城市軌道交通結構設計與施工課程教學中BIM技術的融入及模式

宮全美

摘要：為培養知識應用能力、創新創造能力、國際競爭能力強的復合型國際化人才，課程教學中融入具有多維可視化、協同化、可交互性等優點的BIM技術，并預設多個接口，搭建創新實踐平臺，讓學生更好地理解理論知識的同時，進行創新性研究，最終達到培養適應社會發展需求的高端人才的目的。

關鍵詞：BIM技術;創新實踐;課程教學

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）12-0080-03

一、課程的教學特點及現狀

城市軌道交通結構設計與施工課程是軌道交通工程專業學生的一門專業必修課，其教學歷史和特點與我國軌道交通工程專業的教育歷程息息相關。我國軌道交通工程專業的教育經歷了“師歐美、學蘇聯、兼日歐”三個時期，形成了以專業化教學為特色的人才培養模式，使我國在短時間內縮小了與發達國家的技術差距。但隨著軌道交通的“高速化”和“高效化”，對設施全系統安全性和全壽命可靠性的要求越來越高，原來“專”的特色已難以適應，需要將學生的教育從知識傳承、知識應用能力的培養到激發原創意識、提升技術創造能力培養進行轉化。因此，軌道交通工程人才培養須實現從學習、追趕先進技術到成為世界技術引領者的角色重大轉變，同時，要符合雙一流大學的綜合性、研究型、國際化辦學定位，培養具有面向未來國家建設需要，適應未來科技進步，德智體全面發展，掌握相關原理和知識，獲得工程師良好訓練，基礎理論扎實、專業知識寬厚、實踐能力強，能勝任城市軌道交通結構項目的設計、施工、管理，具有繼續學習能力、創新能力、國際視野和領導意識的高級專門人才。

圍繞上述人才培養要求，作為城市軌道與鐵道工程方向的骨干課程之一，本課程總體目標是培養知識應用能力、創新創造能力、國際競爭能力強的復合型國際化人才，具體目標是通過對城市軌道交通結構工程設計與施工相關理論和知識的學習，使學生了解城市軌道交通車站和區間多種結構類型，掌握城市軌道交通結構設計的思路和計算分析方法、城市軌道交通施工組織及信息化施工基本原則及要求，同時培養學生“發現問題、解決問題”的能力，激發學生的探索、創新興趣。但本課程教學內容與工程實踐結合緊密，教學中存在諸多難點：（1）涉及的技術多、廣，且相關技術發展快;（2）涉及的學科領域廣泛，計算方法不太完善;（3）實踐超前于理論，近幾年隨著軌道交通建設的大發展，現場涌現了大批創新技術，但相應的理論不完善或缺失。因此本課程的教學應做到使學生掌握基本理論的基礎上，傳授的課程內容緊跟新技術的發展、實踐經驗融于課程教學中，并激發學生的創新興趣。

二、BIM技術在本課程教學中的融入及模式

課程教學主要采取理論教學與課程設計相結合的方式。其中理論課包括基礎知識、城市軌道交通結構設計和城市軌道交通施工技術三個模塊，課程設計主要在給定的實際地鐵車站地質水文條件、周邊環境等預設條件下，進行地鐵車站的結構設計，讓學生掌握地鐵車站設計流程和主要方法。該課程教學內容多且復雜，部分教學內容晦澀難懂，特別是施工部分存在許多難以表達的施工模擬過程，采用傳統的教學方式很難全方位展示。前期教學工作中已采用部分影音視頻、安排工地參觀等手段，但仍不能全面反映設計與施工的主要流程與方法，原因是工程施工階段的工期安排往往與教學進度不能同步，且施工單位擔心學生參與現場施工安全難以保證，一般不太愿意接受，即使能夠安排，短期的參與也難以了解全過程。在BIM技術快速發展的背景下，若在課程教學中運用BIM技術，將給這門課程帶來新變化和新亮點。

