基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

沈新福　梁慶慶　蔣國富

摘要：BIM技術(shù)由于其擁有信息化、可視化、兼容性強(qiáng)的特點，被廣泛地應(yīng)用于土木工程相關(guān)領(lǐng)域。文章基于行業(yè)數(shù)字化變革的大背景，通過對BIM技術(shù)工程應(yīng)用進(jìn)行分析，搭建了土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺，并對平臺的系統(tǒng)架構(gòu)、實訓(xùn)模塊、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);實踐教學(xué);數(shù)字化平臺

中國分類號：U491.1+23文章標(biāo)識碼：A531983

0 引言

在土木工程專業(yè)中，實踐操作與理論學(xué)習(xí)同等重要，一個良好的培養(yǎng)方案需要將理論知識與實踐操作緊密結(jié)合。土木工程實訓(xùn)是培養(yǎng)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(shè)計能夠有效地增加受訓(xùn)人員對于工程的認(rèn)知、書本理論知識的理解、實際操作的熟練，最終增強(qiáng)他們的實踐操作能力。目前對于實訓(xùn)課程的研究，更多的在于傳統(tǒng)課程的設(shè)計方面。然而隨著土木工程行業(yè)“數(shù)字化”“信息化”變革不斷地推進(jìn)，運用新技術(shù)對傳統(tǒng)實訓(xùn)課程進(jìn)行改革將會是一個重要的發(fā)展方向。其中BIM技術(shù)由于具備“數(shù)字化”“可視化”的特點，高度符合實訓(xùn)課程數(shù)字化改革的方向。基于此本文提出了“基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺”，并討論了平臺的系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊及關(guān)鍵技術(shù)。該平臺也為土木工程實訓(xùn)課程數(shù)字化改革提供了新的方案。

1 BIM技術(shù)工程應(yīng)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(jì)90年代提出。該技術(shù)從理念提出開始就備受關(guān)注，在土木工程建筑領(lǐng)域，美國、德國、英國等發(fā)達(dá)國家很早就將BIM與土木工程發(fā)展結(jié)合寫入行業(yè)改革發(fā)展的計劃之中。我國在土木工程行業(yè)中發(fā)展BIM技術(shù)要晚于西方發(fā)達(dá)國家，但是隨著行業(yè)數(shù)字化改革的快速推進(jìn)，在眾多的大型工程項目中，BIM技術(shù)已經(jīng)得到了很多較好的應(yīng)用。該技術(shù)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(dǎo)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(chǔ)。

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(shù)，從設(shè)計至運維階段，完成了“BIM正向設(shè)計”、構(gòu)建“BIM協(xié)同管理平臺”“基于BIM的運維平臺”等工作。進(jìn)而實現(xiàn)了“3D作業(yè)指導(dǎo)”“施工方案與進(jìn)度模擬”“智慧工地”“智慧梁場”等一系列BIM技術(shù)的應(yīng)用。最終項目在設(shè)計與施工階段，效率提升了33%，由于信息不對稱引發(fā)的項目各方矛盾下降了42%，項目現(xiàn)場人員技術(shù)交底、安全管理走向智能化，極大地提升項目的效率與品質(zhì)。

