BIM虛擬建筑照明設計教學框架研究

周昊

摘要：針對傳統(tǒng)教學框架教學模式單一，導致學生完成虛擬建筑照明任務時間較長、成績不佳的問題，研究BIM虛擬建筑照明設計教學框架。在設定的教學周期內(nèi)，規(guī)劃BIM一體化教學分析流程。將理論知識與實踐任務處理為并行任務，設定虛擬建筑照明課程教學模式，綜合追蹤法、課后交流法、文獻研究法以及經(jīng)驗總結(jié)法，選取各種方式的優(yōu)點，搭建一個基礎的教學過程，依照教學的難易程度，依次搭建設計教學的框架。準備運載BIM技術的計算機后，調(diào)用建筑照明設計所需的插件，準備兩種傳統(tǒng)教學框架與所設計的教學框架進行測試，測試結(jié)果可知：所設計教學框架下的學生完成虛擬建筑照明任務時間最短且成績較好，適合實際教學使用。

關鍵詞：BIM技術;虛擬建筑;照明設計;教學框架

中圖分類號：TU238+.9? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）06-0097-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

BIM培養(yǎng)目標逐漸轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)解決問題能力、創(chuàng)新建筑結(jié)構(gòu)的教學方向上來。在虛擬VR技術影響下，虛擬建筑照明設計要點向具有國際競爭力的高素質(zhì)人才培養(yǎng)上發(fā)展。在新工科理念的影響下，高校對BIM技術人才培養(yǎng)以新型人才作為培養(yǎng)理念，廣泛應用課程教學在信息技術的實踐上[1]。BIM虛擬建筑的傳統(tǒng)教學模式主要集中在理論課程教學環(huán)節(jié)中，課程教學以介紹建筑電氣照明工程的設備、整體設計和施工方法的講解開始。在實際的教學過程中，配合不同規(guī)格的建筑設計圖紙，參照不同建筑風格對照明工程的要求，建立專業(yè)化的照明練習，不斷加深學生對教學的記憶力。從當下的教學框架來看，多數(shù)教學過程以理論知識為主，普遍缺乏現(xiàn)場認知，在以往的教學過程中師生互動較少，BIM教學過程常選定靜止風格的表現(xiàn)形式。這樣一來，對于空間想象力弱的學生來講，很難將設計要點與教學理論聯(lián)系起來，減弱了學生對照明設計課程的學習積極性。從教學基礎上來看，BIM專業(yè)學生有著較為薄弱的理論知識，對于建筑空間的想象力較差，在單一的教學框架影響下，長此以往地累積學習消極情緒，影響學生的學習效果[3]。

在實際教學過程中，教師常常通過Unity、UE4等軟件及Augment、BIMVR等平臺可實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)信息的可視化虛擬表達[4]。在照明課程的教學中，可在運用BIM技術描述、建立課程相關知識對象和教學過程模型的基礎上，將AR/VR技術作為支持，整合建筑專業(yè)課程與二三維信息模型的搭建，為學生群體搭建一個真實的教學環(huán)境，形成一個成熟的照明設計教學體系。在BIM虛擬建筑照明設計教學中，培養(yǎng)學生對空間照明建筑的感知，通過重復式的虛擬訓練，建立學生自身的沉浸體系，綜合上述教學現(xiàn)狀可知，研究BIM虛擬建筑照明設計教學框架是很有必要的[5]。

1 BIM虛擬建筑照明設計教學框架研究

1.1 規(guī)劃BIM一體化教學分析流程

BIM教學課程是一項周期性的教學過程，在設定的教學周期內(nèi)設定理論實踐以及典型工程驗證作為課程教學的分析流程[6]，在構(gòu)建一體化教學流程時，設定的理論環(huán)節(jié)以及實踐環(huán)節(jié)如圖1所示：

