基于BIM 的土木工程制圖課程改革探索與實踐

王 丹，袁 媛，吳艷華，沈 寧

（陸軍工程大學 國防工程學院，南京 210007）

BIM（Building Information Modeling）又稱為建筑信息模型，是以三維數字技術為基礎，集成建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型，是對工程項目相關信息的詳盡表達。建筑信息模型是數字技術在建筑工程中的直接應用，以解決建筑工程表達中的描述問題，幫助設計人員和工程技術人員能夠對各種建筑信息做出正確的應對，并為協同工作提供堅實的基礎。

BIM 技術融入土木工程制圖課程，可以幫助學生快速建立起空間關系，有效解決學生二維投影圖識讀能力有限的問題。學生通過對建筑三維模型進行動態觀察，從全方位的角度來了解整個建筑的情況，順利實現二維工程圖樣與三維建筑實體的完全對應。課程改革一方面可以降低工程圖學課程的學習難度，提高學生對工程實踐的理解與領悟；另一方面也符合當前土木工程領域的發展方向，并且為后續專業課程學習中BIM 技術的深度應用奠定基礎。

一、課程改革背景

（一）課程分析

土木工程制圖是面向土木大類專業學生開設的一門學科專業基礎課程，主要研究土木工程中建筑物、構筑物在平面上的表達，即投影理論、國家標準及其圖形表達方法的一門課程。通過本課程的學習，使學生系統地獲得制圖與識圖的基本知識，掌握閱讀、繪制二維工程圖樣的方法。圖紙是工程師的語言，本課程是土建類專業學習后續專業課程的技術基礎。

課程通過生活中常見的工程案例講述建筑施工圖、結構施工圖和設備施工圖的閱讀與繪制。工程案例是實實在在的三維建筑，但課程提供的是二維的工程圖紙，學生需要借助二維圖紙充分發揮自我的空間想象能力，完成與三維建筑實體的對應，從而深刻理解圖紙所要表達的全部信息。課程對學生的空間想象和思維能力要求很高，并且與工程實踐結合緊密。

（二）學生分析

土木工程制圖課程授課對象為土木類本科二年級學員，剛剛結束基礎課程的學習，尚未接觸相關專業知識。這個階段的學員對自己將要從事的專業充滿了好奇，但又對自己的專業不甚了解，缺乏相應的工程意識。學員雖然前期已經完成畫法幾何課程的學習，掌握了工程圖紙表達的基本投影理論和方法，但在長期教學實踐中發現，大部分學生對于二維工程圖紙的識讀能力仍然有限，尤其在一些細部構造方面，尚無法將二維工程圖與三維建筑實體完全對應。這種識圖能力的不足，必將為后續專業課程的學習帶來隱患。

采用什么方法可以提高學生的空間想象和思維能力，從而培養他們的空間意識和工程意識？教員適時地引入三維立體建筑模型無疑是幫助學生深刻理解二維工程圖紙、提高工程素養的良藥，但這種方式也是有效而短暫的，當學生離開了教員提供的三維模型又將重新陷入苦惱之中。“授人以魚不如授人以漁”，可否在課程學習的過程中引入一款合適的建模軟件？教員在講授二維工程圖紙閱讀的同時融入三維建模，一方面學員可以通過自己創建的三維模型檢驗自己對二維圖紙的理解，另一方面學員在無形之中也掌握了一項新的技能。

（三）BIM 技術的啟示

在傳統的工程設計模式下，建筑設計的不同階段和不同專業之間的溝通和銜接都依賴二維工程圖紙進行。二維圖紙表達三維建筑形體的局限，以及不同設計人員對二維圖紙理解的偏差，造成設計人員之間溝通不暢，專業之間配合不緊密，存在大量的冗余工作等問題，以致設計人員將大量的精力浪費在讀圖繪圖上。基于三維表達的BIM 技術從根本上解決了傳統工程設計中存在的問題，并將協同設計的思想融入到整個設計的全過程中。

自BIM 技術誕生以來，因其具有體現工程全壽命周期設計的巨大優勢而在土木工程領域得到迅猛發展。2011年5 月，住建部發布《2011—2015 年建筑業信息化發展綱要》，從而拉開了建筑信息模型技術在土木工程行業應用的序幕。各地政府也紛紛出臺了一系列政策鼓勵、推動和深化BIM 在工程建設行業中的應用。政府的導向性表明，BIM 的應用即將迎來井噴式發展。

