将BIM技术应用于土木工程专业实践教学的探索.pdf

安徽建筑 2 0 1 5年第 3期( 总 2 0 3期 ) D OI ： 1 0 1 6 3 3 0 4 c n k i 1 0 0 7 - 7 3 5 9 2 0 1 5 0 3 0 1 9 将 B I M技术应用壬 猩童 堂 E x p l o r a t i o n o f B I M i n t h e Ap p l i c a t i o n o f P r a c t i c a l T e a c h i n g o f C i v i l E n g i n e e r i n g Ma j o t s 崔建华 ， 夏珊 ， 丁克伟 ， 陈东， 刘运林 ( 安徽建筑大学 土木工程学院 ， 安徽合肥2 3 0 6 0 1 ) 摘 要 ： 土木工程专业实践是土木工程学科的本科教学活动中的重要 环节 。 如何提 高 实践教 学质 量是 当今 大环境下土木 工程 学科 面临 的严 峻 问题 。基 于 B I M 技 术的教 学应 用现状 ， 作者所在 的课题组对 土木 学 科 实践 体 系进行 优化研 究 ， 并且有针 对性地 革新教 改思路 ， 设立 网络 整合平 台， 并对其 改革过程及 战略 意义进行 了探讨 。 关键词 ： 土木工程专业实践； B I M 技术； 网络整合平台； 教改思路 中图分 类号： G6 4 2 文献标识码 ： C 文章编 号 ： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 4 5 - 0 3 1 慨述 土木工程专业实践是工科院校教学活动中贯彻理论联系 实际原则 ， 培养学生实践能力 、 营造工程现场氛围以及创造性 思维的必要路径。 通过专业实践， 学生或深入建筑生产前线， 或 面对设计命题， 将书本所学运用于结构设计， 这是一个课堂教 学的延伸、 巩固、 丰富的过程； 也是一个培养学生专业素质以及 运用所学解决实际问题能力 的好办法 ； 更是一个对学生进行 职 业规划、 职业操守、 社会责任感等综合素质教育的绝佳课堂。 下 图为土木工程专业实践教学环节体系一览。 随着“ 卓越工程师培养计划” 在我国工科院校的不断推行 ， 对土木工程毕业生的要求也已经由传统的“ 懂业务、 会技术” 转 向“ 精技术 ， 善经营， 懂管理” 的复合型人才。 传统的工程实践教 基金项 目： “ 面向安徽省高校土木工程专业建设及教学改革与实践研 究” ( 2 0 1 3 z d j y 1 9 3 ) ， 2 0 1 3 振兴计划安徽省重大教学改革研究项目。 作者简介： 崔建华( 1 9 6 3 一) ， 女， 副教授， 主要从事土木工程教学和科研 工作 。 学已经不能满足当下需要 ， 对于土木工程实践教学环节的革新 探索迫在眉睫。而在土木行业兴起的建筑信息模型( B u i l d i n g I n f o r m a t i o n M o d e l i n g ， 简称 B I M) 技术 ， 正可为实践教学改革搭 建有利平台。笔者所在课题组顺应国家和社会经济发展需要， 在改革现行实践教学方法上进行了将 B I M技术应用于实践教 学环节的探索， 下文将着重阐述。 2 土木工程专业实践教学环节现状以及存在 的 问题 土木本科教学阶段的三大实习、 各门专业课的课程设计与 毕业设计是不同阶段的实践课程 ， 在现阶段都各 自存在不同的 问题 。 2 1三大 实习方面 人数众多， 现场实习忙安全。 基于安全原因， 建设单位不 愿意接受学校集体组织的实习学生， 联系实习工地很难 ， 保证 实习质量更是难上加难。 实习现场效果不佳。 在实习中， 学生 只能查看工地基本资料 ， 再跟着大队伍被动地“ 走马观花” ， 还 是无法切身应用专业理论。