基于BIM技術(shù)的CAD課程教學(xué)改革

許莉　張挺　鄭德炯

摘? 要：近幾年來，工程建設(shè)領(lǐng)域的多數(shù)世界級龍頭企業(yè)都已經(jīng)拋棄早期的CAD制圖技術(shù)，幾乎所有項目都采用了BIM。其他公司也開始從CAD轉(zhuǎn)向BIM。但是在高校土木工程專業(yè)的課程中對于建筑信息模型軟件的講解依然是傳統(tǒng)的AutoCAD軟件為主，為適應(yīng)時代發(fā)展趨勢，我們必須將BIM建模軟件引入到土木工程制圖教學(xué)中去。文章通過分析BIM與傳統(tǒng)CAD技術(shù)之間的關(guān)系，并結(jié)合目前CAD課程教學(xué)中存在的實際問題，基于建筑行業(yè)對BIM技術(shù)人才的需求，提出了CAD課程教學(xué)改革建議。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè);BIM技術(shù);CAD;教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）02-0132-03

Abstract： In recent years， most of the world's leading enterprises in the field of engineering construction have abandoned the early CAD drawing technology and adopted BIM in almost all projects. Other companies are switching from CAD to BIM. However， in the course of civil engineering in colleges and universities， the explanation of architectural information modeling software is still dominated by the traditional AutoCAD software. In order to adapt to the development trend of the times， we must introduce BIM modeling software into the teaching of civil engineering drawing. On the basis of analysis of the relationship between traditional CAD and BIM technology， combined with the practical problems currently existing in the course of teaching CAD， and based on the demand for BIM technical talents in the construction industry， this paper puts forward suggestions for CAD course teaching reform.

Keywords： civil engineering; BIM technology; CAD; the teaching reform

引言

CAD制圖課程是土木工程專業(yè)學(xué)生實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合的重要課程。多年來，建筑師一直依靠CAD軟件將頭腦中的建筑設(shè)計理念表達(dá)在圖紙中。CAD相比于手工繪圖更加方便快捷，整潔統(tǒng)一，能夠大量縮短工程設(shè)計周期，在工程設(shè)計中承載著不可替代的作用。目前全國乃至全世界高校的建筑類專業(yè)，均將這門課程列為必修課。

基于CAD在目前的教學(xué)和應(yīng)用情況的分析表明，大部分高校對于CAD軟件的課程教授僅僅限于低層次的輔助繪圖層面，其很難直觀的表現(xiàn)模型的三維立體感，對于復(fù)雜的節(jié)點與構(gòu)件僅采用平面圖繪制的話，會在一定程度上增加學(xué)生的理解難度，同時它也不能將三維形體與屬性信息良好的結(jié)合起來。顯然如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式進行人才的培養(yǎng)很難滿足當(dāng)今社會的需求[1]。“建筑信息模型（BIM）”等設(shè)計理念在信息時代的推動下對建筑行業(yè)的科技進步與轉(zhuǎn)型升級將產(chǎn)生不可估量的影響。

目前，BIM 技術(shù)已經(jīng)在眾多相關(guān)領(lǐng)域得以推廣和應(yīng)用，而高校在這方面的教育和投入則顯得不溫不火，更缺乏能夠充分反映BIM理念的成熟教材[2]。在工程實踐和理論教學(xué)方面存在著巨大的差距和教育的脫軌，迫使計算機輔助設(shè)計教學(xué)在土木工程專業(yè)本科培訓(xùn)必須快速實現(xiàn)新的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變需要逐步從傳統(tǒng)的CAD教學(xué)轉(zhuǎn)入基于BIM技術(shù)理論的融入式教學(xué)。

由于BIM設(shè)計理念的出現(xiàn)和不斷提高的人才專業(yè)化市場需求，CAD課程教學(xué)問題愈發(fā)突出，本文從BIM和CAD的關(guān)系出發(fā)，分析了CAD課程教學(xué)現(xiàn)階段面臨的形勢，在如何培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)需求的建筑工程的人才上，提出一些教學(xué)改革建議。

