城市軌道交通結(jié)構(gòu)設計與施工課程教學中BIM技術(shù)的融入及模式

宮全美

摘要：為培養(yǎng)知識應用能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力、國際競爭能力強的復合型國際化人才，課程教學中融入具有多維可視化、協(xié)同化、可交互性等優(yōu)點的BIM技術(shù)，并預設多個接口，搭建創(chuàng)新實踐平臺，讓學生更好地理解理論知識的同時，進行創(chuàng)新性研究，最終達到培養(yǎng)適應社會發(fā)展需求的高端人才的目的。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);創(chuàng)新實踐;課程教學

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）12-0080-03

一、課程的教學特點及現(xiàn)狀

城市軌道交通結(jié)構(gòu)設計與施工課程是軌道交通工程專業(yè)學生的一門專業(yè)必修課，其教學歷史和特點與我國軌道交通工程專業(yè)的教育歷程息息相關(guān)。我國軌道交通工程專業(yè)的教育經(jīng)歷了“師歐美、學蘇聯(lián)、兼日歐”三個時期，形成了以專業(yè)化教學為特色的人才培養(yǎng)模式，使我國在短時間內(nèi)縮小了與發(fā)達國家的技術(shù)差距。但隨著軌道交通的“高速化”和“高效化”，對設施全系統(tǒng)安全性和全壽命可靠性的要求越來越高，原來“?！钡奶厣央y以適應，需要將學生的教育從知識傳承、知識應用能力的培養(yǎng)到激發(fā)原創(chuàng)意識、提升技術(shù)創(chuàng)造能力培養(yǎng)進行轉(zhuǎn)化。因此，軌道交通工程人才培養(yǎng)須實現(xiàn)從學習、追趕先進技術(shù)到成為世界技術(shù)引領(lǐng)者的角色重大轉(zhuǎn)變，同時，要符合雙一流大學的綜合性、研究型、國際化辦學定位，培養(yǎng)具有面向未來國家建設需要，適應未來科技進步，德智體全面發(fā)展，掌握相關(guān)原理和知識，獲得工程師良好訓練，基礎(chǔ)理論扎實、專業(yè)知識寬厚、實踐能力強，能勝任城市軌道交通結(jié)構(gòu)項目的設計、施工、管理，具有繼續(xù)學習能力、創(chuàng)新能力、國際視野和領(lǐng)導意識的高級專門人才。

圍繞上述人才培養(yǎng)要求，作為城市軌道與鐵道工程方向的骨干課程之一，本課程總體目標是培養(yǎng)知識應用能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力、國際競爭能力強的復合型國際化人才，具體目標是通過對城市軌道交通結(jié)構(gòu)工程設計與施工相關(guān)理論和知識的學習，使學生了解城市軌道交通車站和區(qū)間多種結(jié)構(gòu)類型，掌握城市軌道交通結(jié)構(gòu)設計的思路和計算分析方法、城市軌道交通施工組織及信息化施工基本原則及要求，同時培養(yǎng)學生“發(fā)現(xiàn)問題、解決問題”的能力，激發(fā)學生的探索、創(chuàng)新興趣。但本課程教學內(nèi)容與工程實踐結(jié)合緊密，教學中存在諸多難點：（1）涉及的技術(shù)多、廣，且相關(guān)技術(shù)發(fā)展快;（2）涉及的學科領(lǐng)域廣泛，計算方法不太完善;（3）實踐超前于理論，近幾年隨著軌道交通建設的大發(fā)展，現(xiàn)場涌現(xiàn)了大批創(chuàng)新技術(shù)，但相應的理論不完善或缺失。因此本課程的教學應做到使學生掌握基本理論的基礎(chǔ)上，傳授的課程內(nèi)容緊跟新技術(shù)的發(fā)展、實踐經(jīng)驗融于課程教學中，并激發(fā)學生的創(chuàng)新興趣。

