基于BIM技術的土木工程數字化實訓平臺系統架構及關鍵技術研究

沈新福　梁慶慶　蔣國富

摘要：BIM技術由于其擁有信息化、可視化、兼容性強的特點，被廣泛地應用于土木工程相關領域。文章基于行業數字化變革的大背景，通過對BIM技術工程應用進行分析，搭建了土木工程數字化實訓平臺，并對平臺的系統架構、實訓模塊、關鍵技術進行了探討。

關鍵詞：BIM技術;實踐教學;數字化平臺

中國分類號：U491.1+23文章標識碼：A531983

0 引言

在土木工程專業中，實踐操作與理論學習同等重要，一個良好的培養方案需要將理論知識與實踐操作緊密結合。土木工程實訓是培養工程類人才實踐能力的重要課程，研究[1]表明，良好的課程設計能夠有效地增加受訓人員對于工程的認知、書本理論知識的理解、實際操作的熟練，最終增強他們的實踐操作能力。目前對于實訓課程的研究，更多的在于傳統課程的設計方面。然而隨著土木工程行業“數字化”“信息化”變革不斷地推進，運用新技術對傳統實訓課程進行改革將會是一個重要的發展方向。其中BIM技術由于具備“數字化”“可視化”的特點，高度符合實訓課程數字化改革的方向。基于此本文提出了“基于BIM技術的土木工程數字化實訓平臺”，并討論了平臺的系統架構、功能模塊及關鍵技術。該平臺也為土木工程實訓課程數字化改革提供了新的方案。

1 BIM技術工程應用分析

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型是由美國Chuck Eastman教授在20世紀90年代提出。該技術從理念提出開始就備受關注，在土木工程建筑領域，美國、德國、英國等發達國家很早就將BIM與土木工程發展結合寫入行業改革發展的計劃之中。我國在土木工程行業中發展BIM技術要晚于西方發達國家，但是隨著行業數字化改革的快速推進，在眾多的大型工程項目中，BIM技術已經得到了很多較好的應用。該技術主要解決了“抽象信息可視化”“海量信息難以管理”“項目實施各方信息不對稱導致的效率低下”等問題，為工程項目的順利完工打下了良好的基礎。

以實際項目為例，交通運輸部BIM重點項目山東省德州市合樅高速公路采用全壽命周期BIM技術，從設計至運維階段，完成了“BIM正向設計”、構建“BIM協同管理平臺”“基于BIM的運維平臺”等工作。進而實現了“3D作業指導”“施工方案與進度模擬”“智慧工地”“智慧梁場”等一系列BIM技術的應用。最終項目在設計與施工階段，效率提升了33%，由于信息不對稱引發的項目各方矛盾下降了42%，項目現場人員技術交底、安全管理走向智能化，極大地提升項目的效率與品質。

2 土木工程數字化實訓平臺

土木工程實訓課程是土木工程專業培養中不可或缺的一部分。由于土木工程專業強實踐的特點，良好的實訓課程能夠有效地提升學生的實踐能力，加深對理論知識的理解。目前傳統的實訓類課程通常在高校的實訓實習基地開展，服務對象面向高校學生。然而由于各高校對于實訓基地的投入不同以及基地本身的場地限制，很難將一個完整的土木工程項目的全過程在實習基地中對學生進行展現并提供上手操作的平臺。此外對于實際工程項目的參與者，在進行技能提升培訓時，很難找到一個合適的場所與平臺供他們學習與提升。基于此，引入BIM技術，開發土木工程數字化實訓平臺具有重大的意義。該平臺融合BIM技術，提供受訓人員“工程技術展示”“管理流程訓練”“工藝實操訓練”“安全警示教育”等課程。由于BIM技術可視化的特點，受訓人員能夠直觀地看到工程項目具體建造技術，實際地參與模擬項目管理，真實地進行工藝實操的訓練，身臨其境地體會項目上不合規行為所帶來的安全風險。平臺直觀而又全面，極大地提升了受訓人員的興趣，激發了他們的學習動力。

2.1 系統架構

土木工程數字化實訓平臺，融合了BIM技術“三維可視化”“信息數據化管理”“優良兼容性”優點，以及土木工程實訓課程的“觀摩+實操”培訓理念，能夠實現平臺的各類數據兼容、培訓內容三維化展示、學習過程信息化管理、實操應用量化打分等功能。為受訓人員提供全方面的工程項目學習培訓、智能化的課程推送、自由化的學習計劃制定、精準化的實操練習打分。

如圖1所示，基于BIM技術的土木工程數字化實訓平臺，主要由“資源層”“學習層”“實操層”和“推薦層”組成。

（1）資源層：該層主要實現兩大功能：教學課程的資源錄入以及教學課程的編輯。利用資源導入模塊能夠實現文字、視頻、模型等教學資源的導入與儲存，課程編輯模塊能夠方便教學人員運用平臺資料進行數字化實訓課程的編輯。

（2）學習層：該層融合BIM三維可視化技術，提供學習人員三維的、直觀的學習內容。系統搭配VR與AR技術可以實現沉浸式的學習體驗，極大地增加學習內容的直觀性，更有利于受訓人員學習課程相關知識。

