基于BIM和VR技術的“土木工程施工”課程應用探討

吳鵬

[摘 要] BIM與VR技術作為建筑行業發展中的新興技術，為“土木工程施工”課程教學指明了新的方向。在傳統“土木工程施工”課程中引入BIM與VR技術，能夠讓學生體驗虛擬現實中的場景，更好地掌握專業知識，并且能夠將所學理論知識與實際工程相結合。針對“土木工程施工”課程在實際教學中存在的問題，探討如何有效地將BIM與VR技術應用于“土木工程施工”課堂。從高校近幾年招生情況來看，土木工程等傳統理工科專業的關注度呈下降趨勢，而人工智能、計算機等相關專業的熱度逐年升高，這在一定程度上說明了傳統土木工程專業亟待轉型，以更好地適應社會的發展需要。

[關鍵詞] 土木工程施工課程;BIM技術;VR技術;教學探索

[基金項目] 2019年度江蘇省教育廳“荷載和溫度共同作用下復合材料夾層結構的蠕變性能研究”（19KJB560014）

[作者簡介] 吳 鵬（1990—），男，江蘇南通人，博士，南京工業大學土木工程學院講師，主要從事復合材料結構耐久性能研究。

[中圖分類號] TU;G640? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）47-0045-05? ? [收稿日期] 2021-08-15

一、引言

“土木工程施工”課屬于實踐類課程，與實際工程密切相關，具有專業范圍廣、教學難度大、綜合性強等特點。目前，“土木工程施工”課的教學方法為理論授課并輔以實踐，教學形式以多媒體課件教學為主并適當運用板書，且多是“老師講，學生聽”，導致學生在課堂上難以透徹理解課程內容。盡管教師也在努力激發學生思考，但事實上，學生的課堂參與度仍然很低[1]。在這種教學模式下，學生無法感性地認識所學內容，雖然理論知識豐富，但實踐經驗嚴重缺乏。為適應國家發展需求，土木工程畢業生需要參與到實際工程中，而在現有的教學模式下，學生的知識結構和素質可能遠遠不夠[2]。

教育部課程建設要求教學理念“新”起來，課堂“活”起來[3]。但如何激發學生的學習興趣，如何調動學生對學習的探究欲望，如何培養學生的創新精神并激發學生的潛能，這些都是教師在現實教學過程中面臨的重要問題。

在“土木工程施工”課程中引入BIM與VR等技術，使傳統土木工程與信息智能化技術結合，可以讓學生更形象直觀地理解課程的專業知識，有效解決課程教學與實際工程的脫節問題，學生可以在虛擬場景中體驗現實的施工過程。同時，這種可視化和VR沉浸式技術可以激發學生的學習興趣，使學生不再被動地接受知識。

二、“土木工程施工”課程現階段存在的問題

“土木工程施工”課程是工科土木類學生從事土木類工程施工所必須要掌握的一門專業課程，也是土木工程本科教學指導性專業規范中確定施工原理與方法的課程。課程主要目的是使學生掌握土木工程施工技術方面的基本理論知識，并通過課程的學習，培養學生獨立分析和解決土木工程施工中有關施工技術和施工組織管理中的問題，鍛煉學生提出創新性技術能力，并使學生熟悉土木方向常見的施工工藝和流程，以培養能適應國家和市場需求的應用型人才。現階段“土木工程施工”課程存在的問題主要包括以下三點。

1.教學內容與工程實際存在差異。現階段的“土木工程施工”課程教學模式多為單向的“滿堂灌”，教師在課堂上完全理論式的講解無法帶給學生直觀的感性認識，學生難以理解施工現場的實際過程。大量理論知識的講解，使教學內容缺乏趣味性，無法激起學生的學習興趣與探知欲望，直接導致課堂效果差。一些教師過于依賴多媒體課件，不關注教師與學生之間的互動性，這就難以發揮教師在教學過程中的主導作用和學生的主體作用。吳艷[4]基于全國10所高校課堂教學現狀進行調研，結果表明，目前大學課堂的危機主要在于課堂教學無法與實際工程發展保持同步，使得教學內容脫離實際。由于課堂教學的局限性很難保證學生在學完理論知識后立馬投入實踐中去檢驗，因此很難培養學生的動手能力和解決實際問題的能力，進而影響教學效果。部分學生認為課堂上學習的東西對未來工作實習幫助不大，認為只有工作實習才能真正培養專業能力。