為了適應建筑行業對BIM 技術人才的需求，國內外很多高校對土木工程專業的相關課程進行了改革。美國斯坦福大學、加州理工大學和佐治亞理工大學等都已開設了BIM 相關課程。國內高校也在陸續將BIM 技術的相關知識納入學生培養方案并作為一個重點培養方向。2009 年清華大學首次在計算機應用課程里設置了BIM 課程；2013 年哈爾濱工業大學在國內高校中首次開設BIM 技術應用課程。

從課程設置模式來看，獨立課程模式是最容易開設的，不需要考慮和他人的協同工作，可以獨立在課程中講授BIM 相關的知識。但這種模式涉及到BIM 的內容是片面的，不能與其他課程形成緊密的聯系，只是把BIM 作為一個提高繪圖效率的工具教授給學生，BIM 的優勢得不到充分體現。美國懷俄明大學在制圖課程中融合與課程相關的BIM 知識，通過BIM 軟件學習如何建模，幫助學生快速建立起空間關系；并通過對建筑三維模型進行動態觀察，從全方位的角度來了解整個建筑的情況，有效解決了學生二維投影圖識讀能力有限的問題。從懷俄明大學總結的經驗來看，將BIM 融入到課程中更為有效。因此，融入BIM技術，在建筑信息化背景下對土木工程制圖課程改革是大勢所趨。

二、教學改革思路與內容

融入BIM 三維表達模式，不是將其作為一個單純的建模軟件傳授給學生，而是要將BIM 的三維設計化理念與課程相關內容融合，引導學生用更直觀、更形象的三維信息化模型實現工程項目的表達，替代傳統的以二維工程圖樣表達三維建筑形體的表達模式（圖1）。因此，基于BIM的土木工程制圖課程改革，將從內容體系、教學內容、教學模式及考核評價方面進行一系列改革。

圖1 教改基本思路

（一）內容體系改革

傳統的土木工程制圖內容體系是以“二維工程圖識讀為主，計算機繪圖為輔”。基于BIM 技術三維圖形軟件的出現，改變了傳統的工程設計表達思路。將BIM 技術納入土木工程制圖課程體系，在學生所需掌握的核心知識中增加BIM 環節，創建“以三維建模為重點，計算機三維繪圖為主線，工程思維為核心”的內容體系，以適應未來行業發展的需要。（BIM 技術的支撐軟件有多種，本課程選用目前工程界大多數選用的REVIT 軟件作為課程改革支撐軟件）。

以建筑施工圖部分的講述為例，在傳統內容體系里，教學以一棟住宅樓為例，依次講述總平圖、平面圖、立面圖和剖面圖，所有講述均基于二維工程圖紙進行。在講授的過程中，教學生依次認識門窗、墻柱等構配件，并分別介紹其在平立剖圖樣中不同的表達形式，以及具體的繪圖要求。學生需要通過教員的講解，結合自己的空間思維能力去思考圖紙的描述與建筑實體的對應關系，學生空間想象能力的不足常會導致理解的偏差。

引入REVIT 軟件以后，在平面圖部分，學生在基本了解圖紙表達信息的基礎上，完成建筑的初步模型，并結合軟件工具可以拓展認識建筑構配件的表達。比如，學生在圖紙中只能看到一種或者幾種窗戶，了解這幾種窗戶的表達；而REVIT 軟件中窗戶族有成百上千個，學生的眼界被打開了。在立面圖部分，學生通過REVIT 軟件可以由模型自動生成立面，再與建筑立面圖對比，及時調整建模的誤差，并深刻認識建筑立面圖的表達內容，初步實現二維工程圖與建筑實體的對應。在剖面圖部分，學生對建筑內部的認識不再僅僅局限于教材提供的幾張剖面圖，而是可以通過REVIT 三維模型工具任意去剖切建筑模型，全方位直觀地了解建筑設計方案，使學生有身臨其境的感覺，提高課堂教學的吸引力，加深對工程整體的認知（圖2）。

