BIM技术在高校虚拟仿真实验教学中的应用

肖忠　李婧　钱原铭

[摘 要] 将BIM（Building Information Modeling）技术应用在虚拟仿真实验中是高校教学的一种创新形式。通过汇总分析现有的基于BIM技术的高校虚拟仿真实验教学项目，并将BIM技术与其他绘图或建模技术进行对比，探讨了BIM技术在高校虚拟仿真实验教学中的优势和应用前景，得出BIM技术具有多方面的优势，更加适用于建筑工程相关专业的虚拟仿真实验教学。基于BIM技术的虚拟仿真实验将逐步融入课程体系，结合多种新技术打造沉浸式的教学场景，并在教学中体现多维度信息。

[关键词] BIM技术;虚拟仿真实验;高校教学

[基金项目] 2018年度国家自然科学基金项目“吸力桶与圆沉箱整体预制式新型离岸深水码头的稳定性研究”（51879187）;2020年度天津大学第四批校级虚拟仿真实验教学项目“基于BIM技术的沉箱重力式码头施工过程的虚拟仿真实验”（16）;2021年度天津大学第三批课程思政教改项目“水运工程施工技术与管理”（35）

[作者简介] 肖 忠（1983—），男，山东菏泽人，博士，天津大学建筑工程学院副教授（通信作者），博士生导师，主要从事港口、海岸和近海工程研究;李 婧（1998—），女，辽宁抚顺人，天津大学国际工程师学院2020级土木水利专业硕士研究生，研究方向为港口、海岸和近海工程;钱原铭（1986—），男，河南郑州人，工学硕士，中交第四航务工程勘察设计院高级工程师，主要从事BIM技术研究。

[中图分类号] G434 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）11-0005-04 [收稿日期] 2021-08-22

引言

BIM（Building Information Modeling）技术是以三维数字技术为基础，将工程中几何、物理、性能等信息集成并进行分析及模拟的技术，最终可形成用于项目设计、施工、运维等全生命周期的可视化数字模型[1]。

近年来，BIM技术在土木、水利、交通和海洋工程等行业中的应用越来越广。2019年4月，人社部发布“建筑信息模型技术员”这一职业，意味着市场对BIM人才的需求量正处于爆炸式增长阶段，这也对BIM人才培养的速度和质量提出了要求。高校是为社会输送和培养专业人才的基地[2]，如何将BIM技术融入高校教学系统是培养BIM人才的关键所在。

一、虚拟仿真实验教学的发展现状

BIM技术与教学的融合可采用建设基于BIM技术的虚拟仿真实验平台、开设BIM技术相关教学课程、在课程设计中应用BIM技术等多种方式。其中，开设虚拟仿真实验可大幅度提高教学质量，对教师的BIM软件操作能力要求不高且便于学生理解，最易被学生接受。但目前各高校的BIM科研水平远超其教学发展[3];已建设基于BIM技术的虚拟仿真实验平台或项目的高校较少，且都处于探索和尝试阶段;现有的基于BIM技术虚拟仿真实验大多集中于施工学科，没有体现出BIM技术贯穿项目全生命周期的作用。

虚拟仿真实验教学将信息技术与专业教学进行了深度融合，可推动高等教育信息化的建设，是高校实验教学的发展趋势之一[4]。2013年8月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心的建设工作，以丰富信息化教学资源[5]。2018年6月，教育部开展国家虚拟仿真教学项目建设工作以适应教学方式在信息化条件下的变化[6]。2020年12月，世界慕课大会虚拟仿真分论坛举行，多国专家分享了虚拟仿真融入教学的相关经验。依托相关政策及各高校自身优势学科的建设，我国高校虚拟仿真实验教学的建设工作已开展。

基于BIM技术的虚拟仿真实验平台，利用BIM技术的组件化实体建模方式能够更加便捷准确地进行建设工程的三维建模，使模型中的多场地变换更为简单，能够在时间、空间、信息三种维度上向学生直观展现建筑物的组成信息，以及各阶段的施工過程和技术信息，甚至运维期的管理，可涉及建筑物全生命周期的建造和管理信息，通过这种虚拟仿真教学实验，学生可对专业领域工程的建造和管理信息进行多维度、全尺度、360度视角和全生命周期的观摩和学习，是土木、水利和交通工程类学科虚拟仿真实验教学的重要发展方向。

