BIM在“混凝土與砌體結構設計”課程中的教學輔助作用

陳旭東 偶偉冰

蘇州科技大學土木工程學院 江蘇蘇州 215011

1 概述

混凝土結構和砌體結構是土木工程領域非常重要的結構類型。很多古建筑如城墻、城樓、拱橋等和仿古建筑都是由砌體組成的，新建設的項目大多會采用混凝土這種傳統工程材料。“混凝土與砌體結構設計”這門課前身分別是“混凝土結構設計”和“砌體結構設計”，為了適應新形勢下土木工程專業的發展，蘇州科技大學土木工程學院將兩門課合并為“混凝土與砌體結構設計”。在我校2018年新制定的教學大綱中，“混凝土與砌體結構設計”為72學時，適用于土木、土木D、土木國際等相關土木工程專業。該課程是土木工程專業核心課程，涵蓋了肋梁樓蓋、單層廠房、框架結構、剪力墻結構、框架—剪力墻結構、筒體結構、砌體結構等重要內容。該課程要求學生在掌握“混凝土結構設計原理”的基礎上，學習混凝土結構與砌體結構房屋的結構選型、結構布置、計算模型選取、內力分析、構件設計和構造處理，掌握一般工業與民用建筑的結構設計流程和設計方法，同時掌握結構抗震設計方法和相應的抗震構造處理。通過對混凝土和砌體結構基本理論和設計方法的學習，培養學生的工匠精神、實事求是和精益求精的科學精神，初步樹立職業使命感與責任感，為其今后從事相關專業工作樹立正確的思想基礎。

近年來，相關高校對“混凝土與砌體結構設計”教學改革進行了一系列的探索與實踐[1-3]。根據我校對該課程工程教育的相關畢業要求，“研究能力”要求：能夠基于科學原理，通過文獻研究或相關方法，調研和分析土木工程專業復雜工程問題的合理解決方案；“使用現代工具能力”要求：能夠開發或選用滿足特定需求的現代工具，對土木工程專業復雜工程問題進行模擬和預測，并能夠分析其局限性。在現代信息化社會，不僅要求學生學習和掌握設計知識，還要求學生能夠運用新工具，對“混凝土與砌體結構設計”這門課中涉及的工程問題進行分析。其中，建筑信息模型(Building Information Modelling，以下簡稱BIM)是一個非常有用的工具。在授課過程中，如果能引入基于BIM的虛擬仿真，將有利于學生進一步理解這門課的基本概念和設計理念，具有重要的教學意義和實用價值。

2 BIM簡介

BIM起源于歐美，是建筑、土木領域的新型工具。BIM是由Autodesk公司在2002年率先提出的，用來形容那些以三維圖形為主、物件導向以及建筑學有關的電腦輔助設計。它可以幫助實現建筑信息的集成，從建筑的設計、施工、運行直至建筑全壽命周期的終結，各種信息始終整合于一個三維模型信息數據庫中。設計團隊、施工單位、設施運營部門和業主等各方人員可以基于BIM進行協同工作，有效提高工作效率、節省資源、降低成本，實現社會的可持續發展。

作為一項新型技術，BIM具有以下優勢：(1)可視性。BIM的獨特之處在于采用參數代替數據信息進行建模，建立工程結構的三維立體模型，反映工程建設的各個環節。(2)準確性。BIM技術以采集的數據為參量，直觀地展示了工程模型，設計人員可通過大數據分析，確定所需材料。(3)協同性。在工程結構設計中應用BIM技術，可使設計走向一體化，提高設計的整體協同能力，保證工程順利進行。(4)模擬性。BIM技術可以實現可視化模擬，通過計算機技術分析篩選，快速優化設計方案。

混凝土結構，尤其是裝配式混凝土結構，涉及很多部件，如梁、柱以及節點等，這些構件都可以采用BIM進行建模，并將其信息存儲于其中[4]；砌體結構設計中，大量的磚塊信息特別適合采用BIM進行分析[5]。此外，在課程的教學中，通過適當的BIM可視化策略，可以將抽象的設計理論、設計方法，以圖片、視頻的形式展示給學生，對學生深入理解并掌握設計方法，具有很強的促進作用。

3 課程教學與BIM應用

本節討論作者如何在“混凝土與砌體結構設計”的課程教學中具體應用BIM技術，在豐富課堂內容的同時，優化教學方法，提高學生的學習興趣，加深對所學知識的理解和掌握。在教學過程中，以教育部土木工程專業教學指導委員會相關文件和我校“混凝土與砌體結構設計”教學大綱為基礎，結合學生實際情況和社會對新時代土木工程人才的需求。本節所展示的BIM示例均是由Revit生成的。Revit是Autodesk公司一套系列軟件的名稱，是專為BIM構建的，結合了Architecture、MEP和Structure的功能，可幫助專業人員設計，建造和維護質量更好、能效更高的建筑。

授課老師(第一作者)和研究生助教(第二作者)建立了“混凝土與砌體結構設計”的BIM教學案例庫。在建設過程中，選取了中國古代和現代建設中的典型工程，制作了結構在各種工況下受力、變形，乃至破壞的BIM虛擬仿真案例。選取案例時，注重弘揚中國優秀傳統文化，體現中國古代和現代建設成就。同時，對單層廠房、框架結構、剪力墻結構、框架—剪力墻結構、筒體結構、砌體結構等工程設計方案，引入BIM虛擬仿真技術，向學生直觀展示結構的受力特點，介紹符合抗震規范要求的結構布置和構造措施。