一、BIM與CAD的關(guān)系

人們普遍認(rèn)為CAD技術(shù)是建筑設(shè)計領(lǐng)域的第一次革命，現(xiàn)如今BIM技術(shù)則被公認(rèn)為是該領(lǐng)域的第二次革命。借助CAD技術(shù)，設(shè)計師們顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計方式，由最初的“紙繪圖板”方式轉(zhuǎn)化成基于計算機技術(shù)的數(shù)字二維平面設(shè)計方式。BIM技術(shù)在CAD技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步提升，把二維平面設(shè)計方式轉(zhuǎn)化為三維空間立體設(shè)計方式，突顯了模型繪制效果，更直觀地反映實物情況，并且在諸多領(lǐng)域如軟件研發(fā)、項目施工、項目安排、項目運營維護等均有巨大的潛力[3]。相對于CAD技術(shù)而言，BIM的優(yōu)勢是顯而易見的，那么它們是否是即將取代的關(guān)系？其實兩者的關(guān)系不是替代的關(guān)系，或者兩者之間至少存在一個長期的共存緩沖期。主要原因有下列幾點：

（1）硬件原因：Auto-CAD軟件使用者繪制的建筑圖主要由點、線組成，數(shù)據(jù)量相對較小。相比之下，BIM軟件內(nèi)部的族組件可以添加各種信息，同時其繪制出的模型是三維圖，同樣的項目文件容量可以達(dá)到幾百兆字節(jié)。所以數(shù)據(jù)量比二維CAD大很多。再加上軟件自帶的原因，對計算機的硬件要求較高。以Revit軟件為例，一般4g內(nèi)存，CPU需要達(dá)到i5計算機方可順利運行Revit[4]，急于取代大量的電腦是不現(xiàn)實的。

（2）軟件原因：CAD軟件易于操作，初學(xué)者可快速掌

握。Revit的軟件插件較多，在繪圖界面有很多選項，繪圖操作比CAD復(fù)雜，這給初學(xué)者的學(xué)習(xí)帶來了不小的阻礙。更重要的是學(xué)生在繪制CAD時，對建筑物的整體格局有了初步印象，根據(jù)視圖投影方法將立體圖通過平面投影的方式繪制在二維平面圖中，并通過正面圖、側(cè)面圖、剖面等方式展現(xiàn)出來。在整個投影和繪圖過程更有助于學(xué)生手腦并用的協(xié)調(diào)性。可以看出，雖然CAD繪圖是抽象的，但它實際上是幫助學(xué)生建立三維感知的輔助手段。

（3）習(xí)慣性原因：由于設(shè)計部門的工作人員已非常熟練地使用CAD工具軟件，而Revit作為一種新軟件學(xué)習(xí)需要一定時間和精力，因此設(shè)計人員更偏向于使用舊軟件。由此可以看出，BIM軟件在短時間內(nèi)無法完全取代CAD。就現(xiàn)階段而言，兩者應(yīng)該屬于并存、相互配合的關(guān)系。從高校的角度來看，CAD課程已經(jīng)相對成熟，而BIM軟件正處于起步階段，我們應(yīng)該結(jié)合CAD和BIM兩種軟件的特點，并利用自身在教學(xué)資源上的優(yōu)勢，合理安排學(xué)習(xí)CAD課程。例如，CAD對于學(xué)生而言，其入手快，使用方便，但繪出的模型只能呈現(xiàn)出其自身固定的數(shù)據(jù)信息，BIM軟件具有三維可視化功能，可加速學(xué)生對三維空間概念的理解，因此將CAD作為學(xué)生學(xué)習(xí)軟件的“跳板”，能更好的促使學(xué)生了解從CAD二維到BIM三維繪圖的具體過程。合理利用好CAD和BIM之間的關(guān)系，有助于推動CAD課程的改革。

二、建筑CAD課程面臨的形勢和問題

計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使得計算機輔助建筑設(shè)計的設(shè)想成為可能。三維建筑信息模型的誕生對二維平面建筑CAD課程教學(xué)產(chǎn)生了一定沖擊。目前建筑CAD設(shè)計繪制課程有如下幾點弊端：

（一）教學(xué)模式單一

信息時代下的學(xué)生擁有較高的計算機應(yīng)用軟件自主學(xué)習(xí)能力。許多學(xué)生在低年級時就已經(jīng)自學(xué)了CAD等軟件。大部分學(xué)生雖然會使用CAD軟件，但是僅停留在繪制簡易的二維圖形水平上，軟件熟練度和繪圖質(zhì)量也無法滿足單位需求;為完成繁多的教學(xué)任務(wù)，教師在授課過程中多采用多媒體教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生在CAD課程學(xué)習(xí)中積極性不高;理論學(xué)習(xí)與上機實踐無法有效結(jié)合;重難點知識無法得到切實的操作體驗，容易遺忘。繼續(xù)使用以前的教學(xué)模式，很容易產(chǎn)生一些負(fù)面影響，學(xué)生對軟件的熟悉程度參差不齊也增大了教學(xué)難度。