二、BIM技术应用于虚拟仿真实验教学的意义

（一）作为传统教学方式的改革和延伸，可提高教师的教学质量

实地观摩实践工程项目具有条件限制、经费约束、安全风险等特点，且一般往年参观学习的项目施工过后就不再适合再次观摩学习[5，7]。搭建基于BIM技术的虚拟仿真实验教学平台，一方面加深了课堂讲授概念与实际工程实物的关联，使概念名称三维形象化、实物化;另一方面学生能将现场隐蔽部件和大型构件看得真真切切、一览无余。

（二）使学生更加深入和形象地了解项目的全生命周期

可解决学生无法通过简短的现场实习了解项目全生命周期的问题，满足土木水利类等专业实验、实践教学在时间及信息维度上的需求。学生按照实验步骤掌握工程施工全过程的各工序的名称和逻辑顺序，并能结合BIM模型构建三维虚拟施工场景，在看似搭积木的操作中感受到虚拟仿真实验的乐趣和作为工程师的成就感。

（三）搭建学生与前沿技术之间的桥梁

BIM技术将更好地还原工程项目的实际状况，还原国家重大工程项目的复杂程度。通过建立基于国家重大建设项目案例的BIM虚拟仿真实验，可以实现实验教学与国家重大建设项目的无缝接轨[8]。

（四）促进BIM技术在高校中的应用与融合，培养专业人才

BIM技术在我国建筑行业已经从初步认识进入系统应用阶段[3]。学生尽早接触BIM技术，可为今后利用前沿技术辅助工程设计打下坚实的基础。教师也会加强BIM技术的学习，思索如何促进BIM技术和教学的深度融合，增强教学展示效果。

（五）响应绿色建筑、智慧城市的建设

通过教学与BIM技术的融合，引导学生理解绿色建筑、智慧城市的概念，将会提升我国未来工程建造的水平，使我国的工程建造水平朝着节能环保、智能高效的方向发展。

（六）支撑后疫情时代的线上教育

通过虚拟仿真实验平台，学生和教师可随时随地进行线上交互操作和练习，有力地支撑了在线实践教学稳定、有序、高质量的开展[9]。

三、基于BIM技术的虚拟仿真教学项目现状分析

（一）基于BIM技术的虚拟仿真教学项目建设现状

2018年6月，教育部认定了105个首批国家虚拟仿真教学项目，至今已认定两批共401个项目，并在国家虚拟仿真实验教学课程共享平台（实验空间，http：//www.ilab-x.com）上进行了资源共享[10]。目前该网站上已有2079个项目进行共享，其中基于BIM技术的虚拟仿真实验仅有4个，并均专注于BIM技术在工程项目中某一阶段的应用，实验类型以可视化认知类实验、仿真交互操作类实验为主或二者结合为主[11]。此外，部分高校也积极进行校级虚拟仿真教学项目的建设，为申请国家级虚拟仿真教学项目做准备，如天津大学立项了“基于BIM技术的梁板式高桩码头施工过程的虚拟仿真实验”和“基于BIM技术的沉箱重力式码头施工过程的虚拟仿真实验”，并已在教学中应用。

在建筑行业信息化推广的大背景下，可见我国高校已陆续开始进行教育信息化、智慧化的创新和改革。目前，各实验均集中于BIM的施工模拟功能，而对其他功能应用较少;学科多集中于交通类、土木类、水利类等专业，而工程管理类和建筑类等其他与BIM技术相关的专业还没有建立相关项目。除BIM外，还应用了多种技术以实现实验平台的建立。

（二）BIM与其他繪图或建模技术的对比分析

BIM技术相关软件有Revit系列、Bentley系列等，其使用目的在于参与建筑项目的全生命周期，包括方案设计、施工运维等，并附带可视化功能，而CAD技术大多用于设计阶段的成果展示及施工阶段的依据，以Untiy3D、3ds Max等软件实现的3D仿真技术仅可用作三维或动画展示环节。

在表现形式方面，BIM技术可表现为带有建筑各方面信息的BIM 3D模型、关联进度信息的BIM 4D施工模拟模型或关联进度和成本信息的BIM 5D成本控制模型，而CAD往往以带有建筑符号或表示的点、线、面二维平面图纸传递信息，以Untiy3D、3ds Max等软件实现的3D仿真技术仅展示建筑信息的三维可视化模型或动画，并不包含建筑的相关信息。

在建模方法方面，BIM技术使用数据信息库的基础构件、模块组合进行建模，而CAD建模则需要先利用绘图工具绘制基本图形，以Untiy3D、3ds Max等软件实现的3D仿真需要利用简单的几何模型组合建模，并采用渲染效果。