下面通過兩個案例來具體說明BIM在“混凝土與砌體結構設計”課程教學中的應用。在混凝土結構設計中，當講到筒體結構時，會介紹框筒的概念。框筒是由布置在房屋四周的密集立柱與高跨比很大的窗間梁組成的一個多孔筒體。從形式上看，猶如四榀平面框架在房屋的四角黏合而成，與框架結構形狀相似。但框筒結構的設計計算，不能采用框架結構在水平和豎向力作用下的內力計算方法，即框筒和框架是有本質區別的。對于框筒，一般要求每一立面窗洞面積不大于墻面面積的60%，如果開洞太大，框筒就會退化為框架。那么如何向學生展示框筒到框架的退化呢？作者采用Revit對正常的框筒進行建模，然后控制窗洞尺寸使其不斷擴大，而窗間墻尺寸不斷縮小，當達到一定限值的時候，窗間墻成為一根細長的“桿件”。此時，框筒便退化成了框架。在此過程中，我們利用了BIM的可視化技術，向學生動態呈現了這個過程。

當講到混凝土—砌體混合結構房屋時，由于水平承力構件如樓蓋、屋蓋采用混凝土結構，而豎向承力構件如墻、基礎采用砌體結構，在進行設計的時候，需要考慮承重墻的結構布置形式。承重墻的結構布置不外乎有橫墻承重、縱墻承重、縱橫墻承重和內框架承重等四種方案。這幾種承重方案，在傳統的多媒體教學中，通過圖片展示和文字講解，雖也能講清楚，但易流于煩瑣。作者在授課時，運用BIM技術，建立了四種承重方案的結構模型。演示時，可從多個角度，帶著學生身臨其境地以第一視角觀看，學生對這四種承重方案的理解就大大加深了。可見，在這兩個案例中，BIM均起到了很好的教學輔助作用。

(a)框筒結構

4 BIM輔助教學效果評價

本節討論“混凝土與砌體結構設計”課程采用傳統多媒體教學與BIM輔助教學在教學效果、教學質量和成績提升方面的比較。如前所述，對于“混凝土與砌體結構設計”，有些章節的內容適合傳統多媒體和板書教學，有些章節的內容則適合采用BIM輔助教學作為補充。以上兩種教學方式均在蘇州科技大學土木工程學院土木18級的“混凝土與砌體結構設計”教學過程中開展了實踐。根據調查問卷(土木1811、1812班共發放問卷58份，收回有效問卷55份)的反饋結果，通過開展BIM輔助教學，學生表示對該課程的興趣提高了。原先有超過一半的學生，認為“混凝土與砌體結構設計”難度大，且不容易取得好成績，因此興趣一般。采用了BIM輔助教學后，覺得有趣的學生占比大幅增加，而原來覺得一般或沒意思的人數所占百分比大為減少(圖2)。并且，采用BIM輔助教學的章節，學生的注意力明顯提高。興趣是最好的老師，正是因為學生有興趣，BIM輔助教學不僅能加深學生對內容的理解，還能使得學生在課堂上更加專注，更加集中注意力。可見，絕大多數學生表示認可這種BIM輔助教學方式，覺得受益匪淺。

圖2 學生對BIM輔助教學課程內容的感興趣程度對比

對實行BIM輔助教學的“混凝土與砌體結構設計”課程期末成績進行分析發現，土木1811和1812班大多數學生都取得了比較好的成績。將重修的學生剔除在外，土木1811和1812班(共53人)2020—2021第二學期“混凝土與砌體結構設計”期末成績分布可見右表。由右表可知，土木1811和1812班兩個教學班，大多數人取得了較好的成績，優良率達到32.1%，約占全班總數的1/3。另外，“中”和“及格”的學生比例分別為37.7%和17.0%，而“不及格”的學生占比為13.2%。考慮到“混凝土與砌體結構設計”課程是土木工程專業的核心課程，具有一定的難度和淘汰率，取得這樣的成績是可以理解和接受的，也是不容易的。同時，成績總體也符合正態分布，BIM輔助教學對提高學生成績具有一定的促進作用。

“混凝土與砌體結構設計”課程期末成績分布表

BIM輔助教學效果不僅僅體現在學生對課堂知識的被動吸收上，還在于可以激發學生的主動性和能動性。以“混凝土與砌體結構設計”課程為例，一些學有余力的學生在課后，采用BIM軟件，對單層廠房、框架結構、剪力墻結構的豎向和水平承載力，進行了建模；對砌體結構墻體高厚比的驗算，采用Revit軟件進行了可視化的展示；同時，這些學生組成了學習小組，在課堂上將他們使用BIM軟件的成果和體會作了分享，向全班同學作了匯報。通過這樣的教育和學習，同學們一致認為自己在參與中真正掌握了有關的專業知識。

結語

本文結合作者的教學經歷，討論了BIM技術在“混凝土與砌體結構設計”課程教學中的應用和輔助教學作用。雖然“混凝土與砌體結構設計”這門課的重點在于講解結構的設計方法和設計準則，但在BIM技術的輔助下，學生能夠更加深刻地理解課程的內容，更加專注地參與課堂學習，且取得了較好的期末成績。因此，本文所介紹的方法切實可行，可操作性強，具有很好的借鑒意義和推廣價值。