基于BIM的建筑工程制圖教學(xué)體系構(gòu)建

繆 盾

(同濟大學(xué)浙江學(xué)院土木工程系，浙江 嘉興 314000)

基于BIM的建筑工程制圖教學(xué)體系構(gòu)建

繆 盾

(同濟大學(xué)浙江學(xué)院土木工程系，浙江 嘉興 314000)

隨著建筑信息模型(BIM)時代的到來，以三維建模為載體的設(shè)計與繪圖對傳統(tǒng)制圖教育產(chǎn)生了較大影響?；贐IM建模探討了建筑工程制圖教學(xué)新體系構(gòu)建，突破單一的平面化的繪圖思維，在虛擬空間中進行仿真模型搭建，還原設(shè)計意圖，將工程圖的學(xué)習(xí)與實踐和建模過程統(tǒng)一，增強學(xué)生空間思維能力，體味設(shè)計、創(chuàng)造、創(chuàng)新的樂趣。

三維建模；建筑信息模型；建筑工程制圖；教學(xué)體系

1 BIM的概念與發(fā)展

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是目前正在推廣的三維設(shè)計和四維動態(tài)仿真的載體，簡要的表達為BIM=3D模型+nD參數(shù)(信息)+應(yīng)用，因此BIM創(chuàng)建的是多源數(shù)據(jù)集成的信息模型，而非類似CAD等軟件建立的三維幾何模型，更重要的是 BIM構(gòu)建的模型中的各類信息是相互關(guān)聯(lián)的，一處修改，處處應(yīng)變，擺脫了繁重的改圖工作。

起源于美國的BIM技術(shù)，迅速擴展到歐洲、韓日等發(fā)達國家，近幾年這些國家和地區(qū)的發(fā)展態(tài)勢及應(yīng)用水平都達到了比較高的程度，80%以上的建筑企業(yè)已經(jīng)使用BIM技術(shù)，并且發(fā)達國家也將BIM技術(shù)融入高校教學(xué)中，進行了一系列課程研究和改革。我國住建部在2011年5月發(fā)布了《2011-2015建筑信息化發(fā)展綱要》，明確了鼓勵、推動和深化 BIM 在工程建設(shè)(architecture engineering construction，AEC)行業(yè)中的應(yīng)用。BIM 技術(shù)逐漸滲透到各大設(shè)計院、施工單位及地產(chǎn)商等相關(guān)企業(yè)，建設(shè)行業(yè)開始有BIM人才需求，BIM教育也在各大高校啟動。

2 BIM對建筑工程制圖教學(xué)產(chǎn)生的影響

2.1 思維方式的變化

目前的建筑工程圖學(xué)教學(xué)可大致分為投影圖的識讀與繪制兩部分。在識讀部分，要求在了解各種圖示符號和線型含義的前提下，將所見投影圖升維轉(zhuǎn)譯為三維空間實體。在繪制部分，鍛煉學(xué)生用平面符號和線條來表達設(shè)計思維模型或空間實體。在維度變化中，幾何信息被完整保留，其余信息，如材料、工藝等通過文字加以說明，各種信息的關(guān)聯(lián)度很差。這種用二維圖文信息來串聯(lián)設(shè)計思維模型與空間實體的模式，給初學(xué)者帶來了不便。

BIM提供的是一種更直觀、更貼近現(xiàn)實的設(shè)計思維模式，其虛擬化的建設(shè)場景，以三維設(shè)計思維為基礎(chǔ)，提供真實建筑構(gòu)件的三維搭建，使得所想、所建與所見一致，電腦代替人腦完成三維與二維之間的思維轉(zhuǎn)化是對設(shè)計建造本源的一種回歸(圖1)。

圖1 BIM模型與圖紙的區(qū)別

2.2 教學(xué)重心的轉(zhuǎn)移

建筑工程制圖的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生通過二維圖形表達三維立體空間的能力，使其在學(xué)習(xí)后具備建筑業(yè)基礎(chǔ)的設(shè)計繪圖能力、三維構(gòu)型與創(chuàng)新設(shè)計能力，養(yǎng)成良好的工程意識[1]。大部分學(xué)校的教學(xué)重點放在了應(yīng)用二維圖形表達三維形體的講解上，在熟知各種圖式符號所具備的特征和含義后，應(yīng)用過程中轉(zhuǎn)譯為三維形體，加大了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)的積極性，忽略了本課程最本質(zhì)的是借以可視化技術(shù)顯示學(xué)生三維造型設(shè)計能力[2]、激發(fā)創(chuàng)新能力，和養(yǎng)成良好的工程意識。而BIM提供的虛擬仿真建設(shè)的環(huán)境，使學(xué)生通過實例建模了解各種構(gòu)件在建筑中的存在的形態(tài)、相互關(guān)聯(lián)和約束、不同視角和廣度下的狀態(tài)，體驗設(shè)計與創(chuàng)造的快樂。

