BIM技術在工程結構課程教學中的應用

侯學良+楊思佳

摘要：工程結構課程是工程管理專業(yè)最為主要的專業(yè)課程，但因其內容抽象、公式復雜而給學生學習和掌握這一專業(yè)知識帶來困難。針對其中的教學難點，文章基于BIM技術給出了在教學中如何有效展示工程結構構件的隨機組合形態(tài)和構件之間的相互關系、工程結構在荷載作用下的傳力路徑、力學特性與破壞機理的教學新方法。結合新方法在工程結構課程教學中的應用效果，文章就如何將BIM引入工程結構課堂教學、提高工程結構教學水平給出了三條具體建議，即加快思想認識轉化、設立工程結構BIM實驗室和開發(fā)基于BIM技術的工程結構教學素材。

關鍵詞：工程結構；BIM技術；教學方法；課堂教育

中圖分類號：G642.0；TU3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）06-0129-04

一、工程結構課程內容及其教學現狀

工程結構是一門理論與實踐緊密結合的專業(yè)課程，該課程實用性強、應用范圍廣，是從事工程管理必須掌握的核心技術。因此，自高等院校設立工程管理專業(yè)以來，工程結構這一課程就成為該專業(yè)的核心主干課程。

然而，由于該課程所授內容不僅包含工程結構的基本組成、承載方式、受力特點、傳力路徑等大量專業(yè)基礎知識，還包含結構荷載組合、承載極限分析、結構形態(tài)演化、結構變形破壞、結構構件設計、設計公式推導、結構參數假設、結構構造配置等眾多內容抽象、晦澀難懂的專業(yè)理論，且在學習過程中需要學生熟記大量的工程設計基本參數、專業(yè)術語、計算公式和設計規(guī)則，了解和掌握工程結構多種材料的變換組合與相互替代，這就使得學生在該課程學習中倍感吃力、困難重重[1]。對此，很多教師在教學中常借助結構模型、結構圖片和實物圖像予以工程結構二維平面或三維立體演示，但對于缺乏工程結構客觀感知和實踐經驗的學生來講，很難理解變換多樣的空間立體結構，更無法深刻領會荷載作用下工程結構隨時間推移的結構形態(tài)變化和破壞機理等四維特性，進而在學習用中逐漸產生畏難情緒并影響到學生的學習積極性[2]。因此，如何通過更為科學有效的教學方法將這一重要專業(yè)技術課程變得通俗易懂，使學生能夠更好學習和掌握這一專業(yè)技術知識，成為工程結構課程教學需要研究和解決的一個重要現實問題。

二、 BIM技術及其特點

BIM是Building Information Modeling的簡稱，即建筑信息模型，它是通過數字信息進行建筑物仿真模擬的一門新技術，具有可視化、協調性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性的特點[3]。BIM內含3D和4D技術，3D技術主要是基于工程項目的相關數據，構建建筑物的三維空間立體模型，可從多個視角展示出工程結構的平立剖效果以及構件之間的空間組合關系（如圖1所示），結構設計規(guī)范以及結構設計中隱藏的基本構造要求等內容則可通過虛擬的方式展現出來（如圖2所示）。

4D是在3D的基礎上納入時間序列，不僅能夠幫助使用者形象直觀地認知工程結構隨時間變化而變化的具體形態(tài)，理解工程結構的施工順序、施工工藝、現場施工組織活動等內容，還能發(fā)現工程結構在時間變化狀態(tài)下結構空間存在的位相沖突問題[4]。因此，自BIM技術使用以來，4D技術就深受工程項目管理者和工程結構設計者的喜愛。

三、工程結構課程教學引入BIM的方法

目前，在工程結構專業(yè)課程教學中，學生學習和教師授課的難點主要集中在兩大方面：一是在工程結構基礎知識中，采用傳統教學方式很難全方位展示出工程結構構件的隨機組合形態(tài)變化結果以及構件之間的相互關系；二是無法展示出工程結構在荷載作用下的傳力路徑、力學特性與破壞機理，進而給學生講授工程結構設計、結構參數選擇、結構構造配置等專業(yè)知識帶來更大困難[5]。然而，將BIM技術引入后，上述問題就可迎刃而解[6]。

