基于BIM技術的“土木工程制圖”課程教學改革

張霓 孫慶巍 張振東

[摘 要] “土木工程制圖”是土木工程專業的一門必修的專業基礎課，傳統教學難以滿足目前土木工程發展趨勢下的人才培養需求，為了適應時代發展趨勢，培養具有創新精神和實踐能力的高素質技術人才，文章在分析傳統教學存在問題的基礎上，對BIM技術融入“土木工程制圖”教學的必要性進行分析，從教學理念、教學內容及教學實踐三個方面對教學進行改革，充分發揮BIM可視化、模擬性、優化性、協調性及可出圖性的優勢，提高學生的學習興趣及“土木工程制圖”課程的教學效率，使學生更能適應時代發展趨勢，畢業后快速地適應工作。

[關鍵詞] BIM技術;土木工程制圖;空間想象力;教學改革

“土木工程制圖”是土木工程專業的一門必修專業基礎課，主要目標是培養學生繪制和閱讀建筑工程圖的能力，即用二維平面圖形表達三維空間形體的能力及對空間形體的形象思維能力和創造性構型設計能力，從而提高學生實踐應用的能力。BIM（Building Information Modeling）是建筑信息模型化的簡稱，它是通過建立虛擬的建筑工程三維模型，并利用數字化技術為這個模型提供與實際情況一致的各種建筑工程相關信息。BIM是2002年由美國建筑師協會資深建筑師Jerry Laiserin提出的，并逐漸得到業界人士的廣泛認可。隨著全球化進程的發展，BIM技術逐漸在歐洲、新加坡、日本等國家開始普及。在我國BIM技術近年來受到了廣泛關注。2018年兩會期間，政協委員王美華提出加強高校土木類專業推廣BIM教學力度，增加系統課程，培養技術運用和軟件開發的“二元型”人才，這反映了BIM技術人才需求量旺盛，預示了BIM課程可能納入土木工程專業教學評估[1-3]。近年來隨著BIM技術的發展，BIM技術人才出現緊缺趨勢，因此高校要順應發展趨勢，為國家培養掌握BIM技術的人才。將BIM技術應用到傳統的“土木工程制圖”課程中，不僅能讓學生通過三維模型更好地閱讀建筑工程圖，而且讓學生更適應當前時代發展趨勢，畢業后快速地適應工作。

一、“土木工程制圖”課程存在問題

（一）課程學時不足、內容繁多

“土木工程制圖”作為專業基礎課，包括投影理論基礎、表達技術基礎、繪圖能力基礎和工程規范基礎四部分，課程內容繁多，但課程教學學時卻從最初的56學時縮減到目前的48學時，其中實踐學時僅有12學時。課程內容基本沒變，而課程學時縮減14%，致使課程學時少而任務量大，在學時安排上給“土木工程制圖”課程教學帶來了極大的困難。如果不能科學合理地設計教學方案，只是按原來的方法在有限的學時內講授課程內容，會導致部分學生學習較為吃力，很難跟上教學進度安排?！巴聊竟こ讨茍D”是理論和實踐相結合的一門課程，課堂講授內容學生跟不上，造成理論基礎薄弱，無法在短時間內將理論和實踐相結合，理論知識無法靈活地運用于實踐中。

（二）教學方式死板、教學效率低

“土木工程制圖”課程經歷了從傳統的黑板板書到運用多媒體教學，在教學方式方法上取得了一些進展。而這種黑板板書和多媒體課件相結合的教學方式，對于“土木工程制圖”課程而言，很難激發學生對土木工程制圖課程學習的興趣，課堂教學中理論教學在教學內容中占很高比例，使學生被動地接受理論知識，導致教學效率較低。作為實踐性較強的一門基礎課，如果學生不能將理論知識運用于解決工程實際問題，不知學為何用，就失去了教學意義。但目前大部分學生無法在短時間內理解理論與實踐相結合的知識。采用傳統的“填鴨式”教學方法，學生的積極性及教學效率普遍較低。

（三）學生缺乏空間想象力

“土木工程制圖”課程的主要目標是培養學生用二維平面圖形表達三維空間形體的能力，培養空間分析和空間幾何問題的圖解能力，培養對空間形體的形象思維能力和創造性構型設計的能力。該課程的學習需要學生具有一定的空間想象力，但目前學生的空間想象能力欠缺，對結構布置、構造做法及節點詳圖等缺乏清晰的認識。而傳統教學僅僅展現二維平面圖形，很少涉及三維空間的展現，故對于空間想象力缺乏的學生來說，“土木工程制圖”課程的學習難度較大。根據課后對學生的調查反饋發現，學生普遍反映根據二維平面圖很難想象形體的三維空間圖，在“土木工程制圖”課程的教學中，這是該課程的教學難點。

二、BIM技術的優點

（一）可視化

BIM技術提供了可視化的模式，可對建筑進行三維實體建模，即所見所得的模式。建筑形式千變萬化、造型復雜，以前都是通過二維平面圖紙去想象三維空間實體，但這樣單憑人的想象力去想象三維形體未免不切合實際。所以BIM提供了可視化的模式，可以直接用三維模型來獲得建筑實體的信息。此外，BIM不僅可以展示效果圖，還能增加各個專業間的討論、溝通和決策，這些都可通過BIM可視化的狀態進行。