圖2 教改前后內容體系對比

（二）教學內容改革

內容體系的改革必將帶來教學內容的調整。傳統土木工程制圖課程教學內容由專業制圖和計算機輔助制圖兩部分組成。專業制圖主要講述二維工程圖紙的識讀；計算機輔助制圖是關于AUTOCAD 的軟件培訓，因學生尚未進入專業課程的學習，計算機繪圖主要是以二維工程圖紙抄繪為主。

融入REVIT 內容以后，三維建模部分與二維工程圖識讀同步進行，教學過程以教材中的工程案例為牽引，將教學內容按項目要素分解為標高、軸網、墻、門窗和柱梁等若干部分，引導學生按照項目進展順序依次掌握基本命令的使用方法，并同時完成項目要素的繪制和建模。學生一面學習建筑立體的建模，一面簡單而又直觀地利用建模工具協助完成二維工程圖的識讀。因此，專業制圖部分的講授不再以二維工程圖樣中建筑構配件的識讀為重點，而是從建筑總體出發，著重建筑構成與功能，主要突出工程思維和協同設計的理念。學生在這個過程中，不僅是掌握一個輔助空間想象和工程認知的建模工具，而且是建立一個基于BIM 的工程項目設計的理念。

由REVIT 軟件創建的三維建筑模型，可以直接生成二維工程圖紙，AUTOCAD 的功能被弱化，CAD 部分的內容可以大幅縮減。因REVIT 軟件屬于西方軟件，由三維模型直接得到的二維圖樣與國家標準不能完全一致，所以只需介紹相關的編輯修改等命令即可。

（三）教學模式改革

課程教學內容的調整導致課程學時量不能滿足教學需要，考慮到AUTOCAD 和REVIT 部分主要涉及軟件的學習實踐，采用混合式教學法實施教學。AUTOCAD 部分使用課程組成員錄制的視頻，REVIT 軟件內容以中國大學MOOC 網在線課程BIM 技術基礎-REVIT 建筑為基礎實施教學（圖3）。

圖3 視頻教學資源及“雨課堂”教學日志

采用學堂在線開發的“雨課堂”教學工具組織教學：課前，教員利用“雨課堂”向學生推送預習視頻，學生利用課下時間觀看，完成預習測試，并結合教員布置的課堂演示任務練習軟件操作；教員借助“雨課堂”了解學生預習情況，以便于課堂針對性地講解與教學。課上，利用“雨課堂”進行師生互動，包括學生匯報演示、教員補充講解和實時評價測試等。課后，利用“雨課堂”發布作業和拓展學習資料等（表1）。這種教學模式一方面可以極大地提高課堂效率，彌補課程學時量的不足；另一方面可以實現師生多元實時互動和教學全周期的數據收集與評價。

表1 基于“雨課堂”的教學全周期實施計劃

（四）考核評價改革

鑒于課程實踐教學任務較重，考核評價以30%的平時成績+50%的實踐作業成績+20%的考試成績綜合評定。借助“雨課堂”工具可以實時收集學生課前、課中和課后的學習效果，避免了傳統考核評價中平時成績的主觀臆斷，同時極大地提高了學生的學習積極性（圖4）。

圖4 學員課前、課中和課后的“雨課堂”反饋

三、教學改革效果

（一）調動學員的學習積極性

課程教學實施過程中，學員興趣的調動一定程度上決定了課程教學的成敗。學生如果對課程內容缺乏興趣，教學目標就很難實現。圖學課程因對學生空間想象能力要求較高，對很多學生來說，這門課程都是一根難啃的硬骨頭。在利用二維工程圖紙表達三維建筑形體的過程中，學生空間思維能力的不足導致不能順利地實現圖與物的轉換。將REVIT 軟件引入課程體系以后，這種情況大為改觀。學員利用自己掌握的建模技術，可以形象立體地創建跟二維工程圖紙對應的三維模型（圖5），有效彌補了個人空間想象能力的不足，又獲得了掌握最先進技術的成就感。學生對課程的學習興趣得到了極大提高，順利完成學生的被動式學習向主動式求學的轉變。

