技術(shù)融入土木工程施工課程教學(xué)的研究。文章針對(duì)土木工程施工課程教學(xué)存在的問(wèn)題，探索和實(shí)踐了BIM與VR技術(shù)在土木工程施工中的教學(xué)模式。

一、BIM與VR技術(shù)

BIM的全稱為“建筑信息模型”，是Building Information Modeling 的縮寫(xiě)。BIM的核心思想是以一定的參數(shù)化方式，通過(guò)數(shù)據(jù)描述建筑并記錄相應(yīng)的信息。在BIM中模型是載體，信息是靈魂，參數(shù)化是手段。BIM的三維可視化極大地方便了設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維管理，拉進(jìn)了設(shè)計(jì)與使用之間的距離，真正做到了“所見(jiàn)即所得”。BIM技術(shù)使施工和運(yùn)維做到了實(shí)時(shí)再現(xiàn)，材料的采購(gòu)、人員調(diào)度、機(jī)械使用等信息與施工場(chǎng)景密切相關(guān)，信息不再孤立。BIM與大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合為互聯(lián)網(wǎng)上的招投標(biāo)、材料運(yùn)輸及成本控制提供了精細(xì)化的數(shù)據(jù)支持。BIM技術(shù)的數(shù)字化為運(yùn)營(yíng)管理中移動(dòng)虛擬辦公提供了模型資源，促進(jìn)了工程管理中的電子化和信息化。BIM是數(shù)字技術(shù)在建筑工程全壽命周期管理中的直接應(yīng)用，以解決建筑工程在立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)中模型與信息共享問(wèn)題 [3-4]。作為建筑行業(yè)一場(chǎng)技術(shù)革命，BIM技術(shù)在中國(guó)得到了廣泛的推廣[5] 。

建設(shè)部為適應(yīng)BIM技術(shù)的發(fā)展，先后出臺(tái)了《2011—2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》和《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，明確了BIM技術(shù)作為建筑業(yè)發(fā)展的目標(biāo)與方向。各省市先后制定了本地區(qū)的BIM發(fā)展綱要，成立國(guó)家和區(qū)域性的BIM發(fā)展聯(lián)盟。工信部與圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)等推出了BIM全國(guó)職業(yè)等級(jí)考試，以促進(jìn)BIM人才的培養(yǎng)。中國(guó)的許多高校和建筑企業(yè)也相繼成立了BIM研究所和BIM研究中心。然而，在推廣BIM技術(shù)的過(guò)程中一個(gè)亟待解決的問(wèn)題就是 BIM人才培養(yǎng)滯后[6]。高等學(xué)校加強(qiáng)BIM技術(shù)方面人才的培養(yǎng)已成為必然。

VR全稱“虛擬現(xiàn)實(shí)”，是Virtual Reality 縮寫(xiě)。VR就是指用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)模擬生成現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景，再通過(guò)一定設(shè)備將人“投入”到場(chǎng)景中，增強(qiáng)沉浸式和交互式感覺(jué)，通過(guò)VR技術(shù)的沉浸式和交互式，讓用戶有種身臨其境的感覺(jué) [7-8]。目前，VR在建筑工程的方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目展示、安全培訓(xùn)、虛擬施工及虛擬家裝等方面得到了廣泛應(yīng)用。

BIM技術(shù)強(qiáng)調(diào)模型的建立、可視化和信息的附加，而VR技術(shù)強(qiáng)調(diào)虛擬交互與虛擬體驗(yàn)，BIM技術(shù)為VR技術(shù)提供了必要的場(chǎng)景資源及數(shù)據(jù)信息，VR技術(shù)為BIM推廣應(yīng)用提供了可視化的交互應(yīng)用平臺(tái)。

二、現(xiàn)階段土木工程施工課程教學(xué)模式

土木工程施工課程是本科階段非常重要的一門(mén)實(shí)踐應(yīng)用專業(yè)課，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，涉及知識(shí)繁雜。在教學(xué)中通常采用視頻及動(dòng)畫(huà)方式來(lái)激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知能力，再通過(guò)課程設(shè)計(jì)及施工實(shí)習(xí)加強(qiáng)理論課的學(xué)習(xí)，其效果往往不盡如人意。這種相互脫節(jié)的理論學(xué)習(xí)、課程設(shè)計(jì)和施工實(shí)習(xí)的三階段教學(xué)模式存在以下一些問(wèn)題。

（1）學(xué)生的理論學(xué)習(xí)過(guò)于單調(diào)，學(xué)生很難與實(shí)踐相結(jié)合，完全是一種被動(dòng)的學(xué)習(xí)，積極性不強(qiáng)，因此，理論知識(shí)掌握較差。

