基于BIM+VR技術的鋼結構橋梁教學實踐改革研究

衛 星，巨云華

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基于BIM+VR技術的鋼結構橋梁教學實踐改革研究

衛 星，巨云華

(西南交通大學橋梁工程系，四川 成都 610031)

為改變當前本科院校鋼結構橋梁課程教學效果不佳的現狀，主動適應教育、建筑行業信息化改革發展的新趨勢，針對該課程專業性和實踐性較強特點，我校嘗試結合建筑信息模型(BIM)技術和虛擬現實(VR)技術進行課程教學實踐改革探索，將BIM技術和VR技術融入到課堂教學和實踐教學的各環節中，建立學生主動探索學習，教師協作引導的新型教學體系。通過以鋼桁梁課程實踐設計為例，論證了引入BIM+VR技術的必要性、可行性和有效性,介紹了應用Revit、Navisworks和Fuzor軟件建立BIM和VR體驗環境的實踐過程，總結了引入BIM技術和VR技術到鋼結構橋梁教學實踐課程中存在的困難并提出部分對策，以期改善教學困境，為相關課程的教學實踐改革探索提供參考和借鑒。

鋼橋；BIM技術；VR技術；教學實踐改革

1 研究背景

1.1 課程教學實踐現狀

鋼結構橋梁課程作為土木工程類大專院校橋梁工程方向的重要教學課程，旨在讓學生了解并熟悉鋼結構橋梁的類型和發展概況，掌握不同橋梁的構造特點、力學行為和施工方法，學會計算分析設計常見類型橋梁，為學生深入學習研究及工作提供堅實基礎。該課程在西南交通大學等高校被列為橋梁工程方向的專業主干科目，是要求學生必須掌握的重要專業課程，因此該門課程的教學質量不僅關系到學科的發展，更直接影響到學生專業素質和從業能力。

鋼結構橋梁課程專業性強、實踐要求高、課程內容多、教學課時少，根據教師和學生的反饋，教學效果一直不容樂觀，主要表現為，學生感覺課程繁重枯燥，對部分橋梁結構構造難以理解，教師感覺教學任務緊，僅憑現有媒介難以詳細說明不同橋梁的構造特點、力學特點及施工工藝等方面課程內容。汪時機等[1]針對《橋梁工程》課程教學現狀中存在的問題進行了分析，指出主要存在學生想象力不足、對橋梁構造理解困難，學生被動聽講、課堂教學枯燥乏味，課時不足、學生跟不上教學進度，實踐環節效果不佳4個主要方面的問題。

針對鋼結構橋梁課程實踐教學中存在的教學困境，文獻[1]進行了課程實踐改革探索并提出了部分行之有效的對策，比如在課件中多采用圖片資料、施工現場教學資料、施工過程動畫模擬等形式，在一定程度上提升了學生興趣，改善了教師授課媒介的局限，但是卻并沒有最大化的將學生帶入到課程知識中去，仍然以教師課堂講解，學生學習教材和課件上有限信息的方式為主。調查研究表明，學生在傳統課堂教學中僅吸收掌握了30%以內的教學內容，且隨著時間推移而逐漸被遺忘；同時，人們大概能記得20%的閱讀信息，18%聽覺信息，80%親身體驗的信息[2]。由此可以看出，要最大化改善教學效果，應努力讓學生以親身實踐體驗方式參與課程內容，隨著建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術和虛擬現實(virtual reality，VR)技術的不斷發展成熟，為更好地緩解教學困境，提供了全新的選擇，為教學實踐改革指明了新的方向。

1.2 BIM技術概述及應用

BIM理念自1975年由美國喬治亞理工大學Chuck Eastman教授提出以來，已逐漸被建筑行業認可并廣泛應用，BIM技術以三維信息化模型為載體，將建筑結構全生命周期的相關信息集成，實現各專業協同參與，便于精細化、可視化、信息化設計、施工和運營管理，其可視化、可協調、可模擬性、可優化性和可出圖五大功能優勢使得BIM技術成為繼CAD技術后引發建筑業變革的又一重大技術理念，BIM技術不僅是技術的進步，更促使著生產組織管理模式以及從業人員思維觀念的更新換代。

