集成BIM技術的土建類專業課程教學系統探究

一、引言

隨著智能建造時代的到來，建筑業正在向智能化、綠色化、工業化、精細化方向轉型發展。為了有效解決設計與現場的偏差、施工環境復雜、施工安全風險高等問題，企業在項目實施過程中需要將建設、設計、施工、監理等工程參與單位放在同一平臺上，共享同一建筑信息模型，以提高建設項目各參與方溝通效率和質量、降低施工沖突和造價成本、減少變更和返工、縮短工期、節約投資等。其中，BIM（建筑信息模型）技術是需要掌握的關鍵知識。

近年來，一些發達國家的高校將BIM教育理念引入人才培養體系，并進行一系列的課程教學改革，取得了良好效果。如美國斯坦福大學、南加州大學、內布拉斯加大學林肯分校和加州大學伯克利分校的BIM課程開設較為全面，一方面涵蓋了BIM基本概念、基礎建模、參數化建模及其應用等方面的內容；另一方面，在相關專業課程中也融入了BIM技術。我國對于BIM技術及其在土建類專業課程教學方面的應用仍處于探索階段，目前部分普通本科院校的土建類專業開設了BIM技術相關課程。清華大學、中南大學、東南大學、華中科技大學、哈爾濱工業大學等高校的土建類本科專業開設了BIM技術課程，涉及BIM基礎知識、各種應用軟件，以及應用BIM技術的實踐教學環節。在理論教學中，教師將課程中的書面文字轉換為生動的立體可交互式施工現場模擬場景，讓學生對建筑設計過程及施工現場環境產生直接、深刻的感性認識。教師在實踐教學中讓學生通過可視化的三維立體建筑信息模型，模擬解決工程現場的現實問題。

本課題針對土建類專業學生的培養，深入結合土建類專業課程體系的設置，分析研究BIM技術輔助相關專業課程教學方式并進行了教學實踐。同時，進一步探究以Web系統的方式集成土建類專業課程教學要素和BIM技術，設計一個專業教師均可以采用的授課系統方案，從而提高專業教學的整體質量。

二、BIM技術輔助土建類專業課程教學的分析及實踐

（一）BIM技術

BIM技術貫穿建筑項目全生命周期，對土建類專業學生來說非常重要。很多學生認為它只是一個三維建模軟件或者一個管理平臺等，這些錯誤的認識都源于學生對于BIM技術的基本知識缺乏了解，因此，要想借助BIM技術提高高校專業課程教學質量，BIM技術基本知識的掌握必不可少，如BIM技術的基本概念、特征、應用，國內外現狀，國家目前的政策以及相關標準等。因此，在所有相關專業課開設的前一學期需要開設BIM技術基礎知識課程，通過基礎課程可以幫助學生從各個方面全新認識BIM技術，以及讓學生對后期學習內容有更多了解。

（二）BIM技術輔助專業課程教學分析及實踐

在高等教育系統中融入BIM知識框架和課程，可以讓工程教育實現可視化，從而提高專業課程的教學質量。

安徽工程大學建筑工程學院教師在專業課程教學過程中積極探索BIM技術與相關專業課程的結合方式。在講解建筑工程施工課程中的梁板柱鋼筋布置內容時，教師采用傳統的二維CAD（計算機輔助設計）圖紙講解比較抽象，學生需要空間想象，不直觀，理解困難。這時，教師便采用BIM技術中的Revit（建筑信息模型軟件）建立多維信息模型，學生通過三維視圖可以直觀看到各種鋼筋布局，另外，學生通過參數化設置可以知道每一個構件中鋼筋所有的類型名稱和鋼筋參數，如鋼筋的直徑、長度和型號等具體信息。

房屋建筑學課程教學會涉及很多建筑構件，在傳統講授過程中，教師通過局部圖片或者草圖進行教學展示，學生有時很難理解一些稍微復雜構造的構件布置和作用，聽課后對實體構件區分也可能存在模糊的情況。

為了解決這些問題，教師在課程知識講解過程中同樣結合可視化的建筑信息模型進行構件講解，可以通過BIM技術幫助學生了解構件的詳細構造和相對位置信息，且構件的詳細施工參數均可獲取。畫法幾何及建筑制圖課程是建筑設計最基本的內容，教師在課堂上采用Revit軟件中的視圖給學生講解投影知識，對實體圖形在Revit中選擇不同視圖生成相應投影后的形狀：正視圖對應Revit軟件中的南立面視圖，俯視圖對應平面視圖以及側視圖對應右立面視圖。

教師結合建筑信息模型中的材質信息設置進行建筑材料課程內容中相關材料特性和設計參數內容的講解。結構力學、材料力學等力學課程是土建類專業課程體系中非常重要的組成部分，對于力學相關課程，教師在課堂教學中讓學生運用Revit軟件進行實體建模，并進行荷載分析等操作。工程項目管理和土木工程概預算等管理類課程是BIM技術融合教學的重點之一，教師結合BIM-4D（四維建筑信息模型）進行工程項目管理課程中進度管理模塊知識的課堂教學，融入漫游功能等來查看場地布局的合理性以及進行場地布局優化，以及采用協同管控平臺技術進行工程現場檢查管理教學知識講解。土木工程概預算課程教學從實體建模到工程量的統計，再到套價整個技術流程，教師均實現了專業課程知識與BIM技術的結合。

通過對土建類專業部分課程內容與BIM技術融合教學進行分析與實踐可知，要想達到預期效果，教師必須熟悉BIM基礎知識、學科發展前沿、相關軟件的使用方法等。因此，土建類專業相關教師不僅要熟練掌握土木工程知識，還要熟練掌握和運用建筑信息模型技術。