二、BIM技術(shù)在本課程教學中的融入及模式

課程教學主要采取理論教學與課程設計相結(jié)合的方式。其中理論課包括基礎(chǔ)知識、城市軌道交通結(jié)構(gòu)設計和城市軌道交通施工技術(shù)三個模塊，課程設計主要在給定的實際地鐵車站地質(zhì)水文條件、周邊環(huán)境等預設條件下，進行地鐵車站的結(jié)構(gòu)設計，讓學生掌握地鐵車站設計流程和主要方法。該課程教學內(nèi)容多且復雜，部分教學內(nèi)容晦澀難懂，特別是施工部分存在許多難以表達的施工模擬過程，采用傳統(tǒng)的教學方式很難全方位展示。前期教學工作中已采用部分影音視頻、安排工地參觀等手段，但仍不能全面反映設計與施工的主要流程與方法，原因是工程施工階段的工期安排往往與教學進度不能同步，且施工單位擔心學生參與現(xiàn)場施工安全難以保證，一般不太愿意接受，即使能夠安排，短期的參與也難以了解全過程。在BIM技術(shù)快速發(fā)展的背景下，若在課程教學中運用BIM技術(shù)，將給這門課程帶來新變化和新亮點。

目前課堂教學中主要利用BIM技術(shù)多維可視化、協(xié)調(diào)性及可模擬性的特點，對難以表達的結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞、結(jié)構(gòu)細部及施工過程進行全方位展示，主要包括以下幾點。

（一）BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設計原理中的融入

城市軌道交通包含多種結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)與地面標高之間的關(guān)系，可分為地面、地下以及高架等;根據(jù)使用功能又可分為車站與區(qū)間結(jié)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)又會以不同的斷面型式表達。以區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)為例，斷面型式有矩形、圓形、馬蹄形、多拱形等;施工方法包括明挖法、礦山法、盾構(gòu)法等。不同的結(jié)構(gòu)、不同的斷面型式及施工方法，均會影響結(jié)構(gòu)與周圍媒介如土體的相互作用以及荷載在結(jié)構(gòu)中的傳力路徑，從而影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及失穩(wěn)計算。了解和掌握結(jié)構(gòu)的受力及傳力路徑對科學開展工程結(jié)構(gòu)的力學分析及設計至關(guān)重要。但由于肉眼無法觀察到工程結(jié)構(gòu)的傳遞荷載過程，因此學生無法感知工程結(jié)構(gòu)的真實受力形態(tài)[1，2]。因此，基于BIM技術(shù)建立的工程結(jié)構(gòu)模型，融入力學計算軟件如Ansys、Plaxis等，通過彩色云圖、動畫的方式展示出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力形態(tài)及荷載傳遞過程，以此讓學生直觀看到工程結(jié)構(gòu)在荷載作用下的傳力路徑和力學特性，便于學生理解結(jié)構(gòu)設計的原理。

（二）BIM多維可視化技術(shù)在結(jié)構(gòu)設計及復雜施工過程教學中的融入

傳統(tǒng)課堂教學的多媒體課件中大多數(shù)使用的是二維（極少三維）圖形，學生需要根據(jù)二維圖形想象出三維模型，一旦在腦海中無法想象三維模型，就難以理解所學內(nèi)容[3]。特別是本課程施工部分包含復雜的四維（三維空間+時間）施工過程，僅使用二維圖形甚至三維圖形授課使得學生理解困難，即使理解了也很難有形象、深刻的理解。將多媒體課件中的二維圖形和BIM三維可視化圖形以及隨時間變化的動畫功能相結(jié)合，可以使教學內(nèi)容生動易懂，又可以使學生對所學內(nèi)容有感性的認識和形象的記憶。

以地鐵車站基坑施工為例，建立可反映車站基坑施工過程的BIM四維模型，對車站基坑工程的地下空間以及施工工藝進行漫游展示，同時構(gòu)建基坑施工進度管理的流程，實現(xiàn)車站基坑施工過程的可視化演示。對車站主體結(jié)構(gòu)設計部分，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件、防水措施、管線布置等錯綜復雜，很難用語言或圖片形象地展示，可充分利用BIM的可視化及協(xié)調(diào)性，一方面能對構(gòu)件進行三維展示，另一方面給學生展示不同專業(yè)的協(xié)調(diào)性對地鐵車站結(jié)構(gòu)功能的影響。