2.實踐課程參與度不高。“土木工程施工”課程的實踐性強，書本知識與施工現場聯系密切，并且所涉及的施工種類繁多，現場施工的工藝與流程占據了大部分內容。每個學生的知識水平存在有差距，有些學生認為課程晦澀難懂，不愿意參與實習;學校設備配置和使用情況存在局限性，導致實踐課程中并不是每個學生都有機會直接參與;有些實驗由于課堂時間或課程學時限制無法在短時間內得到實驗結果，學生的參與意愿不強。雖然組織學生現場觀摩效果較好，但實地考察費時費力，且無法將教學內容全部實習。再加上參觀時間短、項目施工時間長等原因導致參觀效果差，學生無法深入了解。還有些學生雖然具備了一定的理論知識，但缺少工程經驗，無法真正參與實踐學習，只能現場參觀[5]。

3.考核方式不太客觀。施工課程教學的考核方式一般是根據平時提問、考勤、作業和考試等表現進行評定，這種考核方法具有一定的片面性，例如，課堂提問不能覆蓋到每一位學生，不少學生在期末突擊背誦以應付考試，而且學生平時的學習情況、表現評定也存在較大的差異或偏差。此外，還存在考核標準不當的問題，按照知識點和步驟打分與實際情況不符。就土方工程來說，理論上有方格網法和斷面法兩種，需經過大量計算之后才能夠得到準確的土方工程量，即使理論和步驟都正確，但也會因計算復雜導致結果錯誤。傳統試題的類型與實際工程沒有結合起來，現場施工需根據施工圖和各類標準執行，但考核沒有與真實案例相結合，過于強調書本知識，沒有達到考核學生實際能力的目的。

三、BIM與VR技術在“土木工程施工”課程中的應用

VR（Virtual Reality）即虛擬仿真技術。虛擬現實是多媒體技術的終極應用形式，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。它利用計算機可以生成一種虛擬的環境，能讓用戶脫離現實，從而進入模擬環境。不僅可以就真實環境進行設計，還可以創建完全虛擬的世界，操作者可以通過雙手、眼睛、耳朵等多個身體部位在環境中遨游，從而達到身臨其境的感覺。近年來VR技術飛速發展，在很多領域內都得到了廣泛的運用，如航天航空、中西醫教學、機械制造等。因為VR技術有交互性、沉浸感、想象力等特點，所以運用到“土木工程施工”這門課可以有效地解決傳統教學資源有限、工地實習存在安全風險等諸多問題，大幅度提升教學質量，進而達到教學理念“新”，課堂“活”的目的。不僅能滿足學生的實踐需求，而且能將枯燥且抽象的書本知識和施工工序以更加形象具體的形式展現出來，有利于學生的理解與學習。

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模型。作為一門新興技術，它能更好地做到智慧建造，便于精細化、可視化、信息化設計、施工和運營管理，能夠更好地體現施工過程和施工現場的活動，并且可以檢查結構的合理性。BIM包含3D和4D技術，其中3D技術主要是基于工程項目的基礎數據來構建工程實體的三維立體模型，從三維視角展現出工程結構圖形及其空間組合關系。將其與VR技術相結合，便能使學生身臨其境，讓學生能體驗虛擬的現實場景，激發學生的思考能力，讓課堂“活”起來，同時，VR還可以鍛煉學生的實操能力。BIM與VR技術相結合，能讓學生做到自己手動完成實踐，將書本知識與實際相結合，從而激發學生的學習興趣與對施工過程的探索欲望。

BIM、VR技術在“土木工程施工”課程中的應用包括如下五個方面。

1.土木工程施工的工藝與流程。通過VR技術與BIM技術相結合展示土木工程施工的工藝與流程，將學生帶入到虛擬的施工環境中，從而到達現場講解的目的，讓學生能更好地理解每一道工序和所需要注意的問題。學生還可以選擇不同的角色，扮演不同的工程人員，再結合BIM模型，對每一個構件的拼裝和吊裝過程進行詳細的觀摩，甚至還可以通過VR技術去切身體會工人拼裝的一些大致操作。設定好相應的參數、坐標等，就可以進行拼裝模擬。這不僅能極大地激發學生的興趣，還可以培養學生的動手操作能力。在BIM和VR技術的支持下，不僅向學生直觀生動地展示了整個施工過程、材料、機具，而且沒有場地的限制。當前，整個土木行業也變得更加智能化，符合當下的發展趨勢，然而土木工程施工教材的更新較為滯后，最新的技術沒有在教學中得到體現。通過BIM與VR技術可以讓學生在教材之外體驗并學習最新的施工技術。