教师自身专业素养不足， 考核方 式单一。 很多教师很少深入第一线， 现场无法深入讲解。 实习的 考核方式只是递交报告 ， 由指导教师评定成绩， 导致很多学生 可能抄袭同学的实习成果 影响学风甚至 日后从业的态度， 人 才培养质量难以得到保证。 2 2课程设计方面 连贯性不够。各门课程设计单独命题， 与其它课程的联 系不够， 学生对整个专业知识全局的把握认识较差 ， 不利于培 养全面综合分析问题的能力。 与实际脱节。 课程设计题 目一 般不考虑实际工程的复杂多变， 本质上就像一道大的综合计算 题， 学生就算认真完成课程设计， 仍然停留在仅仅是“ 会算” 这 个初级阶段。过分依赖软件。目前很多学生完成课程设计都 利用电脑软件 ， 简化了计算过程， 大大提高原有手算或手绘的 效率。本科阶段如果就依赖软件进行“ 傻瓜式” 设计 ， 学生对于 计算当中的假定、 参数以及结构的概念设计这些真正应该弄懂 的问题就会无心顾及 ， 专业教育的目的便无法达到。 2 3毕 业设计方面 毕业设计可以说是土木学生在大学里最后、 最长、 最综合 的一门课， 重要性不言而喻。除了存在课程设计阶段的一些共 性问题外， 还有如下一些问题： 开题盲目， 与专业培养 目标有 差距。毕业设计开始的时间就是大四最后一学期开学， 这个时 间段易和学生应聘 、 研究生复试、 公务员考试等事件冲突， 学生 为了省事选择较容易的题 目； 学生自我管理能力较差 ， 不能 合理分配时间。毕业设计很多过程依赖需要依赖计算机完成， l I - 一 教 学 研 究 安 徽 建 筑 一 2 0 1 5年第 3期( 总 2 0 3期 ) 安徽建筑 教 学 研 究 安 徽 建 筑 囵 而大四下的教学活动一般只有毕业设计和毕业实习， 很多学生 自 控能力差 ， 且不谈依赖计算机的坏处 ， 就算是该利用计算机 进行毕业设计的时间也没有把握好 ， 经常是窝在寝室通宵上网 打游戏， 最后不能及时完成设计任务， 要么敷衍了事 ， 要么参考 其他同学的成果， 这样当然起不到培养学基本技能和综合能力 的作用。 3 B I M 技术的教学应用现状 B I M技术是一门新兴技术， 其在建筑业的应用主要涉及软 件的研制和系统跟踪开发。 B I M技术的应用革新了传统土木行 业的施工、 设计方法和理论， 带来了新的理念。 它的主要特点是 可以连续、 即时高效地提供高品质、 可靠度高的有关项 目设计 草案、 设计成型方案 、 施工进度、 质量、 成本控制信息。 所有信息 及数据通过 B I M平台共享， 建筑、 结构设计师和现场施工管理 人员通过平台将工程项目全过程管理无缝连接， 这样可以实现 项目的精细化管理。与此同时。 B I M技术很多时候被用在施工 前期， 它可以无死角、 全方位模拟施工现场， 在施工前甚至是设 计初期就可以发现后期施工时可能出现的各种问题， 这样在设 计阶段就可以进行合理的规避处理。 这样的模拟进程在真正施 工时可以作为现场人员的实际操作方案， 进行人员、 材料、 工期 等资源最大程度的合理配置。 近年来， 我国逐步加快开展 B I M技术的应用研究， 针对不 断扩大的市场需求，高校和企业界响应市场号召，积极储备 B I M技术力量， 促进 B I M事业的发展。 清华大学、 同济大学等知 名大学在 B I M技术处理平台研究上进行了契合国情的探索 ； 部分高校采用 B I M来虚拟工程项目管理，更新工程项目管理 沙盘的开发模式； 有的高校基于 B I M， 进行集成化可持续的建 筑设计教学研究 ； 也有的高校以B I M为平台， 强化建筑工程造 价管理课程体系的实践能力培养；还有的高校直接将 B I M开 展成计算机课程， 将计算机课程教学与 B I M进行接轨等等。 