基于BIM 技术的“市政工程识图”课程教改研究

王鸿斌，任旭，万俐，黄进，曾丽

（成都大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610106）

1 研究背景

1.1 课程教学实践现状

“图纸是工程师的语言”，识读施工图是工程技术人员必备的基本技术，识读能力反映了对施工图理解和实施的水平。“市政工程识图”课程以市政工程项目为载体，进行识读训练，通过训练学好该课程，为后续课程学习打下良好基础。施工图的基本识读能力，即掌握施工图的基本知识，能正确识读构筑物图纸，理解设计意图，并能对施工图进行校对审核，从中发现图纸的问题。“市政工程识图”课程为成都大学建筑与土木工程学院工程造价系必修课，主要包括给排水工程识图、道路工程识图、桥梁工程识图、隧道工程识图及城市轨道交通识图5 部分内容，其授课图纸主要采用AutoCAD 施工图纸。在课堂教学过程中存在以下不足：学习市政工程中构筑物，比如桥面和桥墩配筋识图要求学生有较强的逻辑思维能力、理解能力以及分析能力，现授课素材为二维的CAD 图纸，需要同学结合构筑物图纸的立面图、平面图和侧面图通过空间想象构建实体模型。经实践教学及调查发现，学生对构筑物内部构造难以想象理解，导致学生对课堂学习缺乏积极性，部分甚至存在抵触心理；教师面临繁重的教学任务，仅凭构筑物二维CAD 图纸难以解说构筑物的内部构造及钢筋分布及配置。因此，为了改善现有教学困境，借鉴其他相关专业课程的教学改革，在该课程教学中引用三维BIM 技术就显得尤为必要[1]。

1.2 BIM 技术发展现状

BIM 为Building Information Model 的缩写，其概念由EASTMAN 教授在20 世纪70 年代提出。经过多年发展，BIM 技术逐渐渗入工程设计、施工、运营等建设的整个生命周期，如图1 所示，它是一种三维可视化的方法，摒弃了传统二维绘图的局限。与西方发达国家相比，中国BIM 应用起步相对较晚，但近年来，国内BIM 关注度呈井喷式上涨[2]。各级政府、建筑企业对BIM 技术人才和管理人才要求不断提升，国内高校致力于BIM 技术研究以及应用人才的培养。近几年，基于BIM 的教学改革研究及实践已在建筑类相关专业课程中初露头角，现有的改革仍在初期阶段，仍处于借鉴西方等发达国家单一课程或交互教学模式。例如成都大学主要以选修课、专家讲座、企业实习等形式普及和强化BIM 技术知识。在课程融入BIM 技术教学过程中最常用的是用生动形象的3D 模拟图替换PPT中死板枯燥的2D 平面图，就“市政工程识图”这门课而言，相对建筑或土木工程技术较为薄弱的学生，可以直接清晰地认识构筑物内部构造，比如桥梁、桥墩中钢筋的种类和分布等，便于造价专业对工程量精准统计[3]。由此可见，课程中融入BIM 技术不但可以将教学内容形象化，利于学生理解，还可以为课堂注入新活力，激发学生学习BIM 的热情和兴趣。

2 基于BIM 技术课程教改的作用及意义

2.1 认知BIM 的主要特征，打造应用基础

BIM 具有模型可视化、作业可协调性、对象可模拟性及标准可转化性等主要特征，其可通过数字化形式无形地传递系统化的数据方案，并关联实体对象，实现全生命周期的数据共享，协同作业，如图2 所示。具体表现如下：①模型可视化。通过BIM 的运用可实现项目全过程的可视化，不仅可在图纸设计中，还可在施工运维等不同阶段均做到模型的可视化，使项目在信息的传递过程数据、信息可视，为建筑类等项目助力。②作业可协调性。BIM 具有协调功能，可以产生统一的协作意见并实时将信息传给各方，实现设计方、施工方、运维方协同处理，并记录协同处理进度和结果，方便各方跟进、确认。当构筑物部件与部件之间发生碰撞时，具备协同修改作用。③对象可模拟性。通过BIM 对需建设的构筑物进行不同维度的模拟，根据模拟效果可知晓构筑物自身拟存在的问题以及待修改的内容。另外，可对不同生命周期的活动（施工、检测、招投标及计量等）作出模拟，进一步达到推进项目开展，促进项目成本节省等作用。④标准可转化性。BIM 软件在设计构筑物时可选择采用工业基础分类标准（Industry Foundation Classes，IFC），目前该标准被国际标准组织所认可，因此，在授权范围内可通过技术手段进行数据交互读取IFC 格式输出的数据并转化为软件支持的协议标准，从而实现标准的可转化性。

通过课程和BIM 的结合，可使同学进一步了解BIM 的主要特征，为解决实际工程问题提供基础。

2.2 增加学生感官认识，提升教学效果

市政工程包括道路、桥梁、隧道、城市建设等工程项目，这门课针对工程造价本科生开设。应用BIM模型，可以直接服务于市政工程的各个环节，对信息数字化的信息进行协同、优化部署，保证信息的实时性和准确性，提高管控效率。

在展示BIM 模拟市政工程构筑物时，可构建一个空间和时间维度的3D 模型，如图3 所示，让学生更直观和准确地了解构筑物施工过程，并结合施工方案、计划、资源配制以及进度管理全过程分析系统内参数，进行模拟运算以及施工调整方案等，进而达到资源的最大化配制。对于工程造价的学生更关心物料、设备的配制。道路、桥梁或隧道的施工通常会使用上万甚至几百万个物料部件，物料的计量运算对造价师是一种考验。运用BIM 物料设备管理模块，可从时间和空间上打破对物料设备信息统计的约束，还可实时跟踪信息传递，达到不受时间节点限制。

