基于BIM技術的巖石力學實驗教學課程改革研究

王述紅++劉婉婷++趙文

摘要：在當今信息時代的大背景下，BIM技術應用于土木工程施工實驗教學是教學發(fā)展的趨勢。筆者分析了目前土木工程專業(yè)本科及研究生實驗教學所面臨的困難，結合BIM技術在巖石力學實驗教學中進行了教學嘗試，并取得了較為明顯的教學效果。文章針對課程改革提出一種新的實驗教學模式，對提高學習興趣和創(chuàng)新能力，提高實驗教學效果，促進產學研有機結合具有重要意義。

關鍵詞：實驗教學；BIM技術；課程改革；土木工程

中圖分類號：G6420文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2016）04013705

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）在中國的應用目前處于起步階段。住建部在十二五期間建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要中提出，要加快建筑信息模型、基于網絡的協(xié)同工作等技術在工程建設中的應用，推動建筑行業(yè)信息化標準建設。因此，近年來BIM技術在國內發(fā)展迅猛，各大企業(yè)也掀起

學習BIM軟件的熱潮，將BIM技術逐步運用到工程建設中。為指導和推動建筑信息模型的應用，由住房和城鄉(xiāng)建設部研究制定的《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》于2015年7月發(fā)布。其中指出，到2020年末，建筑行業(yè)甲級勘察、設計單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業(yè)應掌握并實現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術的一體化集成應用。預計2020年末，在新立項項目（以國有資金投資為主的大中型建筑、申報綠色建筑的公共建筑和綠色生態(tài)示范小區(qū)）勘察設計、施工、運營維護中，集成應用BIM的項目比率達到90%。

在大環(huán)境的指導下，目前傳統(tǒng)的本科教學模式已經難以適應社會對人才的需求，近年興起的虛擬現(xiàn)實技術是一個很好的技術手段，已經逐步被應用于現(xiàn)代教育技術之中[1]，虛擬現(xiàn)實技術與BIM技術比較相近，但是BIM技術包含更加廣泛，BIM與其說是一種思想理念，不如說是一種工具，一種為工程建設虛擬建造、施工優(yōu)化的工具，更適合應用于工程建設和教學實驗中。

一、傳統(tǒng)實驗教學

（一） 費時費力

傳統(tǒng)房屋建筑學和土木工程施工等設計是本科土木工程專業(yè)教學的重要

內容，房屋建筑設計學生通過手繪或CAD繪圖等進行房屋各平立剖設計，形成一套圖紙，很難檢驗圖紙對應性和正確性，而且用時較大，耗費較多，對房屋的整體性和外觀很難控制。土木工程施工課程實驗等主要進行施工組織設計和施工進度控制，教學目標為應用手畫橫道圖進行進度控制，編寫施工方案，掌握擬定施工方案的基本方法，培養(yǎng)學生解決施工技術和組織設計問題的基本能力等，工作量較大，處理比較繁瑣[2]。

（二）靈活性較差

在當前的設計和實驗教學中，學生自主控制能力較差，部分學生難以理解三維實體用平面圖紙表征出來的效果，甚至沒有三維空間想象能力，難以本質上提高學生的認識能力。在目前的設計和實驗中，如果改變設計方案的一部分對整個設計和實驗有較大的影響，處理較為復雜。

（三）適應性較差

在傳統(tǒng)設計實驗中，每次實驗所產生的成果難以繼續(xù)應用和推廣（后期結構設計和力學分析等），只適用于本次實驗和設計，重復性工作較多，每次消耗勞動力較大，同時學生接受和理解的程度不高。教師檢查和修改較繁瑣，圖紙配套較多，容易發(fā)生錯漏，而且互相交流和溝通也不方便，難以達到教學要求。