BIM技術在歐美等發達國家已有較多的研究成果、完善的應用標準和應用實踐，尤其是在教育行業，以奧本大學、亞利桑那州立大學為代表的逾百所高校設立了BIM教學實踐相關課程[3]。BIM技術自引入中國以來在國內得到逐步推廣，尤其是在近年發展迅速，住房和城鄉建設部印發相關文件明確表示要加快BIM新技術在工程中的應用[4]。清華大學、華中科技大學為代表的部分高校進行了相關研究并開設了BIM課程，優比建筑咨詢等企業就BIM技術開展了相關領域的推廣應用，中國尊、國家會展中心等越來越多的建筑開始采用BIM技術。

BIM技術的快速發展，早已滲透到教育等各個領域，國內外許多研究學者嘗試將BIM技術引入到教學中來，希望能改善教學環境。據統計，截止2013年，在美國至少有70%的高校已經開設有BIM相關課程，未開設BIM課程的高校也有88%計劃開設相關課程，國內相對起步較晚，2013年后清華大學、四川大學和西南交通大學等部分高校先后成立了BIM工程研究中心，并開設了相關通識類課程。華中科技大學、廣州大學、武漢大學相繼開設了BIM工程碩士班[5]。截止2018年3月，在中國知網以“BIM在教學中的應用”為主題詞搜索到的相關中文文獻就達一百多篇，有超過三分之二涉及土建工程方向，如白泉等[6]根據沈陽建筑大學土木工程專業BIM教學改革研究和實踐情況，介紹了BIM技術參與到教學改革中的作用和意義，并指出對教學的促進作用明顯。楊勃等[7]介紹了BIM技術參與到橋梁施工課程教學改革中的必要性和試驗方案，通過不同年級學生該門課程的成績對比，指出BIM技術在橋梁施工教學過程中的應用可以顯著提高同學們對橋梁構造和施工工藝流程的理解能力，更能提升同學們識圖能力和施工方案優化的能力。

1.3 VR技術概述及應用

VR理念由美國VPL Research公司的創始人Jaron Lanier在20世紀80年代初提出，是一種集成計算機圖形識別等高新技術，在計算機上生成可提供沉浸感覺的三維環境，實現人機交互的技術。VR技術具有多感知性(multi-sensory)、沉浸性(immersion)、交互性(interaction)、構想性(imagination)等主要功能優勢，最早應用于軍事和航天領域，隨著顯示屏等硬件設備制造成本的降低，手機平板等移動設備的普及，計算機圖形處理技術、人機接口等核心技術日趨成熟，VR技術已廣泛應用于游戲、影視、建筑、教育、醫療、設計等多個領域，如虛擬仿真校園。獨特的交互式沉浸式體驗功能讓VR技術被引用到教學中，國內外已有部分相關研究和應用實踐，如崔榮[8]以生物學中DNA的復制為例研究了基于VR技術自主式學習的實現，并通過問卷方式就教學現狀、教學效果、存在問題、使用VR技術后教學效果等方面進行調查分析，僅有約1/3學生對目前的課堂教學方式感到滿意，指出應用VR技術建立學生自主探究的學習方式，有助于增強教師的課堂教學效果，有利于學習者提高學習效率和培養學習能力。張承霖等[9]介紹了VR技術在工程訓練中的應用實踐，指出應用VR技術在工程訓練實踐中的優勢，并介紹了技術方案，具有很強的參考性，VERGARA等[10]根據調查研究證實在工程類教育中應用VR技術是非常有用的。

