三維建模與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在本科教學(xué)的多環(huán)節(jié)應(yīng)用

王慧 鐘軼峰

[摘 要]隨著建筑信息模型（BIM）技術(shù)的發(fā)展，部分國內(nèi)外高校將BIM技術(shù)引入工程制圖教學(xué)、專業(yè)課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐等多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)也逐漸應(yīng)用于各類工程實(shí)踐及教學(xué)場(chǎng)景中，比如交通規(guī)劃、駕駛模擬、駕駛員行為等相關(guān)研究及教學(xué)工作。文章論述BIM技術(shù)與VR技術(shù)在道橋?qū)I(yè)教學(xué)中的應(yīng)用方案，以道橋設(shè)施為對(duì)象對(duì)BIM技術(shù)與VR技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)模式進(jìn)行了分析，分別對(duì)不同課程類型（專業(yè)導(dǎo)論課程、專業(yè)理論課程、專業(yè)設(shè)計(jì)課程以及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程）進(jìn)行了應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)計(jì)，并從架構(gòu)設(shè)計(jì)要求、接口設(shè)計(jì)原則、視圖/場(chǎng)景設(shè)計(jì)和用戶功能設(shè)計(jì)等方面探討三維交互式平臺(tái)建設(shè)問題。

[關(guān)鍵詞]BIM技術(shù);VR技術(shù);交通基礎(chǔ)設(shè)施;課程類型;應(yīng)用場(chǎng)景

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）03-0023-04

一、BIM技術(shù)教學(xué)與VR技術(shù)教學(xué)的現(xiàn)狀與問題提出

（一）BIM技術(shù)教學(xué)實(shí)踐與發(fā)展

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）技術(shù)在2002年由 Autodesk公司率先提出，并逐漸得到世界建筑行業(yè)的普遍認(rèn)同[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的二維制圖，BIM技術(shù)具有信息完整、直觀及多維信息等優(yōu)勢(shì)。BIM技術(shù)不但可以輔助學(xué)生完成設(shè)計(jì)，還可以用于幫助學(xué)生理解施工、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)[2]。此外，對(duì)于一次完整的工程設(shè)計(jì)任務(wù)，BIM技術(shù)比傳統(tǒng)的CAD需要的時(shí)間少[3]。基于BIM的項(xiàng)目管理工具可以顯著提高項(xiàng)目管理的教育質(zhì)量，學(xué)生從中能夠更好地學(xué)習(xí)如何將不同的正式項(xiàng)目管理方法應(yīng)用到具體的項(xiàng)目環(huán)境中[4]。

英國學(xué)者提出應(yīng)積極推動(dòng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)，從而使不同的BIM軟件與數(shù)據(jù)具有通用性[5]。BIM工具的通用性使其更適用于教學(xué)。然而，受教學(xué)學(xué)時(shí)的限制，巴西的大學(xué)提出了將BIM教學(xué)融入專業(yè)課程教學(xué)的方式，并寫入教學(xué)大綱[6]。國內(nèi)高校也逐漸將BIM技術(shù)知識(shí)融入工程管理專業(yè)課程體系與教學(xué)內(nèi)容中，并在實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)等實(shí)踐教學(xué)以及師資隊(duì)伍建設(shè)等方面進(jìn)行實(shí)踐探索[7]，提出了土木工程BIM+新課程體系，認(rèn)為應(yīng)該建設(shè)集工程實(shí)踐、校企融合、跨知識(shí)平臺(tái)于一體的新課程模式[8]。

盡管試驗(yàn)分析證明了BIM技術(shù)對(duì)教學(xué)具有正向輔助作用[9]，然而受限于現(xiàn)實(shí)條件，BIM技術(shù)尚未普及成為教學(xué)的基本工具。本文認(rèn)為BIM技術(shù)應(yīng)該可以作為土木工程（包括交通基礎(chǔ)設(shè)施）學(xué)科教學(xué)過程中的一種通用工具而廣泛應(yīng)用于其相關(guān)理論與實(shí)踐課程當(dāng)中。