在圖1設定的一體化教學分析流程下，理論教學過程中，綜合運用BIM技術創(chuàng)建課程教學資源，建立BIM與AR技術的教學資源庫，對應虛擬建筑照明課程，使用VR技術將教學課程知識點模擬為不同的VR場景，采用全方位的構(gòu)造細節(jié)，讓學生感受真實的建筑照明設計場景。在課后理論強化階段，引用典型的BIM仿真平臺，選定經(jīng)典的工程項目，針對照明設定節(jié)點，搭建仿真操作環(huán)境，為學生設定BIM與VR技術的綜合實踐任務。實際落實各個課程內(nèi)容時，采用Augment平臺，建立一個建筑模型，并采用立體的方式，對應不同的照明點設計不同的建筑知識點，將虛擬與現(xiàn)實相互結(jié)合，增強學生在建筑設計過程中的空間感知能力，培養(yǎng)學生的建筑思維能力。在規(guī)劃一體化教學分析流程后，設定虛擬建筑照明課程教學模式。

1.2 設定虛擬建筑照明課程教學模式

虛擬建筑照明課程注重理論與實踐相結(jié)合，所以在設定課程教學模式時，以實踐實驗作為核心，采用合理的課程設計方式，采用與實際工程項目相關的實訓環(huán)節(jié)，綜合實際工程環(huán)境內(nèi)的不安全因素，設定科學的規(guī)避方式，不斷培養(yǎng)學生處理具體工程中的實訓問題的能力，在資金投入、維護成本以及學生安全之間，建立一個平衡式的學習環(huán)境，不斷創(chuàng)新實踐過程中所需的教學手段，充分調(diào)動學生的學習積極性。或是借助于虛擬仿真技術，設計創(chuàng)新教學手段，將虛擬建筑照明學習過程處理為一個虛擬學習環(huán)境，充分調(diào)動學生的感官感受，將教學處理為一個學習信息處理反饋的學習過程。在具體的課程教學模式下，在不同的教學內(nèi)容內(nèi)，以實際的教學理論作為支持，采用理論與實踐結(jié)合嵌入式的結(jié)構(gòu)，在理論教學課堂上，BIM課程教師結(jié)合實際建筑照明模型展開理論講解，并在階段性的教學課程結(jié)束后，向?qū)W生下發(fā)典型的建筑教學案例，按照整體建筑照明設計方案要求，將建筑照明方案轉(zhuǎn)化為多個分項VR場景，或是采用動畫微課的方式，讓學生佩戴場景顯示頭盔，連接模擬傳感器，讓學生們感受常規(guī)建筑構(gòu)造結(jié)構(gòu)，不斷學習設備的使用方式以及照明施工方法，滿足教師對BIM教學的目的。在設定虛擬建筑照明課程教學模式后，搭建教學框架。

1.3 搭建照明設計教學框架

在上述研究分析下，綜合追蹤法、課后交流法、文獻研究法以及經(jīng)驗總結(jié)法，選取不同處理方法的長處，使用綜合追蹤法檢驗追蹤原有教學框架學習下學生知識的掌握情況，并檢驗其驗證結(jié)果是否符合所設計教學框架的預期目標，在搭建基本教學過程后，建立一套客觀評價體系，并根據(jù)評價結(jié)果對教學框架提出改正意見。利用文獻、書籍以及網(wǎng)絡作為媒介，歸納并總結(jié)教學框架中存在的各項問題，針對現(xiàn)有發(fā)展問題與阻礙發(fā)展的現(xiàn)象，以傳承優(yōu)良框架作為基礎，在升華處理教學理論后，搭建BIM教學基地。將智能化掌握BIM技術作為教學主旨，以《新能源照明技術》作為核心教學課程，在理論教學環(huán)節(jié)和實踐教學上，配合不同難度等級的教學模塊，以難度依次遞增作為教學框架結(jié)構(gòu)，構(gòu)建得到一個成熟的教學框架體系。綜合上述分析處理過程，最終完成BIM虛擬建筑照明設計教學框架的研究。

