BIM技術在基坑工程課程教學中的探索與應用

董文澎++楊澤郁++潘志群++陸斌

摘要：隨著信息化技術的發展，BIM技術正在土木工程領域的設計、施工、監測、運營維護等方面發揮著巨大的作用，如何將這一新興技術結合工程實例引入高等院校土木工程專業本科教學，是一個亟待發展和解決的關鍵問題。本文介紹采用BIM技術，以基坑工程專業課為代表，結合實際逆作法基坑工程項目，實現三維地質及建（構）物數字化仿真建模，并將逆作法施工運用BIM仿真動畫進行表現，實現教學課堂的真實性和趣味性，為BIM技術全面進入土木工程本科教學提供借鑒。

關鍵詞：本科教學；教育信息化；基坑工程；BIM技術

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2018）02-0262-02

一、引言

隨著計算機、網絡、通信等技術的發展，信息技術深刻改變著傳統產業的生產方式，尤其是在工程設計領域。目前，信息技術在建筑設計、結構計算、工程施工和設施維護等領域的應用不斷深化與推廣，其中以BIM技術為代表的新興信息技術[1]，成為各類信息技術的集大成者，正在改變當前工程建造的模式，轉向以全面數字化與信息化為特征的數字建造模式。

二、BIM技術在工程領域中的應用

BIM技術首先于21世紀初出現在全世界的建筑業中，源自于“Building Information Modeling”的縮寫，中文譯為“建筑信息模型”[2]。BIM應用于建筑項目，都不同程度地出現了建設質量和勞動生產率提高、返工和浪費現象減少、建設成本得到節省而使建設企業的經濟效益得到改善的景象。隨著BIM認知度的提升，其應用已經超越了建設對象是單純建筑物的局限，它越來越多地應用在橋梁工程、水利工程、城市規劃、市政工程、風景園林建設等多個方面。目前各高校土木工程專業授課方式大多仍以板書、PPT多媒體，結合Flash動畫或者影音資料進行教學，在教學過程中，學生往往以想象來“猜測”具體的工程項目是什么樣的，學到的知識往往也以“碎片化”為主，有的教師使用例如Sketchup等軟件快速建立相應的工程模型，建立的模型確實可用于圖型可視化，但對數據集成和設計分析只有很少的支持甚至沒有支持，這種模型只能算是可視化的3D模型，而不是包含豐富屬性信息的信息化模型，而BIM技術是一項應用于設施全生命周期的3D數字化技術，它以貫穿其生命周期都通用的數據格式，創建、收集該設施所有相關的信息并建立起信息協調的信息化模型作為項目決策的基礎和共享信息的資源[3]。

目前一些機構在軟件商的贊助下也通過組織BIM設計大賽的形式推廣BIM[4]，如全國高校建筑學學科專業指導委員會主辦的“Autodesk Revit杯”全國大學生建設設計競賽，參賽對象是高校在讀的建筑學專業的學生；由中國勘測設計協會主辦的“創新杯”BIM設計大賽等，充分說明BIM技術的推廣正在高校中如火如荼地進行，在學生當中的影響范圍日益擴大，效果顯著，勢必產生更加深遠的影響。如何將BIM技術與土木工程教學結合，將這一新興技術全面深入地融入專業教學，是一項重要的課題。

三、BIM在基坑工程教學中的應用

（一）典型逆作法基坑案例

上海某一深基坑工程位于上海市中心地區，場地條件為典型的上海軟土區域，周邊環境保護要求較高。根據主體結構的設計條件、周邊環境的保護要求、場地工程地質和水文地質的特點，綜合考慮國內現有的施工技術和設備條件，參考上海以及周邊地區可類比的基坑圍護工程的成功實踐，在“安全、合理、經濟、可行”的指導原則下，采用主體結構與支護結構全面結合，基坑逆作施工的整體方案。即“地下連續墻兩墻合一+結構梁板替代水平支撐+臨時環形支撐”的“逆作法”總體方案。

（二）地層三維模型

實現三維地層建模的方法各有千秋，本科生由于尚未接觸到實際的基坑工程施工，對現場環境很陌生。在實際授課過程中，教師通過語言和多媒體手段進行描繪，實際授課效果往往差強人意，學生往往通過想象去理解現實中的實際工程情況。對于三維地層，本科生在接觸過土力學和工程地質等課程的基礎上，在印象中有了關于土層分層、不同土層區別的概念，但是對于“地層尖滅”及“透鏡體”等特殊地質現象理解不深，通過將教師自身多年的研究成果運用程序代碼利用3D建模軟件展示出來，可以起到生動直觀的效果，結合授課教師講述，可以使地層情況一目了然。

（三）建（構）筑物三維建模

教學當中運用Autodesk Revit軟件為主要建模軟件，基坑建模以基坑軸網和標高為主體參考線，根據圖紙繪制好模型主體結構標高和軸網，然后結合主體軸網確定參照平面的位置來定位各結構構件。依據地連墻的不同尺寸建立不同的地連墻族，采用軟件自帶的墻族，將項目中的材質和尺寸設置好，將地連墻依據軸網放置并處理好相鄰地連墻之間的連接，利用工字型鋼連接相鄰地連墻，對于帶有翼板的不規則地連墻采用內建模型建立。利用結構柱族建立好不同的基坑樁基族，將項目中的樁基定位放置，并利用載入或新建族來繪制項目中的鋼管混凝土柱和角鋼格構柱。在結構的一樁一樁體系上添加混凝土梁和鋼梁，并設置好梁柱的連接和梁的屬性和尺寸。在建好的框架梁柱體系的基礎上，添加施工過程中的臨時支撐和臨時格構柱以及結構樓板和配置鋼筋等，之后設置好整個模型的洞口、墻體以及樓梯等構件。最后在建好模型的基礎上，布置場地和周圍環境，布設周圍管線和施工機械等。

（四）逆作法施工仿真模擬

對于大型土木基坑工程采用逆作法施工，在課堂講授時，書本上采用文字描述的形式進行介紹，若采用Flash動畫等進行展示，效果是二維的，不能很好地進行三維空間展示，而實際基坑工程施工由于施工時間長，往往以年為單位，錄制工程視頻不現實。利用BIM技術，將模型建好之后，可以對項目中的模型指定開始時間、結束時間，通過將三維模型數據與項目進度相關聯，利用Navisworks軟件實現4D施工可視化效果。

四、結論

信息技術正在深刻地改變著傳統產業的生產方式，尤其是在工程設計領域，同時，信息技術在建筑設計、結構計算、工程施工和設施維護等領域的應用也在不斷深化與推廣，BIM技術的出現將建筑工程數字化推向了一個新的高度。將這一新興技術融入到土木工程專業當中，將煥發這一傳統行業的新興魅力。本文結合基坑工程逆作法加以探索分析，為其他土木工程專業課程本科教學提供了借鑒。

參考文獻：

[1]張建平.BIM技術的研究與應用[J].施工技術，2011，（1）：15-18.

[2]劉葵.從CAD漸進到BIM[J].中國計算機用戶，2003，（33）：66.

[3]Easetman C.A Data Model Analysis of Modularity and Extensibility in Building Databases[J].Building and Environment.1992，27（2）：135-148.

[4]黃曙林，杜紅琴.CMM理念在教學過程管理中的應用[J].高等函授學報（哲學社會科學版），2009，22（1）：44-46.

[5]崔曉.BIM應用成熟度模型的研究[D].哈爾濱工業大學，2012.

[6]李建成，羅志華，王凌.計算機輔助建筑設計教程[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.endprint