（3）實操層：該層結合BIM技術，系統搭配實操訓練設備，提供模擬環境讓受訓人員進行實操練習與測試。教學人員可以在該層中設置相應的實操內容，并給出實操測試相應的評判標準。學習人員在進行實操練習時，系統將對其實操情況進行打分。相關成績會記錄在系統當中，系統會綜合整體的成績評價出學習人員的強項與弱項，該數據將傳導至推薦層，以此推薦學習人員相對應的課程。

（4）推薦層：推薦層使用深度學習算法，綜合受訓人員的各項成績，智能化地為其推薦相對應的課程。學習人員同時也可以在該層中進行學習偏好的設置，系統利用算法智能化地匹配相對應的課程提供給學員進行學習。

2.2 實訓模塊

基于BIM技術的土木工程數字化實訓平臺擁有四大實訓模塊：“工程技術展示模塊”“管理流程實訓模塊”“工藝實操訓練模塊”和“安全警示教育模塊”。

（1）工程技術展示模塊：該模塊提供道路、橋梁、隧道、建筑物施工技術的展示。模塊結合了BIM技術對施工過程中的建造技術進行三維動畫展示，有效地幫助學習人員更好地理解項目的建造過程以及施工的重難點。

（2）管理流程實訓模塊：該模塊提供與工程項目管理實操相關的學習內容。其中包括項目的招投標模擬練習、項目進度管理實操訓練、施工現場管理實操訓練等。旨在從項目全流程管理的角度，對學習人員進行實際工程項目管理的培訓。

（3）工藝實操訓練模塊：該模塊提供施工工藝相關的實操訓練。學習人員可以在該模塊中進行如鋼筋綁扎、混凝土澆筑、鋼筋焊接等具體工藝的實訓練習。通過佩戴VR設備，學習人員可以投入到沉浸式的實操訓練，增強其動手實踐能力。

（4）安全警示教育模塊：該模塊提供安全施工的培訓內容。學習人員在該模塊中既可以通過視頻學習的方式了解施工現場不規范施工所帶來的安全隱患，也可以通過佩戴VR設備進行安全施工實操訓練，以此提升他們的安全施工意識。

2.3 關鍵技術

基于BIM技術的土木工程數字化實訓平臺，在資源導入方面，存在數據類型不一致、兼容性要求高的問題;在數據存儲方面，由于數據類型種類多、數據量巨大，存在數據存儲標準化的問題;在課程培訓與實操訓練方面，由于需要提供學習人員真實、沉浸式的學習體驗，存在BIM模型精度要求高、圖形渲染引擎渲染能力強的問題;在智能課程推薦方面，由于學習人員每個人的學習情況不一致，個人對于知識的優缺點掌握程度不一致，存在如何運用深度學習神經網絡算法進行智能推薦的問題。因此該平臺的關鍵技術在于：

（1）數據兼容性：對于輸入數據中的文本、圖片、視頻、模型等多種數據進行劃分，增加每一種類數據的兼容性。

（2）數據標準化：對于存儲在平臺中的數據，需要進行標準化的預處理，處理后的數據之間可以進行關聯，例如樁號文本文件與模型數據標準化處理后，可以通過樁號直接對應模型的指定位置。

（3）圖形渲染引擎：沉浸式的學習體驗需要高精度的BIM模型配合性能強大的圖形渲染引擎。該渲染引擎可以對建筑物的細節進行充分的渲染，處理速度快、渲染刷新率無延遲。

（4）智慧推薦算法：智慧推薦算法是基于學習人員的實操數據以及課程喜愛程度，利用深度學習智能算法對學習者的長處與短處進行分析，對學習類別進行分類，智能化地為學習人員推薦相關的課程。

3 應用價值展望

基于BIM技術的土木工程數字化實訓平臺擁有廣闊的應用空間。對于高等院校的大學生，該平臺能夠為他們提供極為真實的工程現場體驗，通過觀摩施工技術、實操項目管理、施工工藝等相關課程，有利于學生將理論知識與實際操作結合，培養工程思維，提升專業興趣。對于已就業的施工現場各專業人員，該平臺能夠很好地幫助他們完成技能提升、安全教育、技術交底等相關項目，有利于幫助企業培養人才，更好地完成工程項目。

4 結語

在土木工程行業數字化不斷推進的過程中，運用BIM技術對傳統實訓課程改革成了一個重要方向。基于BIM技術的土木工程數字化實訓平臺，其具備“三維可視化”“信息數據化管理”“數據兼容性強”“圖形渲染能力強”“課程算法推薦準確”的優勢，為傳統實訓課程的數字化改革提供了新的方向。該平臺主要由“資源層”“學習層”“實操層”和“推薦層”組成;擁有四大實訓模塊即“工程技術展示模塊”“管理流程實訓模塊”“工藝實操訓練模塊”和“安全警示教育模塊”;關鍵技術主要有數據兼容性、數據標準化、圖形渲染引擎、智慧推薦算法。

參考文獻：

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