（二）模擬性

BIM技術的模擬性是指可以通過放大、旋轉等指令查看實際中不能做到的操作，從而更直觀地認識三維模型。BIM能夠進行模擬實驗，對建筑項目進行3D模擬，把建筑項目的細節構造在模型中展示出來。同時還可將模型中的構件、設施及設備等數據信息通過BIM的參數化特性導入其中，讓項目參與者能夠看到的不僅是可視化模式，而是讓參與者通過數據信息庫中的信息進行調取、閱覽、分析和修改，改善傳統二維畫面協調效果不佳、溝通效率差的現狀。在設計階段，通過BIM配合相關軟件對建筑項目周邊環境的自然氣象信息、地理信息、環境信息進行分析，可以把建筑項目對建筑在實際使用過程中可能會出現的一些問題進行模擬，如日照模擬、節能模擬、緊急疏散模擬及通風模擬等。施工階段的模擬也是BIM技術的一大特色，通過BIM技術與施工的工法、工序相結合，將施工項目中的重點及難點進行事先的施工預演，對施工具體操作人員而言，具有非常強的指導性，讓他們清楚自己該做什么，施工模擬還可模擬施工用料情況，可以降低物資材料的浪費。另外，BIM技術還可進行4D模擬，即在三維基礎上增加時間，將BIM模型進行維度的擴展形成BIM4D模型。通過模擬指導施工，有效提高項目管理效能，施工方亦可隨時了解項目實際與模擬進度之間的區別，便于及時對施工方案進行調整。在BIM4D模型基礎上加入5D維度形成5D模擬，通過對施工中物料的應用狀態、勞動成本的價格、人力資源的配置等，模擬項目的成本變化生成報表呈現給項目中參與人員，從而合理分配人力物力，實現成本控制。在后期使用階段還可模擬日常緊急情況的處理方式，如地震、火災等緊急突發狀況下人員的逃生模擬，合理制定安全逃生路線。

（三）優化性

事實上項目的整個設計、施工過程就是一個不斷優化的過程，即優化存在于整個建筑過程中。優化和BIM并不存在實質性的關系，而是我們可以在BIM的基礎上對項目進行優化。信息、復雜程度和時間是制約優化的三樣因素，合理的優化結果需建立在準確可靠的資源數據基礎上，BIM三維模型提供了建筑的可靠信息，包括形狀信息、物理信息等信息數據，還提供了建筑調整后的實際信息。信息涵蓋面廣、復雜程度大，導致項目參與人員無法掌握全部的信息數據，這就需要借助一定的科學技術和儀器的幫助，BIM技術提供了對復雜建筑項目進行優化的可能性。BIM的優化主要體現在對項目方案的優化和對特色項目的設計優化。對項目方案的優化是將項目設計與投資回報相結合，將設計變化對投資回報的影響實時計算出來，讓業主能夠選擇更有利于自身需求的項目設計方案。對特色項目的設計優化是針對大空間隨處可見的屋頂、幕墻等異型設計，這些異型設計看起來占的比例較小，但占實際工作量和投資的比例往往較大，且在施工中問題較多、施工難度較大，利用BIM技術對上述內容的設計施工方案進行優化，能夠顯著改善工期和工程造價。

（四）協調性

工程項目在設計時，由于各專業工程師之間溝通不到位，會出現各個專業之間的碰撞問題。例如在施工圖紙中給排水、暖通等專業的管道布置都是各自繪制各自的施工圖紙，因而在實際施工中，可能會在管道布置中遇到結構設計的構件妨礙管道布置的現象，這就是在施工過程中經常遇到的各專業間的碰撞問題，通過BIM的協調作用可處理上述問題。BIM建筑信息模型可協調各專業的碰撞問題，形成數據性文件。另外，BIM的協調作用還可用于解決防火分區與其他設計布置之間的協調、電梯井布置與其他設計布置之間的協調等問題。

（五）可出圖性

BIM繪制的圖紙不同于以往大家常見的建筑設計院所出的建筑設計圖紙，而是通過對建筑物進行可視化、模擬性、協調性和優化設計以后繪制出的圖紙，如綜合結構留洞圖、經過碰撞檢查和設計修改后的綜合管線圖、碰撞檢查偵錯報告及建議改進方案等。

