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    基于BIM,的土木工程制图课程改革探索与实践

    时间：2023-02-22 18:20:05来源：百花范文网本文已影响人

    王 丹，袁 媛，吴艳华，沈 宁

    （陆军工程大学 国防工程学院，南京 210007）

    BIM（Building Information Modeling）又称为建筑信息模型，是以三维数字技术为基础，集成建筑工程项目各种相关信息的工程数据模型，是对工程项目相关信息的详尽表达。建筑信息模型是数字技术在建筑工程中的直接应用，以解决建筑工程表达中的描述问题，帮助设计人员和工程技术人员能够对各种建筑信息做出正确的应对，并为协同工作提供坚实的基础。

    BIM 技术融入土木工程制图课程，可以帮助学生快速建立起空间关系，有效解决学生二维投影图识读能力有限的问题。学生通过对建筑三维模型进行动态观察，从全方位的角度来了解整个建筑的情况，顺利实现二维工程图样与三维建筑实体的完全对应。课程改革一方面可以降低工程图学课程的学习难度，提高学生对工程实践的理解与领悟；
    另一方面也符合当前土木工程领域的发展方向，并且为后续专业课程学习中BIM 技术的深度应用奠定基础。

    （一）课程分析

    土木工程制图是面向土木大类专业学生开设的一门学科专业基础课程，主要研究土木工程中建筑物、构筑物在平面上的表达，即投影理论、国家标准及其图形表达方法的一门课程。通过本课程的学习，使学生系统地获得制图与识图的基本知识，掌握阅读、绘制二维工程图样的方法。图纸是工程师的语言，本课程是土建类专业学习后续专业课程的技术基础。

    课程通过生活中常见的工程案例讲述建筑施工图、结构施工图和设备施工图的阅读与绘制。工程案例是实实在在的三维建筑，但课程提供的是二维的工程图纸，学生需要借助二维图纸充分发挥自我的空间想象能力，完成与三维建筑实体的对应，从而深刻理解图纸所要表达的全部信息。课程对学生的空间想象和思维能力要求很高，并且与工程实践结合紧密。

    （二）学生分析

    土木工程制图课程授课对象为土木类本科二年级学员，刚刚结束基础课程的学习，尚未接触相关专业知识。这个阶段的学员对自己将要从事的专业充满了好奇，但又对自己的专业不甚了解，缺乏相应的工程意识。学员虽然前期已经完成画法几何课程的学习，掌握了工程图纸表达的基本投影理论和方法，但在长期教学实践中发现，大部分学生对于二维工程图纸的识读能力仍然有限，尤其在一些细部构造方面，尚无法将二维工程图与三维建筑实体完全对应。这种识图能力的不足，必将为后续专业课程的学习带来隐患。

    采用什么方法可以提高学生的空间想象和思维能力，从而培养他们的空间意识和工程意识？教员适时地引入三维立体建筑模型无疑是帮助学生深刻理解二维工程图纸、提高工程素养的良药，但这种方式也是有效而短暂的，当学生离开了教员提供的三维模型又将重新陷入苦恼之中。“授人以鱼不如授人以渔”，可否在课程学习的过程中引入一款合适的建模软件？教员在讲授二维工程图纸阅读的同时融入三维建模，一方面学员可以通过自己创建的三维模型检验自己对二维图纸的理解，另一方面学员在无形之中也掌握了一项新的技能。

    （三）BIM 技术的启示

    在传统的工程设计模式下，建筑设计的不同阶段和不同专业之间的沟通和衔接都依赖二维工程图纸进行。二维图纸表达三维建筑形体的局限，以及不同设计人员对二维图纸理解的偏差，造成设计人员之间沟通不畅，专业之间配合不紧密，存在大量的冗余工作等问题，以致设计人员将大量的精力浪费在读图绘图上。基于三维表达的BIM 技术从根本上解决了传统工程设计中存在的问题，并将协同设计的思想融入到整个设计的全过程中。