（2）目前，一些高校普遍存在施工實(shí)習(xí)困難的問(wèn)題，缺乏施工實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)。一方面，實(shí)習(xí)單位不愿意接收學(xué)生實(shí)習(xí)，擔(dān)心學(xué)生的進(jìn)入會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)正常工作，甚至?xí)?lái)安全隱患，另一方面，學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限，無(wú)法支持學(xué)生較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)習(xí)費(fèi)用。因此，通常是教師帶領(lǐng)學(xué)生，到幾個(gè)工地參觀一下，請(qǐng)工地技術(shù)負(fù)責(zé)人現(xiàn)場(chǎng)講解，施工實(shí)習(xí)就算結(jié)束。學(xué)生在施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間短，無(wú)法系統(tǒng)地了解施工工藝流程及工程管理方法。

（3）在施工課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生由于缺乏實(shí)踐認(rèn)識(shí)，只是機(jī)械地模仿，實(shí)踐能力差，甚至簡(jiǎn)單的施工場(chǎng)地布置都做不好，工程量計(jì)算、施工機(jī)械設(shè)備的選擇、施工進(jìn)度的安排等知識(shí)不足。

（4）一些學(xué)校，按照一定比例建造了大型施工實(shí)訓(xùn)室，教師在實(shí)訓(xùn)室內(nèi)教學(xué)，一定程度上補(bǔ)充了施工實(shí)習(xí)的不足。但由于實(shí)物模型是靜態(tài)的，且缺乏具有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的教師講解，學(xué)生難于將模型和生產(chǎn)過(guò)程結(jié)合在一起，動(dòng)手和實(shí)踐能力也得不到提高。

BIM技術(shù)具有可視化的特點(diǎn)，而VR技術(shù)具有沉浸效果，且交互能力強(qiáng)。BIM技術(shù)除應(yīng)用于建筑模型外，還可廣泛應(yīng)用于施工現(xiàn)場(chǎng)管理。以往的施工現(xiàn)場(chǎng)在圖紙上只由簡(jiǎn)單幾何形狀和文字構(gòu)成，而在BIM軟件中，施工現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)細(xì)節(jié)全部展現(xiàn)出來(lái)，包括生活區(qū)的宿舍、衛(wèi)生間、食堂等臨時(shí)樓房的尺寸、施工作業(yè)棚的尺寸和現(xiàn)場(chǎng)施工宣傳語(yǔ)的位置和內(nèi)容等。通過(guò)BIM模型庫(kù)的建立，可將施工中涉及的施工機(jī)械、施工暫設(shè)房、模板腳手架等常用模型均包括在內(nèi)。將建好的施工BIM模型轉(zhuǎn)入VR系統(tǒng)，通過(guò)VR交互式操作，可以完成施工現(xiàn)場(chǎng)的沉浸體驗(yàn)、施工進(jìn)度模擬、關(guān)鍵工藝虛擬模擬、施工現(xiàn)場(chǎng)漫游等。漫游包括施工現(xiàn)場(chǎng)的漫游和主體工程內(nèi)部漫游，這些功能也在一定程度上幫助學(xué)生檢查施工現(xiàn)場(chǎng)布置的合理性，實(shí)時(shí)掌握施工工序安排、材料調(diào)配、機(jī)械設(shè)備及人員的使用情況。因此，把BIM與VR技術(shù)引入土木工程施工課程教學(xué)中，解決傳統(tǒng)分離式教學(xué)帶來(lái)的不足。

三、BIM與VR仿真教學(xué)系統(tǒng)

為促進(jìn)BIM和VR技術(shù)在土木工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，學(xué)院BIM中心通過(guò)主流的BIM軟件和VR軟件的二次開(kāi)發(fā)，自主研發(fā)了土建類專業(yè)BIM與VR仿真教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)主要由BIM建模模塊、VR制作模塊及項(xiàng)目全壽命周期管理虛擬平臺(tái)3部分組成。每個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，其下都設(shè)有若干子模塊。BIM建模模塊主要完成CAD標(biāo)準(zhǔn)化圖轉(zhuǎn)成BIM模型，再將做好的BIM模型以FBX格式導(dǎo)入VR軟件，進(jìn)入VR制作模塊，完成各相應(yīng)子模塊的虛擬場(chǎng)景搭建，最后將虛擬場(chǎng)景發(fā)布到項(xiàng)目全壽命周期管理虛擬平臺(tái)上，可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)、移動(dòng)設(shè)備或臺(tái)式機(jī)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行虛擬交互管理。