2.施工圖紙。對施工圖紙而言，光靠書本上的規范，學生并不能直觀地感受如何施工，也無法掌握實際操作。但利用VR技術可以讓學生自己動手去感受基坑工程、挖土方、砌筑工程、混凝土的澆筑以及工業廠房的安裝等，在獲得書本知識的同時也鍛煉了自身的技能，為步入工作奠定了基礎。另外，VR技術可以將書本上抽象的知識具體化，就拿簡單的定義來說，往往是靠學生死記硬背，許多概念學生都不能準確理解，一些工程上特有的結構，光靠書本上的圖紙并不能展現。“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，我們將其與BIM、VR技術相結合，拿著圖紙進入虛擬現實中，便可以讓學生能夠感知具體的實物結構，再與書本上的知識對照，將施工圖的細節全部以VR技術展示到學生的面前，解決圖紙上符號繁雜、位置難懂的難題。

3.“土木工程施工”的課程設計。對于課程設計而言，將BIM與VR技術結合更是一種有效的模式。教師可以將其與自己的教學需求掛鉤，在現實條件無法滿足的環境下，應用虛擬仿真技術來達到教學目的。傳統的“土木工程施工”課程設計都是教師給出任務書，學生按照任務書要求進行課程設計，在設計過程中不可避免地會出現問題。例如，某工業廠房結構的施工方案學生難以掌握，而將其與VR技術結合后，學生可以親身參與工業廠房結構的施工，包括測量放線、土坡支護、鋼筋、模板，以及腳手架工程和主體結構工程等，獲得直觀的感受;還可以模擬參與各個工程的質量、安全措施及文明施工管理措施，掌握具體的施工步驟、時間、造價與質量等。這樣在編制施工方案時就會有自己的想法和創新點，同時也符合施工要求。通過BIM與VR技術的結合，普通的課程設計也能讓學生感受到知識的學以致用，融合所有土木課程的知識，調動了學生的主觀能動性。

4.施工現場安全意識。“安全來自長期警惕，事故源于瞬間麻痹”，這句標語在施工現場隨處可見，安全問題是實際工程的重中之重。解決這類問題不能只靠現場的標語，應該從“土木工程施工”課程就開始學習，在源頭上培養施工安全意識。在現階段的課堂教育中，大部分安全知識只是通過教師的口頭描述及對已發事故的宣講，學生只是停留在聽的階段，沒有親身經歷過危險場景，這種方式花費了大量的教學時間卻起不到很好的效果。當安全教育與VR技術相結合，我們就可以讓學生親臨事故現場。通過BIM創建的3D結構，再用VR技術讓學生以當事人身份進入事故發生現場，進行虛擬的事故重演。讓學生親身經歷危險，這樣更有利于宣傳安全知識，能將安全意識更好地刻印在學生的腦海中，認識到安全問題的重要性。這樣，安全教育知識就會變得活靈活現，不僅激發了學生主動學習的興趣，而且還能在極短的時間內更加高效地完成安全教育，這便是VR復刻場景與安全教育結合。

5.專業融合。建筑行業擁有眾多細分專業，例如建筑、結構、施工、給排水、暖通、設備等，在設計和施工過程中相互之間沒有溝通和反饋，在設計和建造過程中有一定的脫節。基于BIM與VR技術的智能建造模式成為解決這一問題的突破口。可以將各個專業的學生集中在一起完成畢業設計。由于BIM模型集成了各個專業的設計信息，因此，專業之間設計的不兼容問題會及時暴露，通過各個專業協商設計的方式，可以高效地解決這一問題。這種“跨專業”模式培養的學生，可以有效地促進土木行業中的各細分專業融合。BIM裝配式建筑是大趨勢，在教學過程中，我們可以組織學生去擁有先進技術的企業學習，也可以通過VR技術帶領學生在虛擬現實中進入數字工廠，了解工廠生產建筑產品預制構件，再將生產好的裝配式構件運輸到施工現場拼裝。通過BIM與VR技術這個橋梁，可以促進高校學生培養與土木行業用人單位需求的融合，讓學生在“新工科”的培養下成為當今社會所需要的人才。

四、基于BIM和VR技術的“土木工程施工”課程優勢

隨著科學技術的不斷發展，傳統的“土木工程施工”課程內容日益滯后，BIM和VR技術的引入則可以解決這個問題。BIM技術的可視化、量化等特點極大地方便了設計、規劃及運營管理;在教學過程中VR技術利用計算機圖形技術模擬生成現實工程中的場景，再通過一定的方式使人進入到虛擬場景中，通過空間模型讓學生仿佛漫游真實的施工現場。對于部分空間感較差的學生，具體模型使知識更加形象，從而加深對知識的理解[6]。學生還可以通過親自操作對已有模型的解剖，展現一些重要施工工藝，了解不同施工階段的信息，能夠對每一個施工階段都有深入的了解。VR技術的應用能夠彌補傳統教學的缺陷，也能解決實踐教學過程中學生動手機會少、上手難的不足。以往學生很大程度上是通過死記硬背教師課上所講的知識，很難把握重點、難點。對于不同的學生，教師可以選擇特定的模擬場景對學生進行針對性教學。