（二）VR技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）涵蓋了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、沉浸式VR、桌面VR等系列技術(shù)與產(chǎn)品。2016年被稱為“VR元年”。VR有七大教育功能：體驗(yàn)、探究、訓(xùn)練、矯正、交流、創(chuàng)作與游戲。VR具備重塑教育的潛力，但VR大范圍變革教育的路還很長(zhǎng)[10]。

交通土建學(xué)科教師在教學(xué)過程中為了給學(xué)生展示真實(shí)的工程過程與設(shè)施構(gòu)造，往往會(huì)利用VR技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，解決現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的學(xué)習(xí)不完整問題[11]。交互式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合核心專業(yè)知識(shí)有更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，比如建筑業(yè)的異地生產(chǎn)研究、預(yù)設(shè)型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及試錯(cuò)[12]。BIM技術(shù)與VR技術(shù)在項(xiàng)目管理等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[13]?；趨f(xié)同平臺(tái)，VR技術(shù)在團(tuán)隊(duì)合作、跨學(xué)科團(tuán)體以及時(shí)間管理等方面也提供了很多綜合解決方案[14]。

（三）問題提出

盡管BIM技術(shù)已經(jīng)被部分高校作為一門專業(yè)技能引入大學(xué)教育，VR技術(shù)也作為一種輔助教學(xué)手段被引入課堂，然而，目前仍缺少成熟的可以用于輔助教學(xué)的信息模型與虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，且還沒有一個(gè)可以服務(wù)于不同教學(xué)目標(biāo)的虛擬場(chǎng)景。

因此，本文以交通基礎(chǔ)設(shè)施不同學(xué)科相關(guān)教學(xué)研究為例，設(shè)計(jì)BIM三維信息交互平臺(tái)，針對(duì)不同課程類型（專業(yè)導(dǎo)論課程、專業(yè)理論課程、專業(yè)設(shè)計(jì)課程以及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程）進(jìn)行BIM與VR應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)計(jì)，分析BIM技術(shù)與VR技術(shù)應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施不同學(xué)科相關(guān)教學(xué)中的可行性，探討其技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的拓展方向。

二、BIM技術(shù)與VR技術(shù)教學(xué)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

（一）課程體系設(shè)計(jì)

國內(nèi)土木工程/交通運(yùn)輸工程本科教學(xué)課程體系主要包括四大類課程即通識(shí)教育課程、工程學(xué)科基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程。計(jì)算機(jī)技術(shù)本身通常屬于專業(yè)基礎(chǔ)課范疇，而將計(jì)算機(jī)用于輔助教學(xué)則可以在平臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上應(yīng)用于各類專業(yè)課程甚至通識(shí)課程的教學(xué)，涉及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的主要課程體系參見圖1，技術(shù)應(yīng)用路線參見圖2，平臺(tái)模塊化要求與設(shè)計(jì)見圖3。 [ ][實(shí)驗(yàn)

（二）課程教學(xué)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

根據(jù)課程體系與平臺(tái)設(shè)計(jì)，本文分別對(duì)專業(yè)導(dǎo)論課程、專業(yè)理論課程、專業(yè)設(shè)計(jì)課程與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐四大類課程進(jìn)行具體的BIM與VR技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)。

1.專業(yè)導(dǎo)論課程

專業(yè)導(dǎo)論課程通常用于介紹專業(yè)背景、性質(zhì)、知識(shí)體系、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法和前沿動(dòng)態(tài)，使學(xué)生了解專業(yè)領(lǐng)域的基本情況并產(chǎn)生專業(yè)興趣;明確專業(yè)學(xué)習(xí)的主要任務(wù)，提高學(xué)習(xí)的針對(duì)性和目的性。