圖5 學生根據課程案例完成的三維建筑模型

（二）提高學員自主學習能力

REVIT 軟件是一個功能非常強大的軟件，涵蓋的內容非常多，僅靠課堂上有限的課時無法完全掌握其功能。教員在教學過程中，借助網絡平臺提供了豐富的教學資源，并進行適時地引導。學生以興趣為牽引，自主深入到對軟件的深度學習中，在掌握了基本的建模技術以后，又積極探索族的制作，極大地提高了軟件應用能力，也無意識之中提高了自主學習能力。還有一些學員經常會將網絡上發現的教學視頻資源與教員交流，真正實現了“教學相長”。朝夕相處中目睹學員能力的提升，也極大地激發了教員的職業自豪感。

（三）增強學員工程素質

基于BIM 的課程改革，不僅幫助學員直觀地實現了二維工程圖紙與三維建筑實體的對應；而且，在建模的過程中，學生通過對建筑形體及細部進行觀察，增加了感性認識與體驗，并且通過對不同類型建筑模型的對比，加深了對工程的理解和認知（圖6）。有的學員反映，在建模的過程中，才發現生活中最平常的，與我們最親密的建筑是這樣的形式多樣和豐富多彩，我喜歡我的專業，爭取用自己的努力為這個世界增添一份美好。還有的學生在進行細部建模過程中，真正理解了建筑構配件的功能及各專業之間的協同與合作。這種基于工程的素養和意識，也必將為后續專業課程的學習奠定良好的基礎。

圖6 學生自主完成的建筑模型

（四）拓寬學員視野

全國和江蘇工程圖學課程教學指導委員會每年舉辦大學生先進成圖大賽，大賽的其中一項內容即為建筑信息模型創建和施工圖的生成。課程教學改革以大賽為驅動，課賽結合，采用培訓全體-激勵多數-選拔優秀的培養模式，在近年的華東區和全國大學生成圖大賽中獲得優異成績，并獲得華東區三維數字建模項目團體一等獎，在所有參賽學校中只有三所學校獲此殊榮。學生走出校門，踏上與同齡人競技的平臺，有效拓寬了學員視野。借助這種與同齡人交流的機會，學員一方面可以增強自信，另一方面也可以實事求是地定位和規劃自己，從而獲得后續專業學習的動力。

四、教學改革創新點

（一）嶄新的內容體系

BIM 技術是完全摒棄了傳統的二維設計方法，轉而面向一種全新的三維全壽命周期設計理念。三維表達是建筑設計表達的回歸。基于BIM 的土木工程制圖課程改革并非對傳統圖學課程的更新和完善，而是從傳統的圖學教學逐步轉入以BIM 技術理論為依托的融入式教學，創建了基于三維表達的嶄新的工程圖學內容體系。

（二）先進的教學內容

BIM 作為一種全新的理念和技術，是土木工程行業發展的必然趨勢。在大數據和建筑信息化背景下，將BIM 技術納入課程教學內容，實現了對傳統圖學教學內容的重塑與發展。既降低了課程的學習難度，又幫助學生加深了對工程的認知，逐步建立三維全壽命周期設計理念。

（三）信息化的教學手段

利用REVIT 建模軟件，讓學員由淺入深地進行空間思維和形象思維能力訓練；再通過上機實踐，逐步掌握基本的建模流程，使得信息化技術從教員教學輔助手段，實現向學員完成學習成果的表達工具轉變。并借助“雨課堂”教學工具，將課前-課上-課后的每一個環節都賦予全新的體驗，最大限度地釋放教與學的能量，推動教學改革。

（四）科學化的考核方式

先進的教學工具可以實時監測學生課前-課上-課后的每一個教學環節，靈活的課前學習、快捷的課上測驗和創新的師生互動等，為師生提高完整立體的數據支持，實現對學生的科學化全面考核。既有對結果的考核，也有對過程的監督，有效調動了學生參與教學的積極性和主動性。

五、結束語

土木工程制圖課程授課對象屬于低年級學員，還沒有開始專業課程內容的學習。所以基于BIM 的圖學課程改革也只能以引入三維建筑模型為重點，基于BIM 的專業協同思想稍有涉及。基于BIM 的課程改革，應該是土木工程專業整個培養體系的變革，土木工程制圖課程改革僅僅開了一個頭，前方任重而道遠。承載學員無限的信任和期盼的目光，作為教員，有義務也有責任將先進技術融入到教學中，讓學生更好地接觸技術前沿，最終實現為國家培養高質量工程技術人才的目的。