2 土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺

土木工程實訓(xùn)課程是土木工程專業(yè)培養(yǎng)中不可或缺的一部分。由于土木工程專業(yè)強(qiáng)實踐的特點，良好的實訓(xùn)課程能夠有效地提升學(xué)生的實踐能力，加深對理論知識的理解。目前傳統(tǒng)的實訓(xùn)類課程通常在高校的實訓(xùn)實習(xí)基地開展，服務(wù)對象面向高校學(xué)生。然而由于各高校對于實訓(xùn)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(xí)基地中對學(xué)生進(jìn)行展現(xiàn)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(jìn)行技能提升培訓(xùn)時，很難找到一個合適的場所與平臺供他們學(xué)習(xí)與提升。基于此，引入BIM技術(shù)，開發(fā)土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺具有重大的意義。該平臺融合BIM技術(shù)，提供受訓(xùn)人員“工程技術(shù)展示”“管理流程訓(xùn)練”“工藝實操訓(xùn)練”“安全警示教育”等課程。由于BIM技術(shù)可視化的特點，受訓(xùn)人員能夠直觀地看到工程項目具體建造技術(shù)，實際地參與模擬項目管理，真實地進(jìn)行工藝實操的訓(xùn)練，身臨其境地體會項目上不合規(guī)行為所帶來的安全風(fēng)險。平臺直觀而又全面，極大地提升了受訓(xùn)人員的興趣，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)動力。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺，融合了BIM技術(shù)“三維可視化”“信息數(shù)據(jù)化管理”“優(yōu)良兼容性”優(yōu)點，以及土木工程實訓(xùn)課程的“觀摩+實操”培訓(xùn)理念，能夠?qū)崿F(xiàn)平臺的各類數(shù)據(jù)兼容、培訓(xùn)內(nèi)容三維化展示、學(xué)習(xí)過程信息化管理、實操應(yīng)用量化打分等功能。為受訓(xùn)人員提供全方面的工程項目學(xué)習(xí)培訓(xùn)、智能化的課程推送、自由化的學(xué)習(xí)計劃制定、精準(zhǔn)化的實操練習(xí)打分。

如圖1所示，基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺，主要由“資源層”“學(xué)習(xí)層”“實操層”和“推薦層”組成。

（1）資源層：該層主要實現(xiàn)兩大功能：教學(xué)課程的資源錄入以及教學(xué)課程的編輯。利用資源導(dǎo)入模塊能夠?qū)崿F(xiàn)文字、視頻、模型等教學(xué)資源的導(dǎo)入與儲存，課程編輯模塊能夠方便教學(xué)人員運用平臺資料進(jìn)行數(shù)字化實訓(xùn)課程的編輯。

（2）學(xué)習(xí)層：該層融合BIM三維可視化技術(shù)，提供學(xué)習(xí)人員三維的、直觀的學(xué)習(xí)內(nèi)容。系統(tǒng)搭配VR與AR技術(shù)可以實現(xiàn)沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，極大地增加學(xué)習(xí)內(nèi)容的直觀性，更有利于受訓(xùn)人員學(xué)習(xí)課程相關(guān)知識。

（3）實操層：該層結(jié)合BIM技術(shù)，系統(tǒng)搭配實操訓(xùn)練設(shè)備，提供模擬環(huán)境讓受訓(xùn)人員進(jìn)行實操練習(xí)與測試。教學(xué)人員可以在該層中設(shè)置相應(yīng)的實操內(nèi)容，并給出實操測試相應(yīng)的評判標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)習(xí)人員在進(jìn)行實操練習(xí)時，系統(tǒng)將對其實操情況進(jìn)行打分。相關(guān)成績會記錄在系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)會綜合整體的成績評價出學(xué)習(xí)人員的強(qiáng)項與弱項，該數(shù)據(jù)將傳導(dǎo)至推薦層，以此推薦學(xué)習(xí)人員相對應(yīng)的課程。

（4）推薦層：推薦層使用深度學(xué)習(xí)算法，綜合受訓(xùn)人員的各項成績，智能化地為其推薦相對應(yīng)的課程。學(xué)習(xí)人員同時也可以在該層中進(jìn)行學(xué)習(xí)偏好的設(shè)置，系統(tǒng)利用算法智能化地匹配相對應(yīng)的課程提供給學(xué)員進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.2 實訓(xùn)模塊

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

（1）工程技術(shù)展示模塊：該模塊提供道路、橋梁、隧道、建筑物施工技術(shù)的展示。模塊結(jié)合了BIM技術(shù)對施工過程中的建造技術(shù)進(jìn)行三維動畫展示，有效地幫助學(xué)習(xí)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(xùn)模塊：該模塊提供與工程項目管理實操相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。其中包括項目的招投標(biāo)模擬練習(xí)、項目進(jìn)度管理實操訓(xùn)練、施工現(xiàn)場管理實操訓(xùn)練等。旨在從項目全流程管理的角度，對學(xué)習(xí)人員進(jìn)行實際工程項目管理的培訓(xùn)。