目前課堂教學中主要利用BIM技術多維可視化、協調性及可模擬性的特點，對難以表達的結構內力傳遞、結構細部及施工過程進行全方位展示，主要包括以下幾點。

（一）BIM技術在結構設計原理中的融入

城市軌道交通包含多種結構形式，根據與地面標高之間的關系，可分為地面、地下以及高架等;根據使用功能又可分為車站與區間結構等，這些結構又會以不同的斷面型式表達。以區間隧道結構為例，斷面型式有矩形、圓形、馬蹄形、多拱形等;施工方法包括明挖法、礦山法、盾構法等。不同的結構、不同的斷面型式及施工方法，均會影響結構與周圍媒介如土體的相互作用以及荷載在結構中的傳力路徑，從而影響結構的內力及失穩計算。了解和掌握結構的受力及傳力路徑對科學開展工程結構的力學分析及設計至關重要。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[1，2]。因此，基于BIM技術建立的工程結構模型，融入力學計算軟件如Ansys、Plaxis等，通過彩色云圖、動畫的方式展示出結構構件的受力形態及荷載傳遞過程，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，便于學生理解結構設計的原理。

（二）BIM多維可視化技術在結構設計及復雜施工過程教學中的融入

傳統課堂教學的多媒體課件中大多數使用的是二維（極少三維）圖形，學生需要根據二維圖形想象出三維模型，一旦在腦海中無法想象三維模型，就難以理解所學內容[3]。特別是本課程施工部分包含復雜的四維（三維空間+時間）施工過程，僅使用二維圖形甚至三維圖形授課使得學生理解困難，即使理解了也很難有形象、深刻的理解。將多媒體課件中的二維圖形和BIM三維可視化圖形以及隨時間變化的動畫功能相結合，可以使教學內容生動易懂，又可以使學生對所學內容有感性的認識和形象的記憶。

以地鐵車站基坑施工為例，建立可反映車站基坑施工過程的BIM四維模型，對車站基坑工程的地下空間以及施工工藝進行漫游展示，同時構建基坑施工進度管理的流程，實現車站基坑施工過程的可視化演示。對車站主體結構設計部分，由于結構構件、防水措施、管線布置等錯綜復雜，很難用語言或圖片形象地展示，可充分利用BIM的可視化及協調性，一方面能對構件進行三維展示，另一方面給學生展示不同專業的協調性對地鐵車站結構功能的影響。

同時，由于城市軌道交通的施工現場主要在人口密集的城市市區，施工時的影響因素復雜，包括交通疏解、周邊建筑物及管線等的保護等，處理不當極易導致安全事故，因此施工時的組織及安全風險控制極為重要。但在講授該部分內容時，由于受到工地現場以及實驗設備等客觀條件的約束，不能在課堂直接進行破壞性實驗，此時可以借助BIM的4D功能模擬結構或施工破壞過程，讓學生看清風險的發展趨勢及過程。

（三）BIM技術在地鐵車站結構課程設計中的融入

課程設計是檢驗學生對該門課程掌握程度的一種最有效、最直接的辦法。本課程中的課程設計主要是結合給定的預設條件，利用課堂教學中講授的計算及設計方法，進行地鐵車站施工期基坑的支護結構及運營期的主體結構設計，包括必要的力學計算過程及繪圖。由于水文地質及周邊環境復雜，進行設計前需根據結構與地層的相互關系選取典型斷面，但以往提供的地質圖紙主要是二維圖，很難反映復雜的三維地形地貌及地質情況，為使設計更加貼近實際，可首先利用BIM技術給出較真實的三維可視圖。

另外，目前課程設計主要使用CAD軟件繪制地鐵車站結構布置的平面圖、立面圖、剖面圖等，由于CAD繪制的是二維圖，在繪制立面圖、剖面圖時，需要學生有很好的想象能力，否則會經常出現平面和立面、剖面不相符合的情況[4]。BIM技術的融入可以完成對設計的動態信息調整，減少課程設計中的錯誤，使課程設計高效準確。

（四）BIM技術的傳授

BIM技術可貫穿在城市軌道交通建設項目全壽命周期的各個階段，包括決策階段、規劃設計階段、施工階段、運營維護階段，特別是對“設計—施工—運營”一體化理念的充分體現意義重大。基于目前BIM技術的廣泛應用及發展前景，教學中有意識地給學生傳授該方面的知識，一是在新版教材編寫中增加了BIM的章節內容，通過課堂教學中展示的BIM多維圖形，向學生介紹BIM技術的概念及應用，并讓學生體會BIM技術的三維可視化優勢;二是考慮到BIM技術的復雜性，而課堂的時間有限，為此增加課后自學及討論環節，以充分發揮年輕學生在數字化技術方面的優越性。通過學習，讓學生掌握一定的BIM技能，使其畢業后更好地將BIM技術應用到工程實踐中。