1.培養學生的學習主動性。在學習過程中學生不再是被動學習，教師在課堂上也轉變為以學生為中心的“主動式”教學方法，積極引導學生的求知欲和探索欲。在整個教學過程中，教師由原本單一“教”的角色逐漸轉變為“導”的角色。引入BIM和VR技術將課堂理論與實際工程相結合，利用具體模型能夠達到邊實踐邊學習的效果，有效培養了學生發現問題、思考問題、解決問題的能力，培養學生對工程的具體概念[7]，將所學知識及時與實際工程相結合，學與用能結合起來。

2.學習形式多樣化。與傳統的“土木工程施工”課程相比，VR和BIM技術能夠帶給學生更深刻的施工現場體驗，生動形象的模型教學還能活躍課程氛圍。BIM可視化特點結合VR沉浸式特點使得原本抽象的知識點變得生動形象起來。虛擬的施工場景具有不受時間、空間限制的特點，并且沒有場地、機械耗費、交通費用和施工安全等問題，學生可以在任何時間進行深入學習。在教學過程中可以模擬實際施工現場進行工作分配，學生可以根據自己的角色合作完成工作，進而鍛煉學生團結協作的能力，培養集體意識。

3.教學模式安全可靠。使用BIM和VR技術進行虛擬建模實驗，可以對一些已經建好的工程模型的各部分進行詳細分析，學生不但可以對每個施工階段需要做的工作均有更深刻的了解，還完全避免了觀摩施工現場帶來的安全隱患問題，使課堂教學和現場實踐高度結合。BIM和VR技術的使用，還可以減少個人技術、環境因素以及材料性能差異等問題對工程的影響，降低不確定因素對課程的影響，保證課程質量，提高了課程的可靠性。

4.考核方式全面。使用BIM與VR技術相結合的教學模式之后，我們可以更改以往的考核模式。傳統的考核模式并不能完全反映學生的應用能力。在施工過程中，以解決問題為目標，可以通過多手段、多途徑實現。利用BIM與VR技術進行施工模擬考核，能使學生準確掌握土木施工操作，運用VR模擬實踐教學，BIM模型實物為紐帶，在基礎理論試卷考核方式之外增加“以能力為主”和“以服務施工為目的”的考核，將學生應對工程實際情況與現場能力，以及解決突發情況的能力貫穿在課程教學之中，更高效達成施工課程的教學目的。

5.促進教師團隊建設。教與學相輔相成，BIM與VR技術的使用除了培養出一批新工科學生，還在一定程度上促進了教師的成長。現如今技術發展迅速，而教師由于課堂等因素的限制不能及時更新教學內容，這在一定程度上會導致老師教的內容跟不上技術的更新。特別是對一些沒有工地現場實際經驗的年輕教師，他們講課大多過分依賴多媒體課件，這對施工課程來說是一種不足。在課堂上使用BIM與VR技術則無需考慮這個問題，課堂教學即能與實際工程接軌。

五、結論和展望

在有限的教學時間內，將BIM與VR技術相結合的教學方法提供了一種對課堂進行沉浸化、生動化、實際化的方式，讓學生作為課堂的直接參與者，以一種更加積極主動的方式獲取知識，讓整個課堂“活”起來，氛圍更加融洽。通過BIM與VR技術的沉浸式展示，使學生對土木工程施工的流程與工藝有了更加全面和直觀的認知。

在當前單向的“滿堂灌”的教育模式下，基于BIM與VR技術的“土木工程施工”課程能夠成為一種新穎且有效的教學方法，也可以作為更加規范的考核方式。借助網絡平臺與線下設備，基于BIM與VR技術的“土木工程施工”課程可以在未來得到進一步推廣。推廣的關鍵在于教學中場景與模型，以及人機交互系統，這離不開教師、學生與專業技術人員的配合。VR技術與BIM相結合是土木施工課發展的基石，不斷改進模擬環境與內容，才能讓師生切實體會到其優勢。在今后的發展中，這種教學方式將顯示更重要的價值。

參考文獻

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[7]李淑敏.BIM技術在土木工程施工中的應用分析[J].中國建筑金屬結構，2021（6）：98-99.