至近日，BIM已經(jīng)成為建筑業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)，建筑工程制圖是與BIM技術(shù)緊密相關(guān)的課程，新的技術(shù)將影響原有的理論教學(xué)。因此高校的建筑工程制圖教學(xué)不應(yīng)當(dāng)再局限于僅僅依靠幾何投影理論來進行教學(xué)的模式，而是應(yīng)充分結(jié)合計算機學(xué)科、數(shù)學(xué)、智能化和工程科學(xué)于一體的交叉性學(xué)科，教學(xué)課程的改革勢在必行。

3 基于BIM建模的知識體系構(gòu)建

從BIM三維建模的思想出發(fā)，依托三維建模的過程講授建筑工程制圖，將相關(guān)的設(shè)計類課程與之融合交叉，使學(xué)生將學(xué)習(xí)過程從被動的學(xué)習(xí)二維視圖的認(rèn)識和繪制轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鞯倪M行創(chuàng)新設(shè)計，使建筑工程制圖課程成為以三維建模為主，二維為輔，結(jié)合專業(yè)知識，實現(xiàn)設(shè)計實踐、計算機建模高度統(tǒng)一的綜合性課程[2]。

3.1 構(gòu)建的原則

與傳統(tǒng)的建筑工程制圖課程教學(xué)體系相比，基于BIM的體系構(gòu)建原則是：①課程體系將與三維設(shè)計過程及人的思維過程保持一致[3]；②以 Revit軟件為平臺，以虛擬建造為主線，以三維為核心，將三維構(gòu)型、二維視圖的建立和建筑設(shè)計規(guī)范的知識融為一體；③最大限度地壓縮畫法幾何內(nèi)容，弱化“點、線、面”的知識講解，重點突出“體”的地位；④實現(xiàn)多門課程的信息融合，通過建立幾何三維模型來實現(xiàn)后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及建筑材料，工程管理等信息的集成。

3.2 教學(xué)的目標(biāo)

新的教學(xué)體系將從理論知識層、技術(shù)技能層和工程素質(zhì)層著手，鍛煉學(xué)生的三維建模能力、綜合應(yīng)用知識能力和專業(yè)間協(xié)調(diào)能力，提高學(xué)生構(gòu)型創(chuàng)新度和在行業(yè)內(nèi)的競爭力(表1)。

表1 教學(xué)目標(biāo)分層表

3.3 教學(xué)內(nèi)容

現(xiàn)在的建筑工程制圖知識以投影理論為主體，大部分學(xué)校教學(xué)學(xué)分都在4～6分之間，主要教學(xué)內(nèi)容如表2所示。基于BIM建模的知識體系從三維入手，改變二維與三維相分離的狀態(tài)，講授簡單的設(shè)計原理，教給學(xué)生建模方法，由形體構(gòu)造過渡到圖形表達，以三維實體建模為主體，注重實踐與創(chuàng)新意識培養(yǎng)[4]，同時體現(xiàn)二維工程圖表達的課程體系，此體系將學(xué)分壓縮至4學(xué)分，其中包含了實踐環(huán)節(jié)1學(xué)分，教學(xué)內(nèi)容符合低年級學(xué)生的習(xí)慣思維，容易被學(xué)生接受，其教學(xué)內(nèi)容如表3所示。

表2 建筑工程制圖教學(xué)內(nèi)容

表3 基于BIM的建筑工程制圖教學(xué)內(nèi)容

內(nèi)容1. 構(gòu)件形認(rèn)識

剛步入大學(xué)的新生沒有專業(yè)基礎(chǔ)，對于建筑的組成還不清晰，而利用二維圖紙教學(xué)，學(xué)生很難通過對二維圖線的識讀來確定三維實體，不利于建立工程意識。從建筑中常見的基本構(gòu)件，如墻、板、柱、門窗入手，在BIM提供的Revit平臺上[5]，定義了建筑要素性質(zhì)的“類別-族-類型”(category-family-type)系統(tǒng)，基本構(gòu)件在平臺內(nèi)均被設(shè)置為典型的類別，以墻為例，存在建筑墻、結(jié)構(gòu)墻等類別，同一類別的“墻”又細(xì)分為“磚墻”、“混凝土墻”等，這些屬于同類別的不同“族”，同屬于一族的“磚墻”，再往下細(xì)分200 mm厚度、300 mm厚度等，不同型號的磚墻又屬于該族的不同“類型”，這些都是基于建筑的邏輯，便于學(xué)生在分類系統(tǒng)下了解建筑構(gòu)件和豐富構(gòu)件規(guī)格。通過菜單選擇，直接鼠標(biāo)點擊放置，通過三維視圖和平面圖、立面圖、剖面圖的一一對應(yīng)，使學(xué)生明白不同的三維構(gòu)件在二維圖上的形態(tài)(圖2)。