综上所述，目前对于 B I M深入的研究及符合中国国情的 适应性改装 ， 成绩是喜人的。经过 B I M软件系统学习的学生明 显实践能力有所提升， 软件建模能力也优于以往。但从整个大 土木的课程体系上分析， B I M技术的强大功能效力显然还没有 完全发挥， 主要表现在以下几个方面。 部分高校已经做了很好的尝试 ， 如虚拟沙盘 、 造价体系 研究、 集成化建筑设计等， 但还是存在一系列问题 ， 比如模拟的 项 目比较简单， 不真实， 比如一个钢架、 一座小桥 ， B I M正是在 处理大批量的数据冲突时优势明显 ， 简单的项 目当然不能让同 学领略到 B I M的强大， 也不能让同学感受到实际工程的复杂。 我们应该将 B I M技术与实践环节进行充分的融合，直接模拟 真实工程， 将 B I M中展示的冲突与实际加以验证 ， 让学生在校 期间就积累起初步的工程经验。 有些高校仅仅为了让学生学会 B I M软件而开设 B I M课 程， 甚至在培养方案中将其列在计算机基础课程中。 其实 软件 是给人操作的工具， 为了辅助更好的工作 ， 大学四年时间宝贵， 为了学会软件操作而学习软件大可不必 ，而且也必将枯燥无 味，教学效果得不到保证。如将 B I M融入到实践教学等课程 中， 在学习专业知识时就不知不觉将软件操作加以熟练， 对于 学生的学习时间以及学校的资源配置方面其效果要更好。 另外 ， 从 目前来看仅仅运用在沙盘模拟 、 建筑设计等土 木行业的小分支， 模拟未成体系， 项目间衔接的全面性有待补 充， 而同学们在整个本科学习阶段最迷惘的应该就是学习与实 际脱离， 不知所学为何用。B | M技术对于本科教学最大的意 义 应该就是让学生能够跳过繁冗的实习过程便能亲临现场， 这样 单一的沙盘模拟肯定是无法完成的， 对此， 必须引入实践环节 进行系统化模拟。 4 实践教 学环节引入 B I M 技术的改革思路 土木工程是一个庞大的系统工程 ， 一个完整 的工程项 目包 含方方面面。如前述， 土木学科的实践教学环节存在着很多问 题 ， 将 B I M技术应用于实践教学中将具有很强的实际意义， 甚 至可能颠覆现有的教学模式 。 作为一种表现力强的虚拟现实技术， 研究 B I M技术在实 践教学中的应用， 将丰富教育技术学的理论体系， 也可以拓展 实践教学思维和教学理论。 在 自主学习层面上对学生提出了更高的素养要求。 无论 是收集过程中的分工合作还是基于资源的整合学习， 都对增强 学 生 自主协作学习的能力很有帮助。 B I M技术与实践环节进行充分的融合 ， 可以生动形象地 最大程度还原现场和过程控制， 使学生直观感受工程中的动态 变化， 能够身临其境地边学习理论知识 ， 边与实际相结合进行 巩 固理解。 本课题组对 目前土木工程学科的实习、 设计等实践教学环 节进行了深入的剖析 ，对土木学科实践体系进行整合研究， 并 且有针对性地革新教学思路， 建立联系平台， 具体思路如下。 首先 ， 开发基于 B I M技术的实践教学素材 ， 针对大一学 生普及 B I M软件知识， 大一期末的认识实习即可预备就绪。 基于 B I M技术平台制作完整的结构施工全过程动画， 让学 生参 与动画制作过程及 分享施工动画 制作成果 ， 在大 一学生 刚入门阶段进行通识教育 ， 不出校门便能了解专业课程 ， 解决 萦绕在大一学生心中“ 我学这个以后要干什么” 这个大疑惑。 在 以上工作的基础上 ， 认识实习的问题也会迎刃而解 ， 带着问题 去工地参观 ， 可以有的放矢， 事半功倍。 利用网络为实习整合平台， 设立土木： 程学院网络施工 模拟实验室。 