同時，由于城市軌道交通的施工現(xiàn)場主要在人口密集的城市市區(qū)，施工時的影響因素復雜，包括交通疏解、周邊建筑物及管線等的保護等，處理不當極易導致安全事故，因此施工時的組織及安全風險控制極為重要。但在講授該部分內(nèi)容時，由于受到工地現(xiàn)場以及實驗設備等客觀條件的約束，不能在課堂直接進行破壞性實驗，此時可以借助BIM的4D功能模擬結(jié)構(gòu)或施工破壞過程，讓學生看清風險的發(fā)展趨勢及過程。

（三）BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)課程設計中的融入

課程設計是檢驗學生對該門課程掌握程度的一種最有效、最直接的辦法。本課程中的課程設計主要是結(jié)合給定的預設條件，利用課堂教學中講授的計算及設計方法，進行地鐵車站施工期基坑的支護結(jié)構(gòu)及運營期的主體結(jié)構(gòu)設計，包括必要的力學計算過程及繪圖。由于水文地質(zhì)及周邊環(huán)境復雜，進行設計前需根據(jù)結(jié)構(gòu)與地層的相互關(guān)系選取典型斷面，但以往提供的地質(zhì)圖紙主要是二維圖，很難反映復雜的三維地形地貌及地質(zhì)情況，為使設計更加貼近實際，可首先利用BIM技術(shù)給出較真實的三維可視圖。

另外，目前課程設計主要使用CAD軟件繪制地鐵車站結(jié)構(gòu)布置的平面圖、立面圖、剖面圖等，由于CAD繪制的是二維圖，在繪制立面圖、剖面圖時，需要學生有很好的想象能力，否則會經(jīng)常出現(xiàn)平面和立面、剖面不相符合的情況[4]。BIM技術(shù)的融入可以完成對設計的動態(tài)信息調(diào)整，減少課程設計中的錯誤，使課程設計高效準確。

（四）BIM技術(shù)的傳授

BIM技術(shù)可貫穿在城市軌道交通建設項目全壽命周期的各個階段，包括決策階段、規(guī)劃設計階段、施工階段、運營維護階段，特別是對“設計—施工—運營”一體化理念的充分體現(xiàn)意義重大?；谀壳癇IM技術(shù)的廣泛應用及發(fā)展前景，教學中有意識地給學生傳授該方面的知識，一是在新版教材編寫中增加了BIM的章節(jié)內(nèi)容，通過課堂教學中展示的BIM多維圖形，向?qū)W生介紹BIM技術(shù)的概念及應用，并讓學生體會BIM技術(shù)的三維可視化優(yōu)勢;二是考慮到BIM技術(shù)的復雜性，而課堂的時間有限，為此增加課后自學及討論環(huán)節(jié)，以充分發(fā)揮年輕學生在數(shù)字化技術(shù)方面的優(yōu)越性。通過學習，讓學生掌握一定的BIM技能，使其畢業(yè)后更好地將BIM技術(shù)應用到工程實踐中。

三、基于BIM技術(shù)的創(chuàng)新實驗平臺建設

城市軌道交通結(jié)構(gòu)設計與施工過程中牽涉的影響因素復雜，現(xiàn)有的理論或方法大多基于現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)或大量簡化得到，尚不夠完善，這給課堂教學帶來了利和弊共存的影響，弊是學生難以理解，課堂教學效果較差。但正是由于理論尚不完善，可以激發(fā)學生的理論探索和技術(shù)創(chuàng)新興趣。以往由于室內(nèi)或現(xiàn)場試驗需要花費的人力、物力都較大，如果考慮不周尚得不到理想的結(jié)果，因此較少用于本課程學生的創(chuàng)新項目。在多媒體、智能化、BIM高速發(fā)展的今天，如何利用新技術(shù)開發(fā)新的創(chuàng)新平臺，使學生在增長學習興趣的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新是本課程急需解決的主要問題。