內(nèi)容2. 設(shè)計原則

用少量的課時向?qū)W生闡述基本建筑構(gòu)件的功能及其之間的關(guān)系。單純的講授繪圖或建模技術(shù)，限制了學(xué)生的設(shè)計思維和創(chuàng)造思維。從幾何形狀-功能-關(guān)聯(lián)的逐層遞進，使學(xué)生有初步的設(shè)計思路框架。

圖2 基本建筑構(gòu)件在不同視圖中的形態(tài)及視圖的關(guān)聯(lián)

內(nèi)容3. 軟件建模方法

BIM 的建模方法是基于參數(shù)化的圖元行為。圖元是軟件用于操作和組織畫面的最基本的素材[6]。通過案例建模操練演示各種建模命令的功能。再通過實例建模的實踐環(huán)節(jié)強化訓(xùn)練[7]。圖3(a)、(b)為某學(xué)校圖書館實例建模圖，圖3(c)～(e)為案例建模圖。

圖3 建模實例

內(nèi)容4. 多專業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作

目前的設(shè)計都是以圖紙為中介的粗放設(shè)計模式，設(shè)計集成化程度明顯偏低。而CAD繪制的圖紙或是建立的三維模型都是相對獨立的信息，不具備關(guān)聯(lián)性。BIM提供了一個集成化設(shè)計的平臺，利用Architecture、Structure和MEP 3個模塊，對整個建筑進行虛擬建模，全方位的展示一個真實的建筑設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和設(shè)備設(shè)計方案，加深學(xué)生對建筑整體的認(rèn)知。多專業(yè)協(xié)作共設(shè)置4個學(xué)時，通過幾個專業(yè)的學(xué)生重組后再分配到每個老師的教學(xué)班，每組由3～5名學(xué)生組成，分別來自土木工程專業(yè)、給排水專業(yè)和建筑環(huán)境專業(yè)。為防止出現(xiàn)學(xué)生聚集，任課教師在重組過程中要特別注意做好引導(dǎo)工作，以小組為單位，完成結(jié)構(gòu)建模、管線和風(fēng)管的布設(shè)，并進行檢測，使問題的解決在技術(shù)層面(圖4)。

圖4 碰撞檢測示意圖

內(nèi)容5. 工程圖生產(chǎn)

雖然二維圖紙存在諸多不足，但仍然是具有法律效力的設(shè)計成果文件，同時也是相互交流的最簡潔有效的方式，在此過渡期，學(xué)生還是需要掌握投影圖的基本原理和規(guī)范要求，但是省去了繪制的環(huán)節(jié)，通過三維建筑模型直接生產(chǎn)各種正投影圖、剖視圖，基于模型還可在軟件中進行剖切體驗，自由定制各種工程量統(tǒng)計表及圖紙構(gòu)建(圖5)。

3.4 考核方式

傳統(tǒng)的考核方式采用終結(jié)性考試，以卷面成績來決定學(xué)生對知識的理解程度，因此出現(xiàn)期末閉關(guān)，只求高分的現(xiàn)象。該課是一門技能性和實踐性較強的課程，這種考核方式太過單一，不能真實反映學(xué)生實際操作水平。由于課程的操作性強，探索了一種過程監(jiān)控和開放式考核的方式。其中過程監(jiān)控為每周有一個限時小作業(yè)，占總成績的60%，剩余的40%分?jǐn)傇诘?學(xué)期的房屋建筑學(xué)教學(xué)模型制作和視圖生成以及第 4學(xué)期的工程造價教學(xué)模型制作上，使得該課程的知識和技能得到循環(huán)式練習(xí)。

圖5 工程圖定制樣例

4 教學(xué)效果

在土木工程專業(yè)的一年級和三年級選擇1個班級為實驗班。通過對一年級專業(yè)一個學(xué)期的統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)實驗班的出勤率和提交作業(yè)比例明顯高于普通班(圖6)。