2 引入BIM+VR技術的鋼結構橋梁教學實踐改革

2.1 必要性

BIM的優勢在于覆蓋建筑全生命周期的數據信息，使各參與作業者協同工作，而VR的優勢則是提供一個虛擬仿真的沉浸式環境，給人一種多維的體驗式的視覺體驗，兩者具有很好的互補性，即可運用BIM技術建立集成建筑設計、施工和運營管理全過程信息數據的模型，借助VR技術將相關場景過程在虛擬環境中更直觀的展示出來，可以多維度體驗相關建筑場景，提高信息讀取傳遞效率。國內外已有部分學者對BIM技術和VR技術在教學中應用做了相關研究，郭文強[11]詳細論述了BIM技術+VR技術的建筑可視化設計與應用；陸海燕等[12]對BIM+VR技術應用在土木工程CAD的教學模式進行了探討和實踐，KIM[13]介紹了在加州州立大學長灘分校采用的基于BIM技術的教學方法，結果表明該方法有助于學生有效地學習建筑細節和工程計量。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020)》第十九章加快教育信息化進程中明確指出：“信息技術對教育發展具有革命性影響……促進教學內容、教學手段和方法現代化……建立數字圖書館和虛擬實驗室……加快教育信息化進程，強化信息技術應用，提高教師應用信息化水平，更新教學觀念，改進教學方法，提高教學效果。”[14]教育信息化是教育的必然趨勢，作為引領新時代變革的BIM技術和VR技術必將在教育教學實踐領域有更廣闊更深入的應用。

現代鋼結構橋梁造型追求新穎，結構、連接復雜，施工工藝精細而又繁瑣，僅憑PPT圖片或者老師的語言描述的課堂枯燥乏味，課程內容難以理解，教學效果一直不佳，而引入BIM技術和VR技術到鋼結構橋梁教學和實踐中來，不僅可以增強學生學習積極性和主動性，改進教學模式，增強教學效果，解決學生想象困難的問題，也能提高學生運用理論知識解決實際問題的能力和創新能力。運用BIM技術和VR技術進行施工模擬可以讓學生作為“項目經理”，實際參與橋梁施工全過程，與消防、暖通和管網等其他專業協作，協調“現場”的施工和管理，實踐性和成就感很強，徹底改變了學生被動聽講，課堂教學枯燥乏味的困境，以任務驅動和案例分析的方式引導學生獨立或協作地完成相關任務，可以有效激發學生學習的主動性和積極性，真正實現“以學生為主體”的教學模式。

2.2 可行性

隨著BIM技術的飛速發展，BIM人才的培養規模遠不能適應行業發展的趨勢，BIM人才的缺乏已經成為建筑行業應用該技術最大的掣肘因素，高校作為人才培養的主要陣地，應主動調整教學方式和人才培養內容，最根本有力的舉措就是進行BIM教學實踐改革，通過BIM技術以及VR技術既能改善課堂環境，又能間接地提升工程應用管理人才的專業素質、實踐能力、溝通協作能力和職業競爭力，以更好地適應行業和社會的發展需要。然而引入BIM技術到教學實踐課程中除了缺乏師資隊伍和教學環境以外，還存在不少的挑戰，如不同專業知識體系龐大，牽一發而動全身，需要各專業院系教師協調教學課程，部分師生對BIM的重要性認識不夠或者存在BIM就是軟件等誤解，相關軟件尚沒有完全配套，運營維護和結構分析等功能需要其他軟件支撐等等。

改革勢必會存在各方面困難和問題，需要各方面因勢利導，循序漸進。可以積極借鑒國內外部分高校在相關方面取得的階段性成果，如沈陽建筑大學在土木工程制圖、房屋建筑學和鋼結構課程方面的探索[15]等；其次，要加大產學投入，尤其是配置教學硬軟件設備、建立并依托實訓研究中心，加強師資隊伍培訓等；再次，要加強專業院系、院校以及校企之間的合作，整合優勢資源，利用好MOOC等網絡資源，交流借鑒，不斷完善課程體系等。假以時日，BIM技術將會與各相關學科深度融合，課堂教學效果將明顯改善。西南交通大學自2014年開始，整合各方面相關資源，逐步展開相關教學實踐探索，在成立BIM工程研究中心的基礎上，與臺灣景文科技大學、臺灣宗升數位有限公司、達索系統(上海)信息技術有限公司等建立戰略合作關系，并通過開設相關課程，成立綜合設施工程協會(CIFE)、組織舉辦相關知識講座、技能培訓、科創競賽活動，開設《今日土木》校內雜志BIM專題等方式，逐漸在師生中推廣展開并深入，為鋼結構橋梁等專業課展開BIM教學改革探索奠定了堅實基礎。