基于專業(yè)導(dǎo)論課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)與功能，可以將這類課程教學(xué)拆分為對(duì)象與內(nèi)容兩個(gè)部分。針對(duì)對(duì)象的教學(xué)類似于科普，即通過對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的觀察、拆解、體驗(yàn)與分析，使得學(xué)生更為深刻地理解相關(guān)專業(yè)學(xué)科所涉及的問題范圍，了解專業(yè)性質(zhì);內(nèi)容則是以對(duì)象的拆分為基礎(chǔ)，理解學(xué)習(xí)所需要的不同角度、層次，以及需要面對(duì)的問題及其解決辦法。

其具體表現(xiàn)形式包括以下幾個(gè)：（1）虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景體驗(yàn)，直觀感受道路交通設(shè)施與結(jié)構(gòu)物等現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。（2）利用BIM模型觀察解構(gòu)實(shí)體結(jié)構(gòu)物。（3）跨越不可及障礙，觀察高空、水下、結(jié)構(gòu)內(nèi)部等多角度信息。（4）觀察內(nèi)外環(huán)境，學(xué)習(xí)問題歸因，構(gòu)建思維導(dǎo)圖。

2.專業(yè)理論課程

一方面，每門課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容及學(xué)習(xí)形式不盡相同，另一方面，土木工程專業(yè)理論往往結(jié)合課程實(shí)踐來進(jìn)行。因此，本文將專業(yè)理論課程教學(xué)中與學(xué)生互動(dòng)的部分進(jìn)行拆解，主要包括理論認(rèn)知以及課程作業(yè)與實(shí)踐兩個(gè)部分。

在理論認(rèn)知方面，學(xué)生可以充分利用專業(yè)導(dǎo)論課程所設(shè)計(jì)的相關(guān)場(chǎng)景提出問題。課程作業(yè)主要包括兩類：一類為客觀題目，主要是基于已建立或待建立的經(jīng)典模型，利用經(jīng)典力學(xué)與數(shù)學(xué)進(jìn)行計(jì)算分析;另一類為主觀題目，側(cè)重于研究分析。

針對(duì)客觀題目，專業(yè)課教師可以建立參數(shù)化模型，動(dòng)態(tài)生成作業(yè)及參考答案，使得每一個(gè)學(xué)生（小組）可以解答不同參數(shù)的同類型問題，規(guī)避了作業(yè)抄襲問題;針對(duì)主觀題目，專業(yè)課教師可以利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)互批點(diǎn)評(píng)，也可以結(jié)合學(xué)生的專業(yè)認(rèn)知提出現(xiàn)實(shí)問題，進(jìn)行互動(dòng)解答，豐富課程互動(dòng)的內(nèi)容與形式。此外，不同專業(yè)課的教師還可以利用平臺(tái)獲取與共享教學(xué)素材，形成良好的課程間互動(dòng)。

3.專業(yè)設(shè)計(jì)課程

設(shè)計(jì)可以說是理解理論并通向?qū)嵺`的橋梁，在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)審查、施工培訓(xùn)以及跨專業(yè)協(xié)調(diào)。國內(nèi)土木工程專業(yè)大都將設(shè)計(jì)類課程分為設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐兩個(gè)部分，例如鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、道路鋪面設(shè)計(jì)、道路線形設(shè)計(jì)、混凝土橋梁設(shè)計(jì)等，很多歐美國家土木工程教學(xué)中的設(shè)計(jì)實(shí)踐部分往往不專門設(shè)置課程，而是以實(shí)踐的形式存在。設(shè)計(jì)本身是一個(gè)以學(xué)生為主的主動(dòng)行為，學(xué)校及教師應(yīng)該以提供平臺(tái)和輔導(dǎo)為主，而非設(shè)計(jì)教學(xué)。基于VR技術(shù)、AR技術(shù)的發(fā)展，未來的設(shè)計(jì)實(shí)踐將趨向于利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)共享素材資源，而不是受限于學(xué)校的地理位置與社會(huì)關(guān)系。