在生产实习及毕业实习阶段 ， 利用网络为整合平 台， 采用 虚拟现实技术模拟即将去实习的工程图纸， 每班同学可以分为 若干小组 ， 小组成员每人负责一个工程子项 ， 通过网络上传 自 己的虚拟成果， 最终实现实习项 目预先虚拟四维施工。通过对 设计施工流程的了解 ， 提升学生的各方面综合能力， 实现专业 实践体系的有效整合。 待虚拟施工环节结束后 ， 按照小组利用课余时间， 由带队 老师带领前去工地实勘，可以按照工程进度分多次参观学习。 已经进行过施工全过程模拟的同学此时进场， 清楚的知道自己 哪里有疑问， 不同于传统的走马灯参观， 事半功倍 ， 在现场反而 不会过长时间逗留， 省却了教师及施工单位维护安全的烦恼。 在工地的每一次参观及深入学习归来后 ， 学生均可根据实 际施工经验总结及技术要点继续完善 自己的虚拟施 【流程， 另 外， 每个施工小组都有自己的子项分法， 故而全班同学做同一 ( 下转第 8 ) 页 ) I 1 1 雪 2 0 1 5年第 3 期( 总2 0 3期) 安徽建筑 虽 岩 土 工 程 与 基 础 处 理 安 徽 建 筑 圈 依据 建筑基坑工程监测技术规范 和基坑支护设计说 明 的要求， 本基坑设计为一级基坑， 监测的项 目有： 支护桩及边 坡水平位移监测； 支护桩及边坡竖向位移监测 ； 周边建筑 物及地表竖向位移监测。预警值设计为： 支护桩及边坡水平位 移预警值为桩顶 2 0 mm、 坡顶 2 5 m m( 累计 ) ； 基坑支护结构及周 边建筑物沉降预警值为 1 0 mm。 水平位移观测点沿冠梁每隔 1 5 m设置一观测点，同时考 虑一些特殊位置处布点， 以切实能够观测到支护桩及边坡的稳 定性 ， 又能体现出基坑支护变化特征 ， 且水平位移监测点与竖 向位移监测点为同一点。本工程共布设了 2 6个水平位移监测 点。 竖向位移监测点布设在周边建筑物最具有代表性的位置， 能全面反映建筑物的地基变形特征。 本工程周边建筑物布设竖 向位移监测点 1 1个，周边道路布设竖向位移监测点 1 O个， 基 坑支护桩及边坡布置竖向位移监测点 2 6 个 。 整个监测工作 自 在支护桩中埋设各类监测元件并测试初 始值开始， 至基坑土方回填结束， 历时共 9 个月。 基坑开挖期间 每开挖一层土石方监测一次， 基坑开挖完成后每 3 d监测一次。 地下室结构施工期间每 6 d监测一次。 从监测数据来看， 本基坑围护结构比较稳固， 基坑周期全 过程水平位移变形量较小， 变形趋势也平缓。水平位移变形量 最大的点为 l 2 点， 累计变化量仅为 1 0 m m。 竖向位移变化最大 的点也为 1 2 点， 累计变化量为 l mm。周边建筑物及地表道路 竖 向位移累计变化量也极小 ， 最大的点仅为 0 3 mm。整个监测 过程中基坑围护结构未出现塌方 、突变或预警等异常情况， 基 坑围护结构保持稳定的收敛状态。 6 结论 与建议 对于岩土复合地层条件下深基坑的支护应特别注意上 部土层和下部岩层在支护设计上的差异性 ， 特别是岩土交接面 处的处理方式 ， 采用吊脚桩并在桩底进行植筋锚固来锁柱桩脚 的方式是安全可行的， 相比较增加一道锚索锁脚成本更小。 根据场地地形 、 地质条件及周边环境因素 ， 基坑的支护 宜采用分段组合的支护方式 ， 在保证安全的前提下尽可能的降 低成本。 由于基坑支护设计的特殊性 ， 在基坑支护施工过程中应 充分的重视信息化施工， 及时的反馈设计单位开挖中的具体地 层信息， 由设计单位动态的调整支护方案。基坑的监测数据作 为基坑信息的一部分， 也应及时的反馈给设计单位， 达到深基 坑设计及施工的持续改进。 