2016年被稱為VR技術發展的元年，VR技術相對而言還比較“年輕”，主要存在的問題有：技術標準不統一，VR技術的輸入方面存在困難，現有的技術容易造成使用者的疲勞感等[16]。針對這些方面的問題，應該以發展的視角看待，隨著相關方面專業人才不斷涌現，這些技術問題終究會迎刃而解的。西南交通大學在成立虛擬仿真中心的基礎上，通過相關競賽活動等方式讓師生體驗學習VR技術，并逐步引入到相關課程教學實踐環節中，并初有成效。

2.3 有效性

傳統的填鴨式教學讓學生感覺枯燥乏味，上課效果不佳最主要的原因是學生處于“被動學習”的狀態，被動地接受老師教授的知識，課后不久便就遺忘殆盡。根據前文引據文獻[5]，體驗和實踐是接受知識最高效和最不易遺忘的方式。引入BIM技術和VR技術到鋼結構橋梁的教學實踐中來，在教師的引導下，可以充分利用三維模型的可視化和VR技術的沉浸式交互式體驗，讓學生帶著既有理論知識和學習任務主動融入到相關知識模型和虛擬環境中去，在逼真性體驗中學習相關知識概念，在實踐中夯實相關基礎理論知識，培養提升學生的實踐能力、創新能力和動手能力。圖1展示了西南交通大學學生在參加BIM技術介紹和應用講座并體驗VR技術的場景。

圖1 學生體驗VR技術

除了翻轉課堂“被動變主動”之外，還應該多向學生提供課外實踐創新機會，以西南交通大學為例，除了給學生提供大學生科研訓練計劃、個性化實驗等實踐創新項目外，還有每年一屆的“土木科技月——結構設計競賽”；既有傳統的橋梁承重、橋梁造型等賽題，還有近年新設置的虛擬橋梁和BIM競賽以及圖學能力競賽等賽題。通過舉辦賽事，向參賽學生間接普及了BIM技術(建模、渲染等)、VR技術等相關知識技能，也可讓學生將掌握的相關專業基礎知識學以致用，圖2展示了西南交通大學學生在參加虛擬橋梁設計競賽活動的答辯場景。每年有包括土木工程和建筑設計等各專業方向的一千多名同學參與各組賽事。除此之外，學校也鼓勵學生參加全國大學生結構設計競賽和世界大學生橋梁設計競賽等賽事。

圖2 虛擬橋梁組參賽選手答辯現場

(圖片來源：揚華素質網yanghua.swjtu.edu.cn)

3 以鋼桁梁課程設計為例的教學實踐探索

在西南交通大學土木工程專業，鋼桁梁課程設計作為鋼橋課程的重要實踐環節，是每一位橋梁工程方向學生都必須完成的課程實踐內容。該課程實踐要求學生根據課堂學習的鋼桁梁相關力學和構造知識，結合工程實例，計算結構主力、橫向風力、制動力等附加力作用下的桿件內力，并以此擬定各桿件尺寸，并驗算強度、剛度和穩定性；進行鋼桁梁節點設計以及螺栓布置；對鋼桁梁進行撓度計算并設計預拱度；運用Midas/Civil建立鋼桁梁的三維有限元模型，分析在恒載、恒載+活載作用下結構的撓度、內力、應力以及自振特性。

該課程實踐要求較高，涉及的鋼桁梁橋盡管結構相對簡單，節點連接和部分構件局部幾何關系卻較為復雜，對課堂接受效果不佳，又缺乏現場認識參觀體驗的本科學生來說，獨立設計存在不小困難，學生大多根據模板亦步亦趨地分析計算，有些內容“不求甚解”；在截面選取時，為了避免修改重新計算和重新建模，一般考慮得較為保守；課程實踐設計也不要求設計局部細節，如端節點節點板加勁板、板鉸等。要提升該實踐課程環節教學質量，改善學生學習實踐效果，減少傳統教與學間的壁壘，需要適時進行創新探索和改革，以突破教學困境。