（二）教學(xué)內(nèi)容沒有與時俱進

目前，CAD課程教學(xué)過程中最大的矛盾是BIM等計算機輔助新技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)內(nèi)容存在脫軌。CAD課程的教學(xué)內(nèi)容主要圍繞AutoCAD軟件。通常沒有設(shè)置三維繪圖和建模的章節(jié)，并且繪圖基本上是以平面制圖的形式進行。其主要原因是大多數(shù)土木工程本科畢業(yè)生主要進入施工單位，而施工崗位對此類技能的需求較少，教學(xué)內(nèi)容較少考慮到除了學(xué)習(xí)一般知識外，學(xué)生在校期間還應(yīng)該了解熟悉未來將會強制推廣的BIM技術(shù)。BIM概念的逐步普及，教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)適應(yīng)新技術(shù)的快速發(fā)展，CAD教學(xué)改革刻不容緩。

（三）課時分配不均衡

由于高校教學(xué)資源不足，多數(shù)高校選擇兩階段授課方式開展CAD建筑課程：理論講解與上機實踐。由于CAD教學(xué)的前期理論知識較多，但高校無法安排更多的教學(xué)課時，導(dǎo)致理論知識點的講解無法全面展開，只能點到即止。而在上機實踐中，教師對理論知識的重復(fù)講解再次削減了學(xué)生上機操作時長，導(dǎo)致上機實踐課時緊張從而無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

BIM技術(shù)對于提升國家建筑類有關(guān)行業(yè)的發(fā)展，起著至關(guān)重要的作用。它不但是建筑設(shè)計領(lǐng)域的二次革命，對于整個建筑類行業(yè)來說，也是一次重大變革。雖然目前土木類專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后，就業(yè)情況較為樂觀，但是隨著城市化建設(shè)的完善，行業(yè)人才的需求量也將到達(dá)一定的上限，同時暴露了傳統(tǒng)技術(shù)人員發(fā)展上的劣勢[1]。國家與有關(guān)政府機構(gòu)也逐漸意識到模型化和信息化的有關(guān)建設(shè)，對推動建筑行業(yè)發(fā)展具有相當(dāng)大的積極作用。隨著我國BIM技術(shù)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的完善，我國BIM技術(shù)將會走向飛躍、高效、高質(zhì)量的研發(fā)道路。若高校在課程學(xué)習(xí)上注重BIM技術(shù)的培訓(xùn)，讓學(xué)生對BIM技能有一定的了解和初步掌握，這無疑會增加學(xué)生在畢業(yè)后的競爭力和優(yōu)勢。

三、《建筑CAD》課程教學(xué)改革的解決方案

傳統(tǒng)CAD軟件作為輔助制圖的工具，在與用戶圖文信息交互上多采用簡單的二維方式，只能傳遞建筑的基本幾何信息，而日常生活中的事物多以三維的形式呈現(xiàn)。近年來，建筑的結(jié)構(gòu)形式和空間關(guān)系越來越復(fù)雜，導(dǎo)致CAD的二維呈現(xiàn)方式與現(xiàn)實建筑物存在較大偏差，建筑和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)構(gòu)造在傳統(tǒng)CAD軟件上很難得到呈現(xiàn)。此外，建筑工程相關(guān)信息（如材料的強度、密度、力學(xué)性能、造價等），依靠二維圖紙或普通的三維模型無法實現(xiàn)全面表達(dá)。但是BIM技術(shù)可以實現(xiàn)建筑工程整個生命周期的完備存儲，因此，無論是建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工管理等方面均可以通過BIM實現(xiàn)信息采集和讀取。為了更好迎合建筑設(shè)計發(fā)展趨勢，高校必須及時更新人才培養(yǎng)計劃，把BIM技術(shù)作為CAD教學(xué)改革的突破口，在原有的傳統(tǒng)CAD課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，新增BIM教學(xué)相關(guān)的內(nèi)容，并制定新的教學(xué)改革方案。