参考文献 【 l 】 J G J 1 2 0 2 0 1 2 ， 建筑基坑支护技术规程 s 】 北京： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 1 2 【 2 】 李宁宁， 等 上软下硬地层基坑支护型式 一吊脚桩支护结构分析 J 1 河南城建学院学报， 2 o 1 3 ( 2 ) 【 3 】 赵文强 上软下 硬复合地层条件下深基坑支 护设 计探析 J 】 隧道建 设 ， 2 0 1 4 ( 2 ) 【4 1 吴忠诚 ， 等 疏排桩锚 一土钉墙 组合支护 结构稳定 性分析 【 J 】 岩石 力学与工程学报， 2 o o 6 ( s 2 ) k- 业 I jkr j ， 壹 j 业j； t 夸 kr 坐 j - j 业 蕾 t 夸k一 宣 r j ， 9 | t ： I kr 9 j ： 业j 夸kr jk 业业坐 I 章j ( 上接 第 4 6页) 个项 目也不会有雷同的现象出现， 对后期成果的检验及成绩的 评定提供了很好的依据。杜绝了抄袭 ， 也保证了教学质量。 在网络施工模拟实验室中将实习所得继续深化， 通过化 整为零进行课程设计， 化零为整进行毕业优化设计 ， 建立交互 平台。 认识实习、 生产实习与课程设计相结合， 毕业实习与毕业 设计一体化， 将实习到的内容作为设计的前提和基础。通过设 计使同学能更加系统的掌握认识实习内容。对于低年级学生， 通过认识、 生产实习， 对即将进行的课程设计进行分类、 定向实 习； x q 于高年级生 ， 在毕业实习中， 注意结合 自己的毕业设计命 题 ， 把实习内容当成设计前期的现场调研 实习内容在毕业设 计阶段要有所体现 。 这里， 对交互平台的要求更高， 学生所有的实习和设计资 料都要在平台进行保存， 这种保存不是简单的存档 ， 要进行分 门别类的管理， 以方便学生查阅和修改。学生可以查阅自己的 实习及设计成果， 总结分析问题 ， 在学习阶段就能自觉形成善 于总结 、 再 学习 、 再认识提高的工程意识【 1 1。 可 以利用 网络平 台， 提高资料存档与取用的有效性 ， 将毕业设计与各门课程设计的 整体性与独立性有机体现。 学习成果采取网上提交和纸质提交 两种方式， 保证设计资料的万无一失与有效性， 同时也方便教 师给予各门课程的成绩。 学生还可以在交互平台上像专业论坛一样开设专门讨论 组， 发表讨论 自己实习当中的所见所得， 设计当中的所思所想 ， 整个学院的学习氛围也会浓厚而热烈 ， 学习效果比现在的分离 式教学要好得多。这样的资源整合贯穿学生整个大学时期， 让 学生总是不断地提醒自己， 专业知识在工程实际中的运用条件 和注意事项， 将 自己所学专业课程进行穿插渗透， 确保了教学 质量 ， 学生的综合素质和实践运用能力均能得到很大的提升。 5结语 在土木学科进行实践环节的改革是高校工科调整专业教 学计划的必然选择 4 1 。在我们设立的网络施工模拟实验室中将 三大实习进行整合 ，并通过交互平台化整为零进行课程设计， 化零为整进行毕业优化设计 1 。这一改革是对信息技术与课程 整合的一大补充 ， 并为教学提供了新的视角， 有助于学生对土 木学科系统化的理解， 这样对于培养复合型人才的工程素养大 有好处， 使他们真正认识到土木工程是团队合作的工程。 参考文献 【 l 】 聂忆 华 ， 王齐仁 ， 刘丽芳 土木工程专业 课程设计与毕 业设计 网络 整合模式探讨【 J 】 当代教育理论与实践， 2 0 1 2 ( 1 ) 【 2 】 杜书廷 土木专业学生就业 、 毕业实习及毕业设计一体化探讨【 J 】 中国电力教育 ， 2 0 1 2 ( 3 2 ) 3 】 王文静 ， 谢丹凤 “ 建筑施工” 课程教学改革探讨 J 中国电力 教育 ， 2 0 1 1 ( 3 1 ) 4 李炎锋，孙晓龙， 邢雪飞， 林欣欣， 刘闪闪 关于土木工程类专业本科 认识实习与毕业设计相结合的探索 J 教育教学论坛， 2 0 1 2 ( 1 )