（一）工程結構構件的隨機組合形態(tài)展示

當教師講解工程結構基礎知識中結構構件隨機組合形態(tài)變化以及構件之間的相互關系時，可以預先確定工程結構模型的基本信息，如砌體結構、排架結構或框架結構的三維尺寸、構件的斷面尺寸等，然后通過附以結構材料信息的BIM建模過程，編制工程結構構件。在此基礎上，通過BIM平臺進行多種構件的相互組合，即可將書本上抽象的工程結構構件隨機組合形態(tài)變化結果以及構件之間的相互關系形象地展示出來[7]，并讓學生切身感受到工程結構的組合變化過程，體驗到工程結構變化多樣的組合魅力，進而激發(fā)學生的學習興趣與熱情。如圖3所示。

（二）工程結構的傳力路徑與力學特性

在荷載作用下，不同類型的工程結構具有不同的傳力路徑，了解和掌握工程結構的傳力路徑對科學開展工程結構的力學分析至關重要。但由于肉眼無法觀察到工程結構的傳遞荷載過程，因此學生無法感知工程結構的真實受力形態(tài)。針對該問題，教師可以基于BIM技術預先建立工程結構模型，并融入ANSYS仿真軟件，通過彩色云圖方式展示出結構構件的應力應變分布以及支座反力情況[8]，以此讓學生直觀看到工程結構在荷載作用下的傳力路徑和力學特性，如圖4所示。

（三）工程結構的破壞機理

在講授結構構件的受力原理及其破壞過程時，由于受到講課時間、實驗設備等客觀條件的約束，不能在課堂直接進行實物實驗，此時可以借助BIM的4D功能模擬構件破壞過程，讓學生看清荷載作用下工程結構及其構件出現裂縫以及裂縫的發(fā)展趨勢，幫助學生深刻領會工程結構專業(yè)知識的內涵與本質。

（四）工程結構設計

培養(yǎng)學生能夠獨立進行工程結構設計是工程結構課程教學的最后一個環(huán)節(jié)，其目的是幫助學生在獲知工程結構專業(yè)知識的基礎上，學會綜合應用所學知識，并掌握工程結構設計的完整流程，為今后開展實際工作打好基礎。但開展工程結構設計前，學生需要熟記大量的工程設計基本參數、計算公式和設計規(guī)則，這就給學生開展工程結構設計帶來困難[9]。針對此問題，教師在授課前應針對不同類型的工程結構及其設計要求，首先基于該結構的設計原理提煉出與之相應設計模型，將工程設計規(guī)范和常用工程結構設計參數進行整合，構建起多種結構的數據庫，然后利用計算機語言進行編程，開發(fā)出工程結構設計的仿真軟件。因此，當學生選定工程結構類型及其相關參數后，即可按照設計程序模擬工程結構及其構件的設計，使學生真實體驗到工程設計的完整流程，并能直接看到工程結構的設計結果。

四、引入BIM后的工程結構課程教學效果

通過多年的理論研究和歷時三屆課堂教學的應用結果證明，基于BIM技術建立起工程多種結構的三維立體演示模型、工程結構荷載組合軟件、工程結構構件隨機組合形態(tài)變化演示軟件、工程結構仿真實驗模型和工程結構程序化設計過程模擬軟件，在引入到工程結構課程教學中后，該教學新方法不論是在理論教學方面還是在學生學習專業(yè)知識方面都達到了預期教學目標，特別是在以下三個方面取得了顯著教學效果。

（一）激發(fā)了學生的學習興趣

晦澀難懂的工程結構專業(yè)知識通過借助BIM技術轉化為具體形象的動態(tài)圖像，不僅減輕了學生的學習難度，幫助學生正確了解和掌握了工程結構的專業(yè)理論知識，而且使學生在學習中不再感到枯燥無味。特別是學生在認識到工程結構知識的實用價值后，極大地激發(fā)了學生的學習積極性、主動性和創(chuàng)造性。連續(xù)三年的評教綜合評價結果證明，該課程設計的優(yōu)秀率都在90%以上，其中2014年為92.5%，2015年為95.2%，2016年為94.2%。

（二）提升了學生應用工程結構專業(yè)知識的能力

在工程結構課程教學過程中，學生通過工程結構設計教學模擬軟件的反復練習，熟練掌握了工程結構選型、結構布置、構件設計等主要專業(yè)技術技能，因此，學生多次積極主動參加了有關高校組織的工程結構專業(yè)技能大賽。通過大賽，不僅提升了學生應用工程結構專業(yè)知識的技術能力，也為學生今后從事工程管理工作打下了良好的基礎。