（四）難以與大數(shù)據時代接軌

在當今互聯(lián)網+的時代，對本科教學提出了更高的要求，傳統(tǒng)本科實驗教學培養(yǎng)的學生已難以適應社會對人才的需求，二維圖紙和傳統(tǒng)設計施工理念跟不上大數(shù)據時代的步伐，特別是今年來，建設工程領域對BIM技術的需求增大，BIM技術人才短缺，急需將BIM引入教學，使學生盡快適應新技術的發(fā)展。

二、BIM技術應用于實驗教學的優(yōu)勢

BIM是以建筑工程項目各相關信息數(shù)據作為模型的基礎，進行建筑信息模型建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物的真實信息。它具有可視化、模擬性、協(xié)調性、優(yōu)化性和可出圖性等五大特點。BIM技術初期的建模較為容易，學生主要通過Autodesk公司下的REVIT軟件進行建模，為后續(xù)一系列應用提供基礎。

（一）技術新穎性

最近幾年BIM技術逐步在工程建設領域中應用，在主流傳統(tǒng)技術中脫穎而出，不僅吸引了各大公司，同時也對本科教學產生了巨大吸引力。在教學實驗中引入BIM，既可提高學生的學習投入熱情，也可全方位可視化地理解和掌握課程的綜合方面。它可以改善學生對課程的認識，比如：房屋建筑學通過BIM技術進行建模和表征，三維可視化展示，讓學生充分理解每一個細節(jié)部分；土木工程施工也可通過BIM技術進行虛擬施工組織設計和模擬施工建造，讓學生直觀感受施工過程中的錯誤和需要改進的工序；工程結構破壞數(shù)值實驗課程可通過BIM技術進行簡單的建模，將信息模型導入其他力學分析軟件中進行模擬破壞分析應用；巖石力學實驗課程中，可以通過巖體結構模型建模，模擬巖石在不同情況下的切割和破壞等。BIM技術的應用全面提高了土木工程專業(yè)教學水平。

（二）培養(yǎng)技術人才

目前，隨著BIM技術在國內的崛起，國家也開始大力推進發(fā)展BIM在工程建設中的應用，推出一系列指導意見和標準，為建設領域提供方向和指導。土建類專業(yè)就業(yè)形勢相對較好，隨著城鄉(xiāng)建設趨于平穩(wěn)，行業(yè)對人才需求量也逐漸飽和，常規(guī)的技術人才優(yōu)勢變弱[3]。BIM的大力發(fā)展導致技術專業(yè)人才匱乏，大部分公司缺少能懂BIM的技術人才。在本科實驗教學中培養(yǎng)學生的BIM技能，提高學生對BIM技術的初步認識，加強對BIM軟件的學習興趣，為畢業(yè)后學生在工作崗位中運用BIM技術打好基礎，在畢業(yè)應聘中具有競爭力和優(yōu)勢。

（三）提高學校競爭力

由住房和城鄉(xiāng)建設部研究制定的《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》于2015年7月發(fā)出后，各大企業(yè)公司掀起了一股BIM熱潮，同時他們對BIM人才也是求賢若渴。目前，在本科生階段涉及BIM有關課程的學校少之又少，有幾個院校將BIM技術與土木工程專業(yè)課程相結合，進行了課程改革實踐。天津理工大學的鐘煒等[4]將BIM技術融入工程項目管理課程，湖北工程學院譚潔等[5]提出了基于BIM數(shù)字技術的教學改革，西南石油大學劉紅勇等[6]對國內高校開展BIM科研情況進行了歸納總結，同時論證了高等院校開設BIM實踐教學的可行性，并提出了相應的建議[7]。但是大部分土木工程專業(yè)本科生不了解BIM的應用，因此，在本科實驗教學中融入BIM技術應用，培養(yǎng)BIM技術人才，在目前的大環(huán)境中一定可提高學校的核心競爭力，吸引大量的招聘者，為學生就業(yè)提供一個良好的機會，也可提高學校的知名度。