圖6 教學(xué)效果對比圖1

在作業(yè)的質(zhì)量上實驗班也高于普通班，以立體構(gòu)形作業(yè)為例，實驗班的學(xué)生通過BIM平臺設(shè)計的作品體現(xiàn)出了更多的創(chuàng)新和創(chuàng)意，在作業(yè)中耗費的時間也更少(圖7)。

圖7 教學(xué)效果對比圖2

對高年級學(xué)生進行訪談和問卷調(diào)查，學(xué)生反映以前在不同學(xué)期學(xué)到的課程知識，在應(yīng)用時不能很好的將知識融合，但通過BIM學(xué)習(xí)將本專業(yè)課程體系進行了“縱向”整合，同時設(shè)計時除本專業(yè)知識外，還需了解其他專業(yè)的要求，各專業(yè)知識得到有機結(jié)合。高年級學(xué)生在房屋建筑學(xué)課程設(shè)計、工程造價課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中所花時間至少減少一半，返工率下降。喜歡這種教學(xué)內(nèi)容和方式的占了91%。實習(xí)單位反饋學(xué)過實驗班的學(xué)生無論在識圖速度、準(zhǔn)確度都比普通班的學(xué)生強。

5 結(jié) 束 語

BIM技術(shù)對模型直觀性的回歸，也意味著對投影模式抽象性的弱化。二維圖紙上所呈現(xiàn)的真實空間和體量是相對有限的，很多都需要通過空間想象來完成，還有很多圖紙未交代的和交代不清的地方，發(fā)生錯誤后改圖的工作量巨大。而BIM所提供的環(huán)境使所有的有形問題可視化，同時保留了構(gòu)件之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)。本文提出的基于三維建筑模型(BIM)的建筑工程制圖教學(xué)新體系，不僅是繪圖形式上的轉(zhuǎn)變，更多的是改變以畫法幾何為基本核心的教學(xué)觀念。這種改革更適應(yīng)當(dāng)前智慧時代的發(fā)展需要，有利于培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，創(chuàng)新創(chuàng)造能力和工程素養(yǎng)，可以更好地適應(yīng)人才培養(yǎng)的需要。

[1] 白 柳. 三維構(gòu)形與工程制圖相融合的研究與教學(xué)實踐[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2015, 36(1): 117-122.

[2] 高成慧. 利用 Solidworks的組合體讀圖方法研究[J].工程圖學(xué)學(xué)報, 2006, 17(6): 136-140.

[3] 李 燕. 基于三維設(shè)計的工程圖學(xué)課程體系的重構(gòu)[J].計算機工程與設(shè)計, 2007, 28(7): 1705-1707.

[4] 趙 鳴, 呂 梅, 李蘇紅. 基于BIM的建筑工程圖學(xué)課程改革與探索[J]. 吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報, 2014, 31(4): 81-83.

[5] 王楓紅, 陳熾坤, 陳錦昌. 工程圖學(xué)課程中創(chuàng)造性構(gòu)形設(shè)計教學(xué)的研究與實踐[J]. 圖學(xué)學(xué)報, 2012, 33(4): 140-146.

[6] 柏慕中國. Autodesk Revit Architecture 2012官方標(biāo)準(zhǔn)教程[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012: 247-263.

[7] 曾文海, 黃泰儒. 基于BIM技術(shù)的高校實踐教學(xué)體系建設(shè)研究[J]. 黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2016, 29(1): 76-78.

Based on BIM Building Engineering Drawing Teaching System Building

Miao Dun
(Civil Engineering Department, Tongji Zhejiang College, Jiaxing Zhejiang 314000, China)

With the advent of the era of construction building information modeling (BIM), with 3D modeling as the carrier of the design and drawing had greater influence on the traditional drawing education. Based on BIM modeling this paper discusses the architectural engineering drawing teaching new system build, break the monotony of complanation of drawing thinking, simulation in virtual space structures, vivid reduction design intent, to study and practice of engineering graphics and modeling process of unification, students out of the learning difficulties caused by a lack of space thinking ability, make them in the process of modeling experience design, creation and innovation.

three-dimensional modelin; building information modeling; architectural engineering drawing; teaching system

TU 204+.2

10.11996/JG.j.2095-302X.2016060826

A

2095-302X(2016)06-0826-05

2016-03-17；定稿日期：2016-05-29

繆 盾(1984-)，女，江蘇張家港人，講師，碩士。主要研究方向為計算機輔助設(shè)計、工程測量。E-mail：514365098@qq.com