面對鋼桁梁課程設計的教學困境，考慮引入BIM+VR技術對教學實踐環節新型探索性改革，嘗試通過新的技術對該課程設計實踐過程的構件形式擬定、尺寸選取、模型建立、結構計算、場景展示等全階段設計創新。在此以一座80 m單線鐵路下承式栓焊簡支鋼桁梁橋為例，通過引入BIM+VR技術到教學實踐，并與傳統教學實踐方式相對比，介紹應用Revit建立BIM參數化模型、結構分析，應用Navisworks進行施工過程模擬和碰撞檢查，以及通過Fuzor軟件給學生提供一個虛擬觀看場景的鋼桁梁設計全過程，并對相關實踐成果進行展示。

3.1 Revit建模

根據設計圖紙或擬定截面尺寸，應用Revit建立BIM三維模型，主要分為建模環境設置(創建項目，繪制控制標高、定位軸線)，建立主桁桿件族、節點族、螺栓族、拼接板族等族型和族件拼裝3個步驟。橋梁結構復雜，構件尺寸因橋而異，相比傳統橋梁設計軟件建模時費時費力，以Revit為代表的BIM建模軟件因具有參數化建族(即同類型構件參數化設計)、協調性(即全模型相協調，便于修改設計)、可出圖性(即可根據建立的三維信息化模型快速導出設計施工圖紙)、可協同設計(即不同專業設計人員可以在同一平臺參與協同設計)等特性逐漸成為眾多設計師們的選擇。在方案論證階段，采用VR技術漫游，可以全面多角度的比選論證各方案的合理性和最優性。

可以簡單地以幾個代表性部件的設計對傳統設計方式和BIM設計方式加以對比，如圖3所示，傳統設計主要根據設計者經驗或既有類似成例對構件尺寸擬定，并通過二維CAD繪制平面圖示表達設計成果，對構建參數的修改需要人工對相關聯部分加以協調修改。如圖4所示，應用三維BIM建模軟件的參數化設計方式設計，可以很簡易地對構件尺寸加以調整，模型會自動做出關聯性修改，方便構件尺寸的不斷優化。除此之外，BIM三維建模技術借助VR漫游技術的設計方式可以將模型直觀展示出來，讓設計者全情投入設計環境中觀察和設計，而不需要將傳統設計中二維圖紙在頭腦中轉化為三維模型，BIM+VR技術在設計中的優勢不言而喻。圖5展示了該鋼桁梁三維成橋模型的一部分，各部件的空間結構構件形狀關聯位置一目了然，為VR技術提供了模型基礎。

圖3 幾個部件的CAD二維圖示

圖4 幾個部件的BIM三維圖示

圖5 鋼桁梁BIM模型(部分)

3.2 模型計算分析

建筑結構模型，尤其是鋼結構模型，涉及到結構的整體分析和節點、構件的局部分析。Revit Structure模型可通過數據交互將計算模型在與同為Autodesk公司的結構分析軟件Robot Structural Analysis中生成，當然這部分功能有待于完善與強化。此外，也可以通過相關模型轉換接口或插件將BIM模型導入到Midas和Abaqus等部分有限元軟件中進行結構分析計算，也尚需進一步二次開發和優化，洪磊[17]以貴陽筑城廣場竹水人行橋和鄂東長江大橋鋼箱梁局部分別示例了Revit模型在Midas中的整體分析和局部分析。對于異形構件應用BIM建模不僅方便，而且可視化較好。由此，可以直接應用設計中創建的模型進行結構分析計算，而不用像傳統設計方式中根據二維圖紙在有限元結構分析軟件中建立分析模型。