結(jié)合上海市重點課程、精品課程建設，本課程已初步確立了基于BIM實驗室的創(chuàng)新平臺建設思路，通過該平臺，學生可實現(xiàn)自主及創(chuàng)新設計。以“地下車站結(jié)構(gòu)設計與施工”為例，創(chuàng)新平臺首先需要完成幾個數(shù)據(jù)庫的建設，包括地質(zhì)水文數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫、周邊環(huán)境保護數(shù)據(jù)庫等。地質(zhì)水文數(shù)據(jù)庫主要記錄及儲存我國城市軌道交通建設面臨的典型地質(zhì)水文特征及其物理力學參數(shù);結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫主要是儲存結(jié)構(gòu)的主要類型及典型尺寸，包括支撐結(jié)構(gòu)、圍護結(jié)構(gòu)以及主體結(jié)構(gòu)中的梁、板、柱等;周邊環(huán)境保護數(shù)據(jù)庫主要為學生提供車站周邊典型建筑物類型及基本參數(shù)，為設計提供環(huán)境保護要求。學生在使用該平臺時，首先調(diào)用地質(zhì)水文數(shù)據(jù)庫形成預設的地質(zhì)三維圖，并利用周邊環(huán)境保護數(shù)據(jù)庫預設施工需保護的周邊建筑物、管線、道路等，接著學生可進行自主設計或創(chuàng)新。自主設計時，既可調(diào)用結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫中提供的結(jié)構(gòu)類型及材料信息進行BIM建模過程，也可進行多種構(gòu)件的相互組合以形成新的結(jié)構(gòu)類型，甚至可在結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫中預留接口，學生可自主設計新的結(jié)構(gòu)型式，以配合創(chuàng)新項目的要求。為判斷自主或創(chuàng)新的設計是否合理，需設定調(diào)用啟明星、Plaxis等專業(yè)軟件的接口，進行相應的力學計算，計算結(jié)果可在BIM模型里動態(tài)顯示。如果設計的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或不滿足周邊環(huán)境要求，說明該設計是不合理的，需要變更設計。

通過該創(chuàng)新平臺，使學生切身感受到結(jié)構(gòu)設計的非唯一性、復雜性，體驗到結(jié)構(gòu)變化多樣的組合魅力，進而激發(fā)學生的學習興趣與熱情。

四、結(jié)束語

BIM技術(shù)正在推動建筑行業(yè)的改革，在我國已逐漸被推廣應用。作為人才培養(yǎng)主要陣地的高等院校，有義務將先進技術(shù)融入課程體系，并充分利用其多維可視化、協(xié)同化、可交互性等優(yōu)點，讓學生更好地學習理論知識的同時，進行創(chuàng)新實踐，最終達到培養(yǎng)適應社會發(fā)展需求的高端人才的目的。

BIM技術(shù)在本課程的融入剛剛起步，要實現(xiàn)創(chuàng)新平臺的建設任重而道遠，如何利用或整合已有資源，較快捷地進行平臺建設是目前需解決的主要問題。

參考文獻：

[1]侯學良，楊思佳.BIM技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)課程教學中的應用[J].高等建筑教育，2017，26（06）：129-132.

[2]蔣晶，龍訊.基于工作過程的城市軌道交通控制專業(yè)（信號方向）的課程研究[J].教育教學論壇，2015（19）：233-234.

[3]劉照球，李云貴.土木工程專業(yè)BIM技術(shù)知識體系和課程架構(gòu)[J].建筑技術(shù)，2013，44（10）：913-916.

[4]齊岳，張俊華，趙文軍.結(jié)合BIM技術(shù)的房屋建筑學課程改革探討[J].高等建筑教育，2014，23（06）：147-149.

Integration and Mode of BIM Technology in Course Teaching of Structural Design and Construction of Urban Rail Transit

GONG Quan-mei

（College of Transportation Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Abstract：To cultivate talents with ability of knowledge application，innovation and creation，and strong international competition ability，the BIM technology is integrated into the course teaching.There are many advantages using BIM technology，such as multidimensional visualization，synergy and interactivity.A number of interfaces will be reserved to build an innovative practice platform，which enable the students to understand theoretical knowledge better and carry out innovative researches.The main goal is to train the talents to meet the needs of social development.

Key words：BIM technology;innovative practice;course teaching