（一）調(diào)整教學(xué)內(nèi)容適應(yīng)新技術(shù)的需要

為了在有限的教學(xué)時間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，需要對二維CAD教學(xué)內(nèi)容進行壓縮。其教學(xué)內(nèi)容可分為三個部分：繪圖、編輯和三維繪圖。這些內(nèi)容的授課時間可以壓縮在10個課時，可以讓學(xué)生了解平、立和剖面圖紙繪制以及三維圖形基本概念。教師可以根據(jù)實際教學(xué)的章節(jié)，對一些CAD基礎(chǔ)命令進行簡單講解，并課后讓學(xué)生到圖書館或者是網(wǎng)上查找資料擴展相關(guān)知識以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。另外新增一部分BIM技術(shù)為代表的建筑輔助設(shè)計軟件的教學(xué)內(nèi)容，約12學(xué)時的課程即可完成。BIM課程結(jié)構(gòu)分為理論教學(xué)和案例教學(xué)，既有理論基礎(chǔ)也有實踐練習(xí)。理論部分重點講述多維數(shù)據(jù)信息模型、協(xié)同工作技術(shù)、數(shù)據(jù)信息集成技術(shù)和可視化技術(shù)等;實踐操作則針對BIM不同階段所運用的設(shè)計軟件以及BIM工程案例進行系統(tǒng)講解，輔以BIM講座，以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果[2]。

（二）傳統(tǒng)教學(xué)與新形式的交流

將現(xiàn)有教學(xué)模式與其他流行形式相結(jié)合，能有效解決建筑CAD教學(xué)課時少但內(nèi)容多的難題。（1）教師可以把課堂中的知識錄制成教學(xué)視頻或者整理成文檔，以便學(xué)生在課堂以外的時間進行復(fù)習(xí)。（2）教學(xué)的某些環(huán)節(jié)可以通過遠(yuǎn)程資源在線完成，包括答疑，安排作業(yè)和批改作業(yè)。（3）在有限的時間內(nèi)涵蓋較多的學(xué)習(xí)內(nèi)容，需要制定合適的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，有效的完成教學(xué)任務(wù)。

（三）促進項目驅(qū)動的綜合實踐

在實際項目演練中鍛煉學(xué)生的BIM設(shè)計使用能力。在日常教學(xué)時，不僅能給學(xué)生們布置課后理論與實踐作業(yè)，鞏固學(xué)生們的基礎(chǔ)知識，還能從畢業(yè)設(shè)計、競賽、科研項目等方向出發(fā)，為學(xué)生們量身定做一些實際課題，讓學(xué)生們將課堂基礎(chǔ)理論操作知識與實際項目相結(jié)合，鍛煉學(xué)生們綜合設(shè)計使用能力、獨立分析和解決問題能力，提高學(xué)生們項目的系統(tǒng)化理解與標(biāo)準(zhǔn)化操作，以便學(xué)生進入職場后快速勝任BIM設(shè)計師的崗位要求。圖1、圖2分別為福州大學(xué)大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計制作的廈門湖里中學(xué)BIM模型和“橋梁圖文”大賽制作的鋼箱梁懸索橋BIM模型。

四、結(jié)束語

BIM開始并正在改變著建筑領(lǐng)域活動的表達(dá)方式、作用方式和建筑方式[6]。BIM技術(shù)是未來建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，人才培養(yǎng)是促進BIM技術(shù)進步的關(guān)鍵因素，因此，培養(yǎng)具備優(yōu)秀BIM設(shè)計和模型應(yīng)用能力的專業(yè)型人才是當(dāng)務(wù)之急。高等院校作為建筑業(yè)源源不斷輸送人才的基地，要緊隨時代發(fā)展的趨勢，促進建筑CAD課程教學(xué)的改革，才能跟上發(fā)展的步伐。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧?yán)誓荩S曉霞，廖羚.基于BIM的土木工程專業(yè)制圖教學(xué)改革應(yīng)用與研究[J].價值工程，2017，36（04）：138-140.

[2]許莉，張挺.BIM技術(shù)在土木工程專業(yè)中課程架構(gòu)的研究[J].高教學(xué)刊，2019（05）：89-91.

[3]陳昕元.基于BIM技術(shù)的大型公共建筑機電設(shè)計與優(yōu)化研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2016.

[4]陳柯達(dá).從CAD到BIM——建筑工程計算機應(yīng)用類課程的改革思考[J].科教導(dǎo)刊（中旬刊），2014（12）：68-69.

[5]王景陽.《建筑CAD》課程教學(xué)改革探討[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2007（02）：91-94.

[6]查克·伊斯曼，保羅·泰肖爾茲.BIM手冊原著第2版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.