三、集成BIM技術的土建類專業課程教學系統方案

（一）教學系統所要解決的問題分析

為使得BIM技術輔助土建類專業課程教學以及集成教學資源，實現所有相關教師均可采用系統進行專業課程教學，該教學系統需要解決如下問題：第一，系統需要滿足正常的課堂教學需求，如上課前的學生課堂考勤、教師授課課件的展示、書寫白板以及課堂互動等功能模塊；第二，系統需要能夠集成上課時老師用到的建筑信息模型，并可以進行模型的相關操作，如建筑構件的視圖轉換、屬性參數的查閱、構件距離測量、建筑信息模型的漫游以及平面視圖和建筑信息模型的聯動等。教師上課便可以通過一些操作可視化呈現一些比較難以理解的知識，以及降低因學生空間想象能力不佳產生的困惑，系統中對建筑信息模型操作的功能模塊具體需要根據土建類專業課程與BIM技術融合點的不同分別設計。

（二）系統關鍵技術問題

建筑信息模型一般體量大，從而給建筑信息模型的運用帶來了不便，在教學系統當中如何更便捷地利用建筑信息模型與課堂教學相融合，這便是該系統實現的一個關鍵點。為了解決此問題，系統集成BIM信息模型時需要對信息模型進行輕量化處理，即系統在加載建筑信息模型的時候能保持模型原有性能的基礎上，盡可能減少建筑信息模型的參數量以及相關計算量，使得建筑信息模型在系統里面加載更快速以及在對模型進行基本操作時更流暢。目前BIMFACE（建筑信息模型輕量化引擎）是一款較好的輕量化平臺，其提供了用戶開發資源，其他用戶可以根據自身需求，基于BIMFACE研發自己的系統。因此，在系統開發時，教師可調用BIMFACE的API接口進行土建類專業教學系統設計。

（三）集成BIM技術的土建類專業課程教學系統主要模塊設計方案

由于BIM技術與不同課程的融合點存在差異，因此系統首頁可設置導航欄，在導航欄里面布置進入不同課程授課界面的按鈕，從而專業課程教師進人系統后直接點擊導航欄里面對應的課程名稱按鈕，即可進人相應專業課程教學頁面。在系統中，每一門課程教學頁面包括四個模塊，分別是考勤、課堂環節、課件amp;白板以及課程BIM。

在考勤模塊，教師可以發起簽到，為了保證簽到的真實性，系統可只采用位置簽到，設置以上課教室為中心，一定距離的半徑為范圍，學生在該范圍內方可參與簽到；并且，該模塊會同步顯示簽到學生的信息，通過系統統計數據，一方面為學生平時成績的打分提供依據，另一方面通過統計應出勤總次數和實際出勤次數，也能夠提醒學生。

課堂環節模塊主要是提高課堂教學效果，現代課堂教學教師應該要讓學生成為課堂的主體。因此，該系統基于此理念，設置了課堂環節模塊，如教師上課提問，可以通過該模塊中課堂提問按鈕從班級里面選擇學生進行回答，該模塊也可以設置搶答按鈕，以及設置任務分組討論按鈕實現班級學生自動分組參加課程內容討論環節，設置作業布置按鈕實現線上發布課堂作業和作業修改等。

專業教師課堂教學課件展示可通過課件amp;白板模塊，通過課件上傳按鈕首先進行文件上傳，文件上傳成功后便可以在該模塊框中顯示。在正常講解課件時，為了便于學生觀看，教師可點擊最大化圖標，并點擊箭頭圖標實現課件翻頁。此系統可提供白板，白板同樣可以實現頁面最大化，書寫工具可點擊不同形式筆的圖標進行。

該教學系統的特色模塊是課程BIM模塊，該模塊中教師可以實現建筑信息模型輔助專業課堂內容教學。每一門專業課程在該模塊下設置的功能按鈕是不一樣的，主要功能按鈕設置的依據是不同課程內容與BIM技術的融合點。以工程項目管理課程與BIM技術的融合點為例，首先，該模塊有BIM信息模型的顯示區，通過BIMFACE對建筑信息模型輕量化之后，利用上傳按鈕將BIM模型載入此系統中；其次，該模塊根據工程項目管理課程與BIM技術融合點設置的功能按鈕可包括場地漫游、進度仿真、距離測量、風險預警等。因此，專業教師在上課時可以充分利用該模塊下建筑信息模型輔助專業知識的講授。

四、結語

BIM技術全生命周期管理的理念為優化土建類專業課程教學提供了新思路，基于其可視化、參數化和仿真性等特點，筆者提出一種集成BIM技術的王建類專業課程教學系統構建方案。通過分析相關專業課程的特點以及與BIM技術的結合方式，設計了專業課程教學系統的主要模塊以及課程BIM模塊中主要功能按鈕創建思路。土建類專業課程教師通過該設計方案所研發的系統可實現建筑信息模型技術輔助專業課程內容授課，也可以通過系統實現教學資源共享，為專業學生培養提供更好的教學平臺。

參考文獻：

[1]李雪，馬小軍，劉建峰.美國BIM教育及虛擬設計與施工課程設置概況[J].現代建筑電氣，2013（12）.

[2]楊勇，李友彬.國外BIM的發展及其對我國土木工程專業教學改革的啟示[J].高等建筑教育，2016（3）

[3]許福，屠夢成，李強偉，等.專業認證背景下土木工程專業BIM課程體系建設現狀與建議[J].土木建筑工程信息技術，2021（1）.

[4]武鶴，孫緒杰，魏建軍.面向新工科的土木工程專業改造升級路徑探索與實踐[J].高等建筑教育，2018（6）.

基金項目：安徽工程大學本科教學質量提升計劃項目“土建類專業課程BIM知識體系構建及教學系統方案研究”，項目編號：2024jyxm52。

（作者單位：安徽工程大學建筑工程學院）