三、基于BIM技術的創新實驗平臺建設

城市軌道交通結構設計與施工過程中牽涉的影響因素復雜，現有的理論或方法大多基于現場統計數據或大量簡化得到，尚不夠完善，這給課堂教學帶來了利和弊共存的影響，弊是學生難以理解，課堂教學效果較差。但正是由于理論尚不完善，可以激發學生的理論探索和技術創新興趣。以往由于室內或現場試驗需要花費的人力、物力都較大，如果考慮不周尚得不到理想的結果，因此較少用于本課程學生的創新項目。在多媒體、智能化、BIM高速發展的今天，如何利用新技術開發新的創新平臺，使學生在增長學習興趣的基礎上有所創新是本課程急需解決的主要問題。

結合上海市重點課程、精品課程建設，本課程已初步確立了基于BIM實驗室的創新平臺建設思路，通過該平臺，學生可實現自主及創新設計。以“地下車站結構設計與施工”為例，創新平臺首先需要完成幾個數據庫的建設，包括地質水文數據庫、結構信息數據庫、周邊環境保護數據庫等。地質水文數據庫主要記錄及儲存我國城市軌道交通建設面臨的典型地質水文特征及其物理力學參數;結構信息數據庫主要是儲存結構的主要類型及典型尺寸，包括支撐結構、圍護結構以及主體結構中的梁、板、柱等;周邊環境保護數據庫主要為學生提供車站周邊典型建筑物類型及基本參數，為設計提供環境保護要求。學生在使用該平臺時，首先調用地質水文數據庫形成預設的地質三維圖，并利用周邊環境保護數據庫預設施工需保護的周邊建筑物、管線、道路等，接著學生可進行自主設計或創新。自主設計時，既可調用結構信息數據庫中提供的結構類型及材料信息進行BIM建模過程，也可進行多種構件的相互組合以形成新的結構類型，甚至可在結構信息數據庫中預留接口，學生可自主設計新的結構型式，以配合創新項目的要求。為判斷自主或創新的設計是否合理，需設定調用啟明星、Plaxis等專業軟件的接口，進行相應的力學計算，計算結果可在BIM模型里動態顯示。如果設計的結構失穩或不滿足周邊環境要求，說明該設計是不合理的，需要變更設計。

通過該創新平臺，使學生切身感受到結構設計的非唯一性、復雜性，體驗到結構變化多樣的組合魅力，進而激發學生的學習興趣與熱情。

四、結束語

BIM技術正在推動建筑行業的改革，在我國已逐漸被推廣應用。作為人才培養主要陣地的高等院校，有義務將先進技術融入課程體系，并充分利用其多維可視化、協同化、可交互性等優點，讓學生更好地學習理論知識的同時，進行創新實踐，最終達到培養適應社會發展需求的高端人才的目的。

BIM技術在本課程的融入剛剛起步，要實現創新平臺的建設任重而道遠，如何利用或整合已有資源，較快捷地進行平臺建設是目前需解決的主要問題。

參考文獻：

[1]侯學良，楊思佳.BIM技術在工程結構課程教學中的應用[J].高等建筑教育，2017，26（06）：129-132.

[2]蔣晶，龍訊.基于工作過程的城市軌道交通控制專業（信號方向）的課程研究[J].教育教學論壇，2015（19）：233-234.

[3]劉照球，李云貴.土木工程專業BIM技術知識體系和課程架構[J].建筑技術，2013，44（10）：913-916.

[4]齊岳，張俊華，趙文軍.結合BIM技術的房屋建筑學課程改革探討[J].高等建筑教育，2014，23（06）：147-149.

Integration and Mode of BIM Technology in Course Teaching of Structural Design and Construction of Urban Rail Transit

GONG Quan-mei

（College of Transportation Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Abstract：To cultivate talents with ability of knowledge application，innovation and creation，and strong international competition ability，the BIM technology is integrated into the course teaching.There are many advantages using BIM technology，such as multidimensional visualization，synergy and interactivity.A number of interfaces will be reserved to build an innovative practice platform，which enable the students to understand theoretical knowledge better and carry out innovative researches.The main goal is to train the talents to meet the needs of social development.

Key words：BIM technology;innovative practice;course teaching