三、基于BIM技術的課程教學改革

（一）教學理念改革

“土木工程制圖”課程涉及面廣、實踐性強，培養目標是要培養出既掌握理論知識又能靈活運用的實踐型人才。課程從最初的手工繪圖逐漸向計算機繪圖，從二維圖形到三維圖形發展。在目前的課程中，大多以畫法幾何理論為主，輔以CAD制圖，這要求高校教師轉變理念，根據實際情況完善教學模式，開發全新的課程體系，才能實現我們的教學目標，為社會培養更多高素質的專業人才。要想保證土木工程專業人才培養效果，就要順應產業發展趨勢，將BIM技術應用到“土木工程制圖”課程的教學中。充分利用BIM技術在“土木工程制圖”課程中的作用，通過BIM技術建立教學仿真模型，讓學生在BIM技術的輔助下，能夠接觸到更多土木專業的經典建筑，將“土木工程制圖”課程相關知識點融入教學活動中來;借助BIM技術提高課堂教學的直觀性，從而激發學生對于該課程的學習興趣，吸引學生的注意力，提高學生的學習主動性;充分利用BIM的豐富性和可視性的特點，有效提高“土木工程制圖”課程教學質量。

（二）教學內容改革

“土木工程制圖”課程主要分為畫法幾何、專業制圖和計算機輔助制圖三個部分。畫法幾何部分主要內容是投影法的基本概念、投影法的分類及投影特性，點、直線、平面的投影及三者間的從屬關系，平面立體及曲面立體多面正投影，截交線與相貫線，軸測投影的形成及其分類，組合體的形成及三面投影圖，建筑形體的六面正投影等內容。專業制圖部分主要分為建筑施工圖和結構施工圖兩部分，包括建筑平、立、剖面圖的形成，讀圖方法、圖示內容及繪制方法，鋼筋混凝土結構、鋼結構施工圖常用符號、常用圖例等的畫法，鋼筋混凝土結構施工圖（結構平面圖、構件詳圖）及鋼結構施工圖的作用、圖示方法和圖示內容等。本課程內容較多、較難理解，且課程的學習需要學生具有一定的空間想象力。如果再添加BIM，必然會加大教學壓力，因此需要任課教師調整教學內容，進行教學內容的改革。在“土木工程制圖”課程中增加BIM技術，利用BIM、多媒體課件相結合，將一些復雜的構造通過屏幕投影形式呈現給學生，深化學生對BIM的認識，培養學生的空間想象力。這種教學手段能夠直觀、形象地向學生展示一些結構的細部、細節，既能增加學生的理性認識，又能調動學生的積極性，提高教學效果。將BIM技術運用到“土木工程制圖”課程，將二維平面圖與三維模型相結合，讓學生對“土木工程制圖”課程的學習提起興趣。利用BIM的三維模型輔助教學，加深學生對圖紙的理解，提高學生的學習效率。

（三）教學實踐改革

在“土木工程制圖”課程實踐過程中發現部分學生缺乏空間想象力，導致無法將二維平面圖與三維模型聯系起來。目前在計算機輔助制圖部分，大多以CAD繪制建筑平面圖、立面圖及剖面圖為主，而學生對于這種二維平面圖認識較為淺顯，很難與三維模型相聯系。針對目前的教學實踐情況，任課教師可利用BIM技術，在實踐教學中采用Revit軟件，為學生講解該軟件的操作方法，鼓勵學生利用Revit軟件建立建筑模型。充分利用其可視化功能及二維平面圖與三維模型間自由切換功能，讓學生能夠更直觀、高效、準確地理解建筑施工圖與結構施工圖的相關知識點，培養學生建模能力，深化BIM技術在“土木工程制圖”課程中的實踐應用。BIM可視化教學中虛擬建立的三維模型，相當于將施工現場代入課堂，能夠達到很好的教學效果。利用BIM三維模型，通過放大、旋轉等命令，可以從多角度、多方向觀察三維模型，便于學生對建筑工程圖的理解和繪制。利用BIM技術還能夠反映出復雜節點的構造，在實踐教學中利用BIM三維模型進行演示（見圖1），學生如同親臨施工現場觀看節點構造，BIM模型的直觀性讓學生能夠進一步加深對節點構造的認識理解程度。為了加強學生實訓，高?？山M織教師建立BIM工作室，與企業合作，鼓勵學生參與到項目實踐中，給學生提供提前接觸工作崗位的機會，培養學生的實際操作能力，提高學生未來的就業能力。

四、結語

“土木工程制圖”課程作為土木工程專業的基礎課，傳統教學已無法滿足目前土木工程發展趨勢下的人才培養需求，為了順應土木工程專業發展需求，培養具有創新精神和實踐能力的高素質技術人才，本文在分析傳統教學存在問題的基礎上，將BIM技術引入“土木工程制圖”課程中，充分發揮BIM可視化、模擬性、優化性、協調性及可出圖性的優勢，使學生更容易建立空間想象力，提高學生的學習興趣及學習主動性，提高“土木工程制圖”課程的教學效率，使學生更能適應當前時代發展趨勢，滿足社會對應用型人才的需求。

參考文獻

[1]許莉，張挺，鄭德炯.基于BIM技術的CAD課程教學改革[J].高教學刊，2020（2）：132-134.

[2]劉欣欣，李濤.BIM在土木工程制圖教學中的應用研究[J].科學技術創新，2019（19）：98-99.

[3]劉衛斌.基于BIM技術的土建類復合型應用人才培養模式的研究與實踐[J].教育教學論壇，2020（12）：202-204.