图3 市政工程中部分BIM 可视化图

市政工程识图以构筑物的AutoCAD 识读为主，其目的是让学生熟练认识构筑的外形、尺寸、属性信息。传统的教学案例比较独立零散，不易于学生对施工全过程的把握，通过构建BIM 施工案例，将BIM 融入市政工程识图中，以三维可视化模型观察和分析构筑如内部结构和布置，使得学生沉浸至每个施工场景，从而增加学生感官认识，不仅提升构筑物识读质量和效率，同时可培养学生创新意识和实践能力。

BIM 的可视化采用三维立体构筑物代替传统的二维线条式构筑物，能够更清晰地展现构筑物整体结构以及内部构造。通过模型中参数可使学生更加清晰地了解构筑物的几何、材料和逻辑信息。比如桥梁、桥墩中混凝土标号、钢筋种类、钢筋数量、钢筋位置等，这样一来学生潜移默化中形成构筑物的空间结构，不但提升了教学效果，还增强了学生用知识解决实际问题的能力。

3 基于BIM 技术课程教改的实践措施

3.1 BIM 纳入CAD 课程教学

在过去的30 多年，CAD 在市政工程建设项目中发挥了重要的作用，现阶段CAD 相关课程教学仍是国内高校开设的专业基础课程[4]。面对BIM 技术的兴起，CAD 及相关课程成为BIM 教学改革的切入点。首先，开展BIM 基础课，使学生对BIM 基本概念和应用有初步认识；然后，在CAD 制图课程中植入Revit 教学，立足CAD 基础，促进BIM 发展，相对CAD 而言，其不但包含图形几何信息，还包含图形参数和构造参数信息，通过CAD 二维图纸和BIM 三维实体进行紧密联系来培养学生的空间想象力和逻辑思维能力[5]。教学中可围绕CAD 和BIM 的安装方法、操作界面、对象编辑命令等相似之处，采用类比教学法促进学生从CAD 向BIM 的过渡和转变；最后，可以CAD 为基础，建立BIM 思维，通过将二维平面图转化为三维的可视图，锻炼学生空间想象及构造力，同时让学生认识到设计人员成果的交付，不仅局限于一张张图纸，还需交付一个可用ⅤR 眼睛观看的虚拟构筑物，让学生能全过程了解市政工程从CAD 绘图设计到BIM 建模完成的步骤和流程。

3.2 建立BIM 实训平台

建立BIM 实训平台，直接将机房作为授课实训地点，课前教师制作好各构筑物的三维模型；课上多视角全方位展示，对知识点进行详尽解析；课后布置作业以巩固学生掌握内容。考虑成都大学为应用型本科院校，造价类专业学生基础薄弱，教师应引导学生运用画法几何与工程制图等相关理论来使用Revit 软件绘制构筑物的三维模型，培养学生绘图能力和实践动手能力。同时，教学中应加强校企合作，邀请工程经验丰富的BIM 设计专业人员参与课程建设，以实际工程案例为背景，进行BIM 的实训操作，使学生能近距离地接触到未来工作中的相关工程绘图或计量标准和要求，这也将较大程度地增强学生学习的热情和主动性。另外，可将BIM 建设设计引入造价工程专业的课程设计、生产实习和毕业设计中，进而达到学以致用，融会贯通的目的。

3.3 BIM 课程师资培养

目前校企合作、产教融合中普遍存在一种问题，“双师型”师资培养模式不够成熟。为适应教学需求，应对课程教师进行专业的师资培训，打造“双师型”教师培养，在培养过程中开展校企合作。通过深入企业跟工程经验丰富的BIM 工程师学习交流，将经典的工程案例纳入教学案例，增加教学的多元性。并开展BIM 相关技能培训，尤其是软件操作方面，通过实训积累经验提高业务水平。鼓励教师申报课题，纵向研究、横向拓展，在实际项目中增加经验，不断学习和研究BIM 技术，从而提高教学水平。同时建议教师参与各类BIM 技能大赛，通过和学生共同参赛，或以指导教师身份参加，进一步督促教师对BIM 技术软件的学习和应用，提升课程教学综合能力水平。

3.4 课程引入BIM 元素

通过前期学习，学生掌握了BIM 的基本理论，熟悉了建模软件的简单操作。在“市政工程识图”课程教学中引入BIM 元素，运用Revit 软件构建模型、渲染、施工图展示、工程量表明细等基本操作，直观清晰地表现所讲授构筑物的整体结构和构件之间的关系。以混凝土桥梁结构为例，通过Revit 构建模型，能直观地表达其盖板、主梁、系梁、桥墩等构件的相对位置及荷载关系，明确构件中钢筋的种类、数量、位置等。这样一来，不仅可提升教学质量，而且可激发学生的主观能动性。为了达到更好的教学效果，可加强课程教学师资队伍建设，适应新课程的教学要求，保障教改课程的教学质量。

4 总结

“市政工程识图”是一门比较抽象难教的课程，在课程中融入BIM 三维可视化模型，能够清晰地展现构筑物整体结构以及内部构造，使学生潜移默化中形成构筑物的空间结构，增加学生感官认识，提升其对构筑物识读质量和效率；更清晰地了解构筑物的几何、材料和逻辑信息等，不但提升了教学效果，还可增强了学生运用知识解决实际问题的能力。通过教学改革，一方面可激发学生的主观能动性，改善教学实践效果；另一方面，也可培养学生的空间想象力和逻辑思维能力。