（三）促進了工程結構教學水平的提高

在工程結構課堂教學中，教師借助基于BIM技術開發(fā)的軟件，不僅可將原本內容復雜、晦澀難懂的專業(yè)知識形象直觀地表達出來，讓課堂變得生動有趣，而且融合現代科學技術的教學方式也促進了該課程教學水平的提高，實現了教與學的和諧發(fā)展。

五、工程結構課堂教學引入BIM的相關措施

BIM技術是近年來在工程建設領域興起的新技術，盡管在工程建設過程中已得到了較多應用，但對于從事教育工作的教師來講，使用率還非常低。為此，若要將BIM引入到工程結構課堂教學中來，切實提高工程結構課堂教學水平，還需要若干措施予以促進。

（一）加快思想認識轉化

多年教學實踐已證明，對于沒有實踐經驗的學生，如果沒有對工程結構的客觀感知，即使認真學習理論知識也會感到晦澀難懂。因此，不論是學校還是教師，都應加快思想認識轉化，改變傳統的教學思想與教學模式。學校要出臺相應政策鼓勵教師不斷學習和掌握先進技術，教師則要在熟練掌握專業(yè)理論的基礎上，不斷積累實踐經驗并開發(fā)出新的教學模式，使抽象的專業(yè)知識變成形式活潑、易于理解的科普知識[10-11]。

（二）設立必要的工程結構BIM實驗室

與其他專業(yè)課程相比，工程結構課程更傾向于實際應用，而要達到這一目的就需要有相應的實驗平臺和硬件支撐。如果能夠設立工程結構BIM實驗室，學生就可以通過 BIM 技術將所學的專業(yè)知識系統地進行整合，不僅可以增強學生對工程結構的感性認識，還可以提升學生專業(yè)知識的應用能力， 進而實現理論教學與專業(yè)實踐的有效集成。

（三）開發(fā)基于BIM技術的工程結構教學素材

BIM技術除了可以仿真工程結構的受力特性外，還可以模擬工程結構施工的四維特性，構建工程結構專業(yè)基礎知識的學習平臺。

借助BIM技術開發(fā)大量的工程結構教學素材，并讓學生參與工程結構及其施工的仿真制作，在工程管理專業(yè)大一新生入門開始對學生進行工程結構知識的通識教育，讓學生了解工程結構的建設過程和設計程序，掌握工程結構的基礎知識，為學生進一步開展理論學習和專業(yè)實踐打下良好基礎。

參考文獻：

[1]鄧海，段書金. 在工程結構教學中引入概念設計的思考[J]. 中國電力教育，2009，11（1）：55-56.

[2]黎生南. 工程管理專業(yè)《工程結構》課程教學方法的思考[J]. 長江大學學報，2008，20（3）：340-342.

[3]鄭華海，劉勻，李元齊. BIM技術研究與應用現狀[J]. 結構工程師，2015，31（4）：233-240.

[4]李云貴，邱奎寧，王永義.我國BIM技術研究與應用[J]. 鐵路技術創(chuàng)新，2014，23（2）：36-42.

[5]徐振華. 工程管理專業(yè)“工程結構”教學改革探索[J]. 科教文匯，2015，56（5）：63-64.

[6]羅中. BIM技術引入建筑工程項目管理課程教學實踐探討[J]. 山西建筑，2015， 21 （7）：249-250.

[7]張倉，謝萬萍. BIM技術在工程專業(yè)課程教學中應用的探索[J]. 科技視界，2016， 42 （5）：24-25.

[8]張尚，任宏. BIM教學改革的作用、規(guī)劃與建議[J]. 建筑經濟，2015，23（2）：92-96.

[9]魏利鵬.淺談BIM平臺在工程管理教學中的構建[J]. 新西部，2015， 31 （8）：130-131.

[10]吳光東，唐春雷. BIM技術融入高校工程管理教學的思考[J]. 高等建筑教育，2015，13（4）：156-159.

[11]曾媛，胡明山.大學生創(chuàng)業(yè)素質現狀、問題及教育對策研究[J].江西理工大學學報，2011，32（4）：34-36.