（3）工藝實操訓(xùn)練模塊：該模塊提供施工工藝相關(guān)的實操訓(xùn)練。學(xué)習(xí)人員可以在該模塊中進(jìn)行如鋼筋綁扎、混凝土澆筑、鋼筋焊接等具體工藝的實訓(xùn)練習(xí)。通過佩戴VR設(shè)備，學(xué)習(xí)人員可以投入到沉浸式的實操訓(xùn)練，增強(qiáng)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(xùn)內(nèi)容。學(xué)習(xí)人員在該模塊中既可以通過視頻學(xué)習(xí)的方式了解施工現(xiàn)場不規(guī)范施工所帶來的安全隱患，也可以通過佩戴VR設(shè)備進(jìn)行安全施工實操訓(xùn)練，以此提升他們的安全施工意識。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺，在資源導(dǎo)入方面，存在數(shù)據(jù)類型不一致、兼容性要求高的問題;在數(shù)據(jù)存儲方面，由于數(shù)據(jù)類型種類多、數(shù)據(jù)量巨大，存在數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)化的問題;在課程培訓(xùn)與實操訓(xùn)練方面，由于需要提供學(xué)習(xí)人員真實、沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，存在BIM模型精度要求高、圖形渲染引擎渲染能力強(qiáng)的問題;在智能課程推薦方面，由于學(xué)習(xí)人員每個人的學(xué)習(xí)情況不一致，個人對于知識的優(yōu)缺點掌握程度不一致，存在如何運用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行智能推薦的問題。因此該平臺的關(guān)鍵技術(shù)在于：

（1）數(shù)據(jù)兼容性：對于輸入數(shù)據(jù)中的文本、圖片、視頻、模型等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，增加每一種類數(shù)據(jù)的兼容性。

（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：對于存儲在平臺中的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)之間可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)，例如樁號文本文件與模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，可以通過樁號直接對應(yīng)模型的指定位置。

（3）圖形渲染引擎：沉浸式的學(xué)習(xí)體驗需要高精度的BIM模型配合性能強(qiáng)大的圖形渲染引擎。該渲染引擎可以對建筑物的細(xì)節(jié)進(jìn)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(xué)習(xí)人員的實操數(shù)據(jù)以及課程喜愛程度，利用深度學(xué)習(xí)智能算法對學(xué)習(xí)者的長處與短處進(jìn)行分析，對學(xué)習(xí)類別進(jìn)行分類，智能化地為學(xué)習(xí)人員推薦相關(guān)的課程。

3 應(yīng)用價值展望

基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺擁有廣闊的應(yīng)用空間。對于高等院校的大學(xué)生，該平臺能夠為他們提供極為真實的工程現(xiàn)場體驗，通過觀摩施工技術(shù)、實操項目管理、施工工藝等相關(guān)課程，有利于學(xué)生將理論知識與實際操作結(jié)合，培養(yǎng)工程思維，提升專業(yè)興趣。對于已就業(yè)的施工現(xiàn)場各專業(yè)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(shù)交底等相關(guān)項目，有利于幫助企業(yè)培養(yǎng)人才，更好地完成工程項目。

4 結(jié)語

在土木工程行業(yè)數(shù)字化不斷推進(jìn)的過程中，運用BIM技術(shù)對傳統(tǒng)實訓(xùn)課程改革成了一個重要方向。基于BIM技術(shù)的土木工程數(shù)字化實訓(xùn)平臺，其具備“三維可視化”“信息數(shù)據(jù)化管理”“數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)”“圖形渲染能力強(qiáng)”“課程算法推薦準(zhǔn)確”的優(yōu)勢，為傳統(tǒng)實訓(xùn)課程的數(shù)字化改革提供了新的方向。該平臺主要由“資源層”“學(xué)習(xí)層”“實操層”和“推薦層”組成;擁有四大實訓(xùn)模塊即“工程技術(shù)展示模塊”“管理流程實訓(xùn)模塊”“工藝實操訓(xùn)練模塊”和“安全警示教育模塊”;關(guān)鍵技術(shù)主要有數(shù)據(jù)兼容性、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、圖形渲染引擎、智慧推薦算法。

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