四、BIM與VR技術(shù)在土木工程施工課程教學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)合BIM與VR技術(shù)及土木工程施工課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出將BIM與VR技術(shù)引入到施工課程教學(xué)中，具體做法如下：

1.構(gòu)建教學(xué)資源BIM模型

施工課程以一個(gè)具體的虛擬工程案例為依托，需要有完整虛擬工程的BIM模型。施工課程中涉及基礎(chǔ)工程、主體工程以及裝飾裝修工程，因此，BIM模型還應(yīng)包括基礎(chǔ)工程涉及的土方模型、邊坡模型、各種基礎(chǔ)模型及機(jī)械運(yùn)輸設(shè)備等，主體工程中涉及構(gòu)件詳細(xì)模型、模板及腳手架等，裝飾裝修工程涉及裝飾構(gòu)件詳細(xì)模型、建筑設(shè)備及門(mén)窗等BIM模型。這些模型資源可通過(guò)CAD課和BIM課的學(xué)生作品得到，也可以通過(guò)網(wǎng)上查找。

2.施工教學(xué)關(guān)鍵虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)施工的具體特點(diǎn)，可分為施工場(chǎng)地布置場(chǎng)景、基礎(chǔ)施工場(chǎng)景、主體工程模擬場(chǎng)景以及裝飾裝修工程場(chǎng)景，對(duì)每一教學(xué)場(chǎng)景結(jié)合理論知識(shí)講解，制定出詳細(xì)的實(shí)施方案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

3.施工關(guān)鍵虛擬場(chǎng)景的認(rèn)知學(xué)習(xí)

在教學(xué)中結(jié)合場(chǎng)景與實(shí)際工程情況，將學(xué)生分成若干組，組內(nèi)成員又可分為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、技術(shù)負(fù)責(zé)人、工長(zhǎng)等角色，學(xué)生根據(jù)自己的角色合作完成關(guān)鍵虛擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)。在實(shí)施過(guò)程中根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，采用BIM與VR仿真教學(xué)系統(tǒng)，完成各階段的認(rèn)知學(xué)習(xí)。圖4的土方施工場(chǎng)景和圖5的主體工程模擬場(chǎng)景為學(xué)生施工課程中的部分成果。

通過(guò)BIM與VR技術(shù)的應(yīng)用，學(xué)生不再簡(jiǎn)單地被動(dòng)學(xué)習(xí)，而是結(jié)合理論和實(shí)踐教學(xué)，自主創(chuàng)建和搜集相應(yīng)的BIM模型資源。特別是在VR場(chǎng)景設(shè)計(jì)階段，團(tuán)隊(duì)成員角色明確、分工協(xié)作，較好地完成VR施工現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景。通過(guò)VR沉浸式體驗(yàn)，學(xué)生不但體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景，而且能發(fā)現(xiàn)施工方案的優(yōu)點(diǎn)與不足，這些在傳統(tǒng)教學(xué)模式中是無(wú)法得到的。通過(guò)BIM與VR技術(shù)，學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)即刻應(yīng)用，做到了所學(xué)即所用，實(shí)踐內(nèi)力和創(chuàng)新內(nèi)力得到了提高，同時(shí)對(duì)BIM與VR技術(shù)有了較深的理解。

五、結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，文章建立的基于BIM與VR技術(shù)的虛擬仿真平臺(tái)能讓學(xué)生了解并運(yùn)用BIM與VR技術(shù)，同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。在施工課程教學(xué)的理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)中應(yīng)用BIM與VR技術(shù)是土木工程施工教學(xué)的新突破。通過(guò)BIM與VR技術(shù)的引進(jìn)，既可以解決新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的結(jié)合問(wèn)題，又可以節(jié)約教學(xué)資源，解決施工實(shí)習(xí)資源短缺的問(wèn)題。

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Abstract： BIM and VR technology integrate big data， internet and cloud computing into building design， construction and operation through digitization， and lead the technological change of construction industry. The popularization of BIM and VR technology puts forward new requirements for civil engineering undergraduate teaching， and its inevitable for colleges and universities to strengthen the training of talents with BIM and VR technology. This paper introduces the application status of BIM and VR technology. Based on a summary of the problems faced by the current teaching mode of civil engineering construction， combined with the teaching mode of civil engineering construction course in China， it builds a simulation teaching system based on BIM and VR technology， and explores and implements the teaching reform method of civil engineering construction.

Key words： BIM technology； VR technology； civil engineering； teaching reform

（責(zé)任編輯 周 沫）