    自BIM 技术诞生以来，因其具有体现工程全寿命周期设计的巨大优势而在土木工程领域得到迅猛发展。2011年5 月，住建部发布《2011—2015 年建筑业信息化发展纲要》，从而拉开了建筑信息模型技术在土木工程行业应用的序幕。各地政府也纷纷出台了一系列政策鼓励、推动和深化BIM 在工程建设行业中的应用。政府的导向性表明，BIM 的应用即将迎来井喷式发展。

    为了适应建筑行业对BIM 技术人才的需求，国内外很多高校对土木工程专业的相关课程进行了改革。美国斯坦福大学、加州理工大学和佐治亚理工大学等都已开设了BIM 相关课程。国内高校也在陆续将BIM 技术的相关知识纳入学生培养方案并作为一个重点培养方向。2009 年清华大学首次在计算机应用课程里设置了BIM 课程；
    2013 年哈尔滨工业大学在国内高校中首次开设BIM 技术应用课程。

    从课程设置模式来看，独立课程模式是最容易开设的，不需要考虑和他人的协同工作，可以独立在课程中讲授BIM 相关的知识。但这种模式涉及到BIM 的内容是片面的，不能与其他课程形成紧密的联系，只是把BIM 作为一个提高绘图效率的工具教授给学生，BIM 的优势得不到充分体现。美国怀俄明大学在制图课程中融合与课程相关的BIM 知识，通过BIM 软件学习如何建模，帮助学生快速建立起空间关系；
    并通过对建筑三维模型进行动态观察，从全方位的角度来了解整个建筑的情况，有效解决了学生二维投影图识读能力有限的问题。从怀俄明大学总结的经验来看，将BIM 融入到课程中更为有效。因此，融入BIM技术，在建筑信息化背景下对土木工程制图课程改革是大势所趋。

    融入BIM 三维表达模式，不是将其作为一个单纯的建模软件传授给学生，而是要将BIM 的三维设计化理念与课程相关内容融合，引导学生用更直观、更形象的三维信息化模型实现工程项目的表达，替代传统的以二维工程图样表达三维建筑形体的表达模式（图1）。因此，基于BIM的土木工程制图课程改革，将从内容体系、教学内容、教学模式及考核评价方面进行一系列改革。

    图1 教改基本思路

    （一）内容体系改革

    传统的土木工程制图内容体系是以“二维工程图识读为主，计算机绘图为辅”。基于BIM 技术三维图形软件的出现，改变了传统的工程设计表达思路。将BIM 技术纳入土木工程制图课程体系，在学生所需掌握的核心知识中增加BIM 环节，创建“以三维建模为重点，计算机三维绘图为主线，工程思维为核心”的内容体系，以适应未来行业发展的需要。（BIM 技术的支撑软件有多种，本课程选用目前工程界大多数选用的REVIT 软件作为课程改革支撑软件）。

    以建筑施工图部分的讲述为例，在传统内容体系里，教学以一栋住宅楼为例，依次讲述总平图、平面图、立面图和剖面图，所有讲述均基于二维工程图纸进行。在讲授的过程中，教学生依次认识门窗、墙柱等构配件，并分别介绍其在平立剖图样中不同的表达形式，以及具体的绘图要求。学生需要通过教员的讲解，结合自己的空间思维能力去思考图纸的描述与建筑实体的对应关系，学生空间想象能力的不足常会导致理解的偏差。

    引入REVIT 软件以后，在平面图部分，学生在基本了解图纸表达信息的基础上，完成建筑的初步模型，并结合软件工具可以拓展认识建筑构配件的表达。比如，学生在图纸中只能看到一种或者几种窗户，了解这几种窗户的表达；
    而REVIT 软件中窗户族有成百上千个，学生的眼界被打开了。在立面图部分，学生通过REVIT 软件可以由模型自动生成立面，再与建筑立面图对比，及时调整建模的误差，并深刻认识建筑立面图的表达内容，初步实现二维工程图与建筑实体的对应。在剖面图部分，学生对建筑内部的认识不再仅仅局限于教材提供的几张剖面图，而是可以通过REVIT 三维模型工具任意去剖切建筑模型，全方位直观地了解建筑设计方案，使学生有身临其境的感觉，提高课堂教学的吸引力，加深对工程整体的认知（图2）。