在工作模式方面，BIM技术能形成工程各阶段的串联并实现各参与方协同参与，甚至可以进行空间碰撞检查及成本管理核算;由于参数的关联性，利用数据的自动适配使设计更改和优化变得更加方便。CAD应用于设计环节，由设计方绘制二维图纸并交给施工方，能形成串联但不能实现各参与方的协同参与。以Untiy3D、3ds Max等软件实现的3D仿真技术，同样由设计方绘制及向各参与方进行展示，不能形成各参与方的协同参与。

由此可见，BIM技术在表现形式方面能够兼顾时间及造价等信息;在建模方法方面，采用更适用于建设工程的组件化的实体建模方式;在使用目的方面，更适用于建设工程和项目;在工作模式方面，可实现设计、建造和运维管理一体化，简化了工作流程，提高了工作效率。BIM技术具有CAD或其他3D仿真所没有的优势，更适合建筑工程相关专业的虚拟仿真实验教学。

四、BIM技术在虚拟仿真实验教学中的应用前景

（一）逐步融入课程体系

随着BIM技术的逐渐普及，高校中相关课程体系也会逐步融入BIM技术，制定相关教学目标，越来越多的高校会将其引入课堂。与专设一门课的实现方式相比，各高校可以将BIM技术进行分解，利用其不同功能与各个专业进行内容整合，并建立虚拟仿真实验平台[12]。

（二）结合多种新技术，打造沉浸式教学场景

仅通过BIM技术很难达到既内容丰富，又简单易操作的使用目的，甚至会增加教学难度。在虚拟仿真实验的开发过程中，BIM技术将与VR、AR等不断涌现的新技术相结合，相辅相成地提高教学质量，这也是未来基于BIM技术的虚拟仿真实验的主要发展方向之一。

（三）在多学科教学中应用多维度信息

未来BIM技术在虚拟仿真实验中也将适用于更多的学科和教学环节，如工程管理类专业的成本造价管理，交通运输、水利工程等专业的铁路、地铁、港口和水电站等的运营管理，等等。

结语

随着经济社会和建筑行业的发展，BIM技术作为一种计算机辅助设计技术在建筑市场中也呈现出燎原之势，高校能否快速推广BIM技术在教学中的应用是高校BIM人才培养和进一步提高高校建筑工程类相关专业教学质量的关键。

目前BIM在高校中的融合应用还处于起步阶段，各高校应结合自身情况，落实建筑信息化与教育信息化方针，积极将BIM融入课程体系，充分利用BIM进行虚拟仿真实验教学，发挥BIM技术的优势及价值。

BIM在表现形式、建模方法、使用目的和工作模式上都具有CAD或3D仿真等技术所没有的优势，也更加适用于建筑工程相关专业的虚拟仿真实验教学。基于BIM技术的虚拟仿真实验将朝着逐步融入课程体系，结合多种新技术打造沉浸式教学场景，并在多学科教学中应用多维度信息的方向发展。

参考文献

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[5]柳洪洁，宋月鹏，马兰婷，等.国内外虚拟仿真教学的发展现状[J].教育教学论坛，2020（17）：124-126.

[6]教育部.教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知：教高厅函〔2018〕5号[A/OL].（2018-05-30）[2021-08-07].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201806/t20180607_338713.html.

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[10]实验空间—国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台[Z/OL].（2020-12-13）[2021-08-08].http：//www.ilab-x.com.

[11]邓友生，刘娟，张晋，等.BIM土木工程虚拟实验室建设探索[J].实验室科学，2017，20（1）：178-181.

[12]黄虹，李祥，何秋凤，等.BIM在高校中的推广应用研究[J].教育教学论坛，2020（3）：235-237.

The Application of BIM in Teaching of College Virtual Simulation Experiments

XIAO Zhong LI Jing QIAN Yuan-ming

（1.School of Civil Engineering， Tianjin Univeristy， Tianjin 300350， China; 2.Tianjin International Engineering Institute， Tianjin 300072， China; 3.CCCC-FHDI ENGINEERING CO.， LTD， Guangzhou， Guangdong 510000， China）

Abstract： The application of BIM in virtual simulation experiment is an innovative form of college teaching. The existing teaching projects based on BIM have been investigated and analyzed. The advantages and application prospects of BIM in college virtual simulation teaching are discussed. It is concluded that BIM has more advantages in various respects. BIM is more suitable for virtual simulation experiment teaching of construction engineering. Virtual simulation experiments based on BIM are integrated into the curriculum system. The virtual simulation experiment based on BIM will be gradually integrated into the curriculum system. We combine a variety of new technologies to create an immersive teaching scene and reflect multi-dimensional information in teaching， combined with new technologies to create immersive teaching scenarios， and reflect multi-dimensional information in teaching.

Key words： BIM; virtual simulation experiment; college teaching