三、BIM技術應用教學的初探

（一）工程結構破壞數(shù)值實驗課程

目前，BIM技術的發(fā)展與應用已經在工程結構破壞數(shù)值實驗課程中進行試點講解，引起了學生的高度重視，該課程主要通過課上講述、PPT演示、三維軟件建模與虛擬現(xiàn)實模擬、學生自主建模演示等完成。由于課程時間有限，不能系統(tǒng)地對BIM技術多方面講述，但是可初步培養(yǎng)學生對BIM的認識，講解和使用今后在設計單位或施工單位應用最多的軟件，如Revit和Navisworks。該門課程也受到了學生的歡迎，以后會更進一步調整課改方案，為學生提供學習便利。

通過BIM技術建立巖石工程空間模型，如地下洞室、邊坡工程、隧道工程、核廢料處置庫等大型巖體三維數(shù)值仿真，再現(xiàn)巖體內部空間結構，特別是工程開挖、支護等施工過程中巖體內部結構的空間形態(tài)，在此基礎上進行應力分析，提高教學演示度，進一步幫助學生理解消化所學知識點。圖1為邊坡工程和隧道工程空間結構。

（二） 巖土力學實驗室

東北大學采礦與土木工程虛擬仿真實驗教學中心為土木工程巖土力學實驗教學中心的重要組成部分，是為解決采礦工藝優(yōu)化設計、巖土力學實驗、采礦圍巖失穩(wěn)數(shù)值仿真模擬等大型復雜實驗裝備

昂貴、維護費用高以及采礦現(xiàn)場安全性差等問題而成立的綜合性虛擬仿真實驗教學中心。

BIM虛擬與現(xiàn)實技術已在東北大學的巖石力學實驗教學中進行了教學嘗試，并取得了較為明顯的教學效果，通過該虛擬與現(xiàn)實系統(tǒng)可進行巖土數(shù)值實驗分析和教學，巖土力學數(shù)值實驗教學豐富了力學實驗教學的內涵和手段，并形成了常規(guī)力學實驗與數(shù)值實驗相融合的創(chuàng)新型實驗教學模式[8]。教學過程中擺脫了教師單一講解的模式，課堂主要時間用于學生建模、計算模擬、實際感知，全面激發(fā)學生的思維和創(chuàng)新，可以更有效地理解和接受實驗內容，提高自身技術水平和能力[9]。實驗室虛擬仿真演示系統(tǒng)如圖2。

在巖石力學實驗教學和學生創(chuàng)新實驗培訓過程中，該虛擬數(shù)值仿真平臺可以進行包括巖體內部結構、巖體結構面、二次結構面等工程擾動過程的基本實驗過程模擬，以及演示各種巷道、隧道、邊坡等復雜巖石結構的應力分析和破壞過程模擬，實現(xiàn)了巖石破壞復雜現(xiàn)象的計算機再現(xiàn)，彌補了物理試驗很難直觀演示各種巖體變形、破壞等復雜現(xiàn)象的不足。虛擬仿真實驗具有通用性強、方便靈活、可重復性等特點。通過虛擬仿真實驗，學生不僅可以觀察巖石破壞的過程，而且由于數(shù)值試驗可獲得試樣在破壞過程中的應力場及其演化過程的全部信息，使本科生在深刻理解巖石力學理論的基礎上，對巖石力學工程問題有了高層次的認識。一般情況，在教學過程中，可以參考下列步驟操作。

（1）利用測量儀器和設備，采集現(xiàn)場地表和有限的巖體結構面信息，重建巖體結構模型，實現(xiàn)對巖體三維結構及其他高度結構化巖石塊體的識別、空間模型表征等。

（2）教學內容一：在上述巖體幾何模型基礎上，考慮開挖誘發(fā)的次生結構對巖體宏觀力學性質及變形影響。巖體的內部結構特征在很大程度上影響著其宏觀力學破壞行為。運用BIM技術和數(shù)值分析技術，及相應的物理力學試驗手段，演示結構面產狀、次生結構面的生成與貫通等因素對巖體工程的宏觀力學特性，尤其是破壞過程的影響，實現(xiàn)工程巖體的真實表征。