    图2 教改前后内容体系对比

    （二）教学内容改革

    内容体系的改革必将带来教学内容的调整。传统土木工程制图课程教学内容由专业制图和计算机辅助制图两部分组成。专业制图主要讲述二维工程图纸的识读；
    计算机辅助制图是关于AUTOCAD 的软件培训，因学生尚未进入专业课程的学习，计算机绘图主要是以二维工程图纸抄绘为主。

    融入REVIT 内容以后，三维建模部分与二维工程图识读同步进行，教学过程以教材中的工程案例为牵引，将教学内容按项目要素分解为标高、轴网、墙、门窗和柱梁等若干部分，引导学生按照项目进展顺序依次掌握基本命令的使用方法，并同时完成项目要素的绘制和建模。学生一面学习建筑立体的建模，一面简单而又直观地利用建模工具协助完成二维工程图的识读。因此，专业制图部分的讲授不再以二维工程图样中建筑构配件的识读为重点，而是从建筑总体出发，着重建筑构成与功能，主要突出工程思维和协同设计的理念。学生在这个过程中，不仅是掌握一个辅助空间想象和工程认知的建模工具，而且是建立一个基于BIM 的工程项目设计的理念。

    由REVIT 软件创建的三维建筑模型，可以直接生成二维工程图纸，AUTOCAD 的功能被弱化，CAD 部分的内容可以大幅缩减。因REVIT 软件属于西方软件，由三维模型直接得到的二维图样与国家标准不能完全一致，所以只需介绍相关的编辑修改等命令即可。

    （三）教学模式改革

    课程教学内容的调整导致课程学时量不能满足教学需要，考虑到AUTOCAD 和REVIT 部分主要涉及软件的学习实践，采用混合式教学法实施教学。AUTOCAD 部分使用课程组成员录制的视频，REVIT 软件内容以中国大学MOOC 网在线课程BIM 技术基础-REVIT 建筑为基础实施教学（图3）。

    图3 视频教学资源及“雨课堂”教学日志

    采用学堂在线开发的“雨课堂”教学工具组织教学：课前，教员利用“雨课堂”向学生推送预习视频，学生利用课下时间观看，完成预习测试，并结合教员布置的课堂演示任务练习软件操作；
    教员借助“雨课堂”了解学生预习情况，以便于课堂针对性地讲解与教学。课上，利用“雨课堂”进行师生互动，包括学生汇报演示、教员补充讲解和实时评价测试等。课后，利用“雨课堂”发布作业和拓展学习资料等（表1）。这种教学模式一方面可以极大地提高课堂效率，弥补课程学时量的不足；
    另一方面可以实现师生多元实时互动和教学全周期的数据收集与评价。

    表1 基于“雨课堂”的教学全周期实施计划

    （四）考核评价改革

    鉴于课程实践教学任务较重，考核评价以30%的平时成绩+50%的实践作业成绩+20%的考试成绩综合评定。借助“雨课堂”工具可以实时收集学生课前、课中和课后的学习效果，避免了传统考核评价中平时成绩的主观臆断，同时极大地提高了学生的学习积极性（图4）。

    图4 学员课前、课中和课后的“雨课堂”反馈

    （一）调动学员的学习积极性

    课程教学实施过程中，学员兴趣的调动一定程度上决定了课程教学的成败。学生如果对课程内容缺乏兴趣，教学目标就很难实现。图学课程因对学生空间想象能力要求较高，对很多学生来说，这门课程都是一根难啃的硬骨头。在利用二维工程图纸表达三维建筑形体的过程中，学生空间思维能力的不足导致不能顺利地实现图与物的转换。将REVIT 软件引入课程体系以后，这种情况大为改观。学员利用自己掌握的建模技术，可以形象立体地创建跟二维工程图纸对应的三维模型（图5），有效弥补了个人空间想象能力的不足，又获得了掌握最先进技术的成就感。学生对课程的学习兴趣得到了极大提高，顺利完成学生的被动式学习向主动式求学的转变。