3.3 施工過程模擬推演

鋼結構橋梁的施工方法多樣，有頂推法和預制拼裝等施工工藝。所謂4D技術是在橋梁3D信息模型的基礎上引入時間軸，附加時間因素，擴展為4D模型，即將橋梁結構從開工到竣工的施工過程以動態的三維方式表現出來的時間信息管理技術。引入時間管理的橋梁施工過程模擬，通過BIM技術和VR技術，可以讓學生足不出教室，避免了到可能存在安全隱患的施工現場去觀看實習，即可達到課堂與實際環境無縫連接的效果，不僅讓學生能直觀感性地體驗和熟悉不同的施工工藝和施工的詳細過程，也可培養學生施工組織設計和協作管理能力。施工是一個持續更新，動態調整的過程，對于較為復雜的橋梁工程，在管理過程中若還使用專業性較強，可視化較差的橫道圖來表示施工進度計劃，將無法清晰描述施工進度和各種工作的復雜關系，不能完整清晰的表達施工階段的動態進程。圖6~7分別展示了應用Navisworks進行施工過程模擬和碰撞檢查的界面。另外，利用BIM技術和VR技術，可以在施工模擬過程中進行碰撞檢查，檢查設計是否存在缺陷。可以讓不同學生分別模擬建筑工程師、項目管理人員等不同身份參與到虛擬施工過程中，既能讓學生直接清晰地了解各參與者的工作和職責，也能培養團隊溝通協作能力，鼓勵學生發揮聰明才智，優化施工工藝流程和施工組織管理，提升學生的工程素質。圖8和圖9展示了在Fuzor軟件中的虛擬漫游場景及部分關鍵部位的虛擬漫游場景。

圖6 Navisworks施工工程模擬

圖7 Navisworks碰撞檢查圖示

圖8 Fuzor虛擬漫游圖示

4 小 結

鋼結構橋梁作為土建類專業學生，尤其是橋梁工程方向學生的重要專業基礎課程。將BIM技術和VR技術應用到該課程的教育教學實踐中，不僅是改善課堂教學環境的需要，也是建筑行業和社會對專業人才提出的新要求。通過分析論證和實踐探索，可以發現將BIM技術和VR技術引入到鋼結構橋梁等相關課程的教學實踐環節中去是必要的且可行的，通過教學實踐探索改革，不僅能調動學生在課堂上的積極性和主動性，改善教學實踐效果，也能有效提高學生實踐創新能力和團隊協作溝通能力。

圖9 鋼桁梁部分關鍵部位虛擬場景圖示

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Teaching and Practice Reform of Steel Structure BridgeBased on BIM+VR Technology

WEI Xing, JU Yunhua

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

In order to improve the existing teaching effect of the steel structure bridges course in undergraduate colleges, and adapt to the new trends of information reform and development in the fields of education and construction industry, concerning professional, practical and difficult characteristics of the course, exploratory reform of the course’s teaching practice with combining building information models (BIM) and virtual reality (VR) technology was researched in our school. The BIM technology and VR technology were integrated into all aspects of classroom teaching and practice teaching to establish a new interactive teaching system where students autonomously study and actively explore with teachers collaboration and guidance. Taking a steel truss practical design which is a very important part of the steel structure Bridges course as an example, the necessity, feasibility and effectiveness of introducing BIM and VR technology into the steel structure bridge curriculum reform were demonstrated. The application of Revit, Navisworks and Fuzor software to establish building information model, carry out structural analysis, construction process simulation and collision check, as well as establish the practical path and practice process of virtual reality experience environment was introduced. The difficulties in applying the BIM technology and VR technology into the teaching and practice curriculum of steel bridges were summarized, and some effective countermeasures were proposed in order to optimize the teaching environment. It is hoped that this can break through the current teaching predicament, improve the effectiveness of teaching and learning, and enhance the quality of teaching and learning. At the same time, these useful explorations and practices will provide reference and guide for teaching practice of other similar related courses reform, and point out the direction for the subsequent reform and exploration of curriculum teaching practices.

steel bridge; BIM technology; VR technology; teaching and practical reform

G 642.0

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061231

A

2095-302X(2018)06-1231-08

2018-04-09；

2018-06-06

衛 星(1976-)，男，山西沁源人，教授，博士。主要研究方向為鋼結構橋梁行為。E-mail：we_star@swjtu.cn