2 驗證實驗

2.1 實驗準備

準備BIM技術所需的計算機環(huán)境，準備已知參數(shù)的計算機作為教學實踐機器，使用計算機參數(shù)如表1所示：

在上表所示的計算機參數(shù)下，運行Revit-MEP軟件，配合虛擬建筑照明過程中所需的軟件插件，使用的軟件插件工具如表2所示：

在上述插件各項參數(shù)控制下，實際驗證所設計教學框架的性能時，準備一個60人的班級，將其劃分為三組教學實驗組，準備兩種傳統(tǒng)的教學框架與所設計框架進行實際教學，在教學結(jié)束后，設定Revit-MEP軟件的使用任務，記錄不同學生完成教學任務的時間，以一組教學框架學生的學習成績以及完成教學任務的時間作為教學框架的對比指標，評定三組教學框架的性能。

2.2 結(jié)果及分析

基于上述實驗準備，在三組教學實驗組內(nèi)運用不同結(jié)構(gòu)的教學框架，在結(jié)束階段性的教學后，設定BIM虛擬建筑照明要求，讓學生使用Revit-MEP軟件將傳統(tǒng)的二維制圖與建筑信息融合，創(chuàng)建建筑設備系統(tǒng)的可視化模型以及三維圖，在驗證過程中，記錄不同學生個體完成學習任務的時間，并記錄三種教學框架下各位同學的學習成績，以三種教學班作為實驗對比對象。統(tǒng)計并分析設定相同教學任務時，各個學生群體所使用的時間，教學任務完成時間，結(jié)果如表3所示：

在表3所示的實驗結(jié)果下，在三種教學框架下，設定相同的教學驗證任務，以學生完成教學驗證任務時間作為對比指標，由上表所示的時間結(jié)果，傳統(tǒng)教學框架1引導下的教學任務，完成教學任務的時間最長，平均完成時間在42min左右。傳統(tǒng)教學框架2引導下，學生平均完成教學任務的時間在32min左右，完成教學任務的時間較長。而設計的教學框架完成教學任務的平均時間在22min左右，與兩種傳統(tǒng)教學框架相比，所設計教學框架引導學生完成教學任務的時間最短，教學效果較佳。

保持上述實驗環(huán)境不變，調(diào)用上述設定的教學任務，選定同一位評價教師評價學生完成上述的教學任務，以學生得分作為對比指標，在三種教學框架引導下，學生的成績結(jié)果如表4所示：

在三種教學框架控制下，以統(tǒng)計時間的教學任務作為實驗評價對象，在評判教師的評判下，傳統(tǒng)教學框架1最終的學習成績在65分左右，實際的教學效果較佳，而傳統(tǒng)教學框架2下的學生學習成績在88分左右，實際的教學效果較好，而所設計教學框架的學習成績在93分左右，與兩種傳統(tǒng)教學框架相比，所設計的教學框架的教學效果最好。

3 結(jié)束語

在經(jīng)歷不同時期建筑設計風格后，BIM信息技術產(chǎn)生了質(zhì)的變化，不僅豐富了現(xiàn)代建筑的風格，還為現(xiàn)代教學帶來了一定的壓力。虛擬現(xiàn)實技術作為新的教學技術，根據(jù)其特殊的教學特點以及實踐效果，為教學提供了強有力的技術等級支持。經(jīng)研究驗證，所設計的教學框架，符合BIM教學專業(yè)課程的教學要點，能夠增強學生的學習能力。在了解、熟悉建設工程項目管理過程中，能夠綜合內(nèi)容、方法及具體措施中場景和業(yè)務知識點，扎實掌握課程要點。根據(jù)實驗驗證，所設計的教學框架能夠改善傳統(tǒng)教學框架中存在的不足，為今后研究設計教學框架提供理論基礎。

參考文獻：

[1] 楊龍龍，王會，丁海燕.基于BIM技術的綠色公共建筑虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設計研究[J].現(xiàn)代電子技術，2020，43（6）：137-139，143.

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[3] 王凡，李鐵軍，劉今越，等.基于BIM的建筑機器人自主路徑規(guī)劃及避障研究[J].計算機工程與應用，2020，56（17）：224-230.

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[5] 馬國豐，宋雪.基于BIM的辦公建筑智能化運維管理設計研究[J].科技管理研究，2019，39（24）：170-178.

[6] 王寧，樓岱，陳大慶，等.基于“BIM+GIS”技術的建筑垃圾精準管控信息管理平臺研究初探[J].環(huán)境工程，2020，38（3）：46-50.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】