    图5 学生根据课程案例完成的三维建筑模型

    （二）提高学员自主学习能力

    REVIT 软件是一个功能非常强大的软件，涵盖的内容非常多，仅靠课堂上有限的课时无法完全掌握其功能。教员在教学过程中，借助网络平台提供了丰富的教学资源，并进行适时地引导。学生以兴趣为牵引，自主深入到对软件的深度学习中，在掌握了基本的建模技术以后，又积极探索族的制作，极大地提高了软件应用能力，也无意识之中提高了自主学习能力。还有一些学员经常会将网络上发现的教学视频资源与教员交流，真正实现了“教学相长”。朝夕相处中目睹学员能力的提升，也极大地激发了教员的职业自豪感。

    （三）增强学员工程素质

    基于BIM 的课程改革，不仅帮助学员直观地实现了二维工程图纸与三维建筑实体的对应；
    而且，在建模的过程中，学生通过对建筑形体及细部进行观察，增加了感性认识与体验，并且通过对不同类型建筑模型的对比，加深了对工程的理解和认知（图6）。有的学员反映，在建模的过程中，才发现生活中最平常的，与我们最亲密的建筑是这样的形式多样和丰富多彩，我喜欢我的专业，争取用自己的努力为这个世界增添一份美好。还有的学生在进行细部建模过程中，真正理解了建筑构配件的功能及各专业之间的协同与合作。这种基于工程的素养和意识，也必将为后续专业课程的学习奠定良好的基础。

    图6 学生自主完成的建筑模型

    （四）拓宽学员视野

    全国和江苏工程图学课程教学指导委员会每年举办大学生先进成图大赛，大赛的其中一项内容即为建筑信息模型创建和施工图的生成。课程教学改革以大赛为驱动，课赛结合，采用培训全体-激励多数-选拔优秀的培养模式，在近年的华东区和全国大学生成图大赛中获得优异成绩，并获得华东区三维数字建模项目团体一等奖，在所有参赛学校中只有三所学校获此殊荣。学生走出校门，踏上与同龄人竞技的平台，有效拓宽了学员视野。借助这种与同龄人交流的机会，学员一方面可以增强自信，另一方面也可以实事求是地定位和规划自己，从而获得后续专业学习的动力。

    （一）崭新的内容体系

    BIM 技术是完全摒弃了传统的二维设计方法，转而面向一种全新的三维全寿命周期设计理念。三维表达是建筑设计表达的回归。基于BIM 的土木工程制图课程改革并非对传统图学课程的更新和完善，而是从传统的图学教学逐步转入以BIM 技术理论为依托的融入式教学，创建了基于三维表达的崭新的工程图学内容体系。

    （二）先进的教学内容

    BIM 作为一种全新的理念和技术，是土木工程行业发展的必然趋势。在大数据和建筑信息化背景下，将BIM 技术纳入课程教学内容，实现了对传统图学教学内容的重塑与发展。既降低了课程的学习难度，又帮助学生加深了对工程的认知，逐步建立三维全寿命周期设计理念。

    （三）信息化的教学手段

    利用REVIT 建模软件，让学员由浅入深地进行空间思维和形象思维能力训练；
    再通过上机实践，逐步掌握基本的建模流程，使得信息化技术从教员教学辅助手段，实现向学员完成学习成果的表达工具转变。并借助“雨课堂”教学工具，将课前-课上-课后的每一个环节都赋予全新的体验，最大限度地释放教与学的能量，推动教学改革。

    （四）科学化的考核方式

    先进的教学工具可以实时监测学生课前-课上-课后的每一个教学环节，灵活的课前学习、快捷的课上测验和创新的师生互动等，为师生提高完整立体的数据支持，实现对学生的科学化全面考核。既有对结果的考核，也有对过程的监督，有效调动了学生参与教学的积极性和主动性。

    土木工程制图课程授课对象属于低年级学员，还没有开始专业课程内容的学习。所以基于BIM 的图学课程改革也只能以引入三维建筑模型为重点，基于BIM 的专业协同思想稍有涉及。基于BIM 的课程改革，应该是土木工程专业整个培养体系的变革，土木工程制图课程改革仅仅开了一个头，前方任重而道远。承载学员无限的信任和期盼的目光，作为教员，有义务也有责任将先进技术融入到教学中，让学生更好地接触技术前沿，最终实现为国家培养高质量工程技术人才的目的。

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