（3）教學內容二：基于巖體細觀結構模型的細觀力學特征演示。巖體具有高度的結構性和非均質性特征，在上述巖體掃描數(shù)字圖像的結構化幾何概念模型（二維、三維）重建基礎上，實現(xiàn)相應的力學及多場耦合分析演示，直觀講解巖體復雜的物理、力學性能（如非飽和特征、各向異性等）。

（4）教學內容三：實現(xiàn)巖體結構力學的多尺度耦合演示。在準定量研究或分析基礎之上，實現(xiàn)巖體微觀、細觀（中觀）、宏觀不同尺度力學數(shù)值模型計算的耦合，再現(xiàn)細觀結構上巖體的損傷演化、裂紋的擴展及應力的重分配等特征，結合工程實際展示工程巖體多尺度特性，及其擾動過程。

四、BIM應用于課程改革分析

眾所周知，BIM技術是一個全新的技術手段，高校應跟上時代的步伐，在土木工程本科階段初步培養(yǎng)對BIM技術的應用，在實驗課程或專門的課程中融入BIM技術的學習，在研究生階段針對不同研究方向施以不同的培養(yǎng)方式，通過實驗室的優(yōu)良條件，進行學術科研活動等。虛擬仿真實驗具有生動性好、實驗效果直觀、安全性好等優(yōu)點，有利于學生理解和掌握復雜工程設計原理與工藝、力學計算與實驗，有利于激發(fā)學生的學習積極性和創(chuàng)新思維，有利于學生的創(chuàng)新實踐活動。

東北大學巖土力學實驗教學示范中心，近年來在資源建設與隊伍建設方面開展了多種途徑的實踐。在實驗資源配置方面進行了優(yōu)化[10]。目前土木工程專業(yè)的課程設計和實驗課程，都還沒有融入BIM技術，如果改變當前教學模式，提出應用BIM技術的課程實驗或者設計，感興趣的學生可另外進行BIM設計和應用，考核成績加分，鼓勵學生積極應用到實踐。同時之前開設BIM技術應用的選修課，由專業(yè)教師進行授課，這樣可以提高學生的BIM技術應用能力。在多門專業(yè)課程實驗和設計中可應用BIM，如房屋建筑學、高層建筑結構、土木工程施工、工程結構破壞數(shù)值實驗、巖石力學實驗等，培養(yǎng)學生的自主思維和應用能力，充分發(fā)揮學生學習的主觀能動性，可通過集體授課方式講解BIM技術的功能和實現(xiàn)方法及軟件的操作等，學成后可參加全國BIM技術等級一級建模師考試，增加自身求職能力。集體BIM中心培訓機房如下圖4。

學院定期舉辦BIM技術技能大賽，優(yōu)秀者頒發(fā)獲獎證書并計入德育成績分，通過技術競賽的準備和競爭提高學生BIM技能，同時選拔優(yōu)秀學生參加全國BIM技術技能應用大賽，開闊應用視野

。培養(yǎng)學生動手建模、分析和解決問題的興趣和能力，調動他們學習的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，掌握思考問題和解決問題的方法，提高創(chuàng)新能力和實踐應用能力。

五、結語

土木工程專業(yè)是高校的重點專業(yè)，擔任著國家工程建設的重任。建立虛擬仿真教學實驗室開展實踐教學，對學生深刻理解工程設計原理，掌握理論知識，提高學習興趣和創(chuàng)新能力，提高實驗教學效果具有重要的意義。此次針對課程改革提出一種新的實驗教學模式，通過BIM技術與傳統(tǒng)的教學模式相結合，不僅提高了學生學習的積極性和熱情，

而且促使學生掌握BIM技術，進一步為中國建筑產業(yè)信息化培養(yǎng)優(yōu)秀人才。參考文獻：

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