本文基于VR技術(shù)的發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)類課程初步進(jìn)行了近期、遠(yuǎn)期的規(guī)劃設(shè)計(jì)。（1）從近期來看，逐漸減少甚至取消設(shè)計(jì)課程教學(xué)學(xué)時(shí)，只進(jìn)行理論教學(xué)并培養(yǎng)學(xué)生閱讀理解相關(guān)文獻(xiàn)規(guī)范的能力，補(bǔ)充直接設(shè)計(jì)實(shí)踐，從設(shè)計(jì)題目逐漸過渡為實(shí)際場(chǎng)景。（2）從遠(yuǎn)期來看，虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互平臺(tái)為設(shè)計(jì)的完整性提供了可能。此外，從就業(yè)及學(xué)科發(fā)展的角度來說，土木工程師并不是土木設(shè)計(jì)師，設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)于計(jì)算機(jī)的依賴性越來越強(qiáng)，提升學(xué)生對(duì)基本原理、設(shè)計(jì)工具（BIM技術(shù)）及實(shí)踐的理解能力更為重要。

4.實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐

利用VR技術(shù)來開展實(shí)驗(yàn)課教學(xué)由來已久，主要包括虛擬設(shè)施、虛擬環(huán)境、虛擬空間與虛擬人物四個(gè)部分。虛擬設(shè)施是指實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地及教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的原因?qū)е乱恍┙虒W(xué)實(shí)驗(yàn)無法開設(shè)，因此利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供設(shè)施，讓學(xué)生感受教學(xué)實(shí)驗(yàn)。虛擬環(huán)境主要針對(duì)有危險(xiǎn)的環(huán)境（如化學(xué)燃爆、外科手術(shù)模擬），利用虛擬現(xiàn)實(shí)參與實(shí)現(xiàn)，避免發(fā)生事故與風(fēng)險(xiǎn)。虛擬空間是指人的感受空間的縮小與擴(kuò)大以及跨越時(shí)間限制的能力，既可以感受微觀世界，也可以感受宏觀系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)的角度就是既可以探索材料與構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以俯瞰城市變遷。虛擬人物大都用于人文藝術(shù)學(xué)科的體驗(yàn)式教學(xué)，從工程實(shí)驗(yàn)的角度來說主要體現(xiàn)為虛擬教師。BIM技術(shù)可以結(jié)合力學(xué)分析實(shí)驗(yàn)、仿真模擬實(shí)驗(yàn)等，將模型數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛共享并應(yīng)用于各類場(chǎng)景。

實(shí)踐主要包括設(shè)計(jì)實(shí)踐與實(shí)習(xí)兩個(gè)部分。學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)可以利用拍攝的圖片、視頻再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景，利用BIM模型構(gòu)建結(jié)構(gòu)設(shè)施，觀察實(shí)際效果。而在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，學(xué)生則可以在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)習(xí)之前，通過虛擬平臺(tái)的實(shí)習(xí)場(chǎng)景，體驗(yàn)工程建設(shè)管理的各個(gè)過程與組成部分，增強(qiáng)安全意識(shí)與全局觀;實(shí)習(xí)結(jié)束后，可以回顧不同環(huán)節(jié)，也可以了解個(gè)人受時(shí)空限制不能參與的實(shí)習(xí)內(nèi)容。

（三）三維交互式平臺(tái)建設(shè)

1.架構(gòu)設(shè)計(jì)要求

建設(shè)集數(shù)據(jù)、用戶交互軟件、互聯(lián)網(wǎng)及輕量化應(yīng)用于一體的整體解決方案。其中，數(shù)據(jù)部分包括橋梁構(gòu)件級(jí)、道路單元級(jí)結(jié)構(gòu)信息;交互軟件部分需實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的海量三維模型數(shù)據(jù)的瀏覽和管理，保證操作的連續(xù)、實(shí)時(shí)和平滑;輕量化服務(wù)部分是根據(jù)具體的學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)進(jìn)行單一過程的模型精簡(jiǎn)。用戶分為教師管理員用戶及學(xué)生一般用戶，教師用戶可以根據(jù)具體課程教學(xué)內(nèi)容自定義功能模塊。

2.接口設(shè)計(jì)原則

首先，所有元素都必須有接口，每個(gè)元素接口包含其特有的視圖信息，即同一個(gè)元素可能出現(xiàn)在多個(gè)不同角度的視圖中。一般來說，模塊接口包含接口所提供的所有方法。但是對(duì)于特有的輕量化服務(wù)來說，模塊接口不包含其提供的特定方法。

一個(gè)元素可以有多個(gè)接口。由于每個(gè)接口有一套獨(dú)立的邏輯相關(guān)資源，該接口服務(wù)于特別的元素，但是該接口所能提供的功能為元素所有功能的子集。元素通過一個(gè)接口可以與多個(gè)參與者交互，但允許的交互數(shù)量是明確的，即限制的訪問量。

3.視圖/場(chǎng)景設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的展示和模擬，包括自由定點(diǎn)的查看、俯瞰、處于場(chǎng)景中的模擬游行查看等?？梢葬槍?duì)特定三維模型進(jìn)行量算分析、兩點(diǎn)之間的可視化分析、剖面分析、挖填方分析、日照分析和定點(diǎn)觀察?？梢宰远x飛行路線或利用外部位置信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)（如GPS等），實(shí)現(xiàn)任意模型在場(chǎng)景中的沿線運(yùn)動(dòng)（如圖4所示）。

4.用戶功能設(shè)計(jì)

具備用戶自定義添加三維基礎(chǔ)模型與數(shù)據(jù)層的功能。地圖搜索服務(wù)支持多種搜索類型，包括關(guān)鍵字搜索、視野內(nèi)搜索、周邊搜索、普通建議詞搜索、POI搜索、周邊搜索等。路線規(guī)劃服務(wù)支持駕車路線查詢，可以根據(jù)輸入的起點(diǎn)、終點(diǎn)和途經(jīng)點(diǎn)（如果有）以及規(guī)劃方式查詢駕車路線。系統(tǒng)支持以下幾種方式的駕車路線查詢：最快路線、最短路線、避開高速、少步行。中心點(diǎn)定位查詢服務(wù)支持返回當(dāng)前地圖范圍的中心點(diǎn)坐標(biāo)信息。

交通安全場(chǎng)景模擬指的是模擬道路交通中與設(shè)施管理有關(guān)的場(chǎng)景，包括施工推演、應(yīng)急預(yù)案編制等。施工推演利用三維地圖360度全方位展示的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同施工方案的真實(shí)再現(xiàn)，研究施工作業(yè)對(duì)現(xiàn)有交通在實(shí)際場(chǎng)景中的影響并進(jìn)行施工組織規(guī)劃（如圖5所示）。

三、總結(jié)與展望

BIM技術(shù)與VR技術(shù)不僅可以應(yīng)用于土木工程的課程設(shè)計(jì)與認(rèn)知實(shí)踐，也可以應(yīng)用于土木工程教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，輔助實(shí)現(xiàn)不同的教學(xué)目標(biāo)。本文針對(duì)專業(yè)導(dǎo)論、專業(yè)理論、專業(yè)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐四大類課程進(jìn)行了BIM+VR技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐的探討。此外，本研究的初步探索表明，基于互聯(lián)網(wǎng)的多維信息平臺(tái)可以同時(shí)滿足不同用戶的定制化需求。以平臺(tái)形式進(jìn)行三維數(shù)據(jù)建設(shè)與平臺(tái)開發(fā)，不同類型的工程教學(xué)可以共享教學(xué)模塊與數(shù)據(jù)，利用平臺(tái)接口開發(fā)適合自己使用的課堂教學(xué)素材。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]