BIM在“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程中的教學(xué)輔助作用

陳旭東 偶偉冰

蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院 江蘇蘇州 215011

1 概述

混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)是土木工程領(lǐng)域非常重要的結(jié)構(gòu)類型。很多古建筑如城墻、城樓、拱橋等和仿古建筑都是由砌體組成的，新建設(shè)的項(xiàng)目大多會(huì)采用混凝土這種傳統(tǒng)工程材料?！盎炷僚c砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這門課前身分別是“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”和“砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，為了適應(yīng)新形勢(shì)下土木工程專業(yè)的發(fā)展，蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院將兩門課合并為“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”。在我校2018年新制定的教學(xué)大綱中，“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”為72學(xué)時(shí)，適用于土木、土木D、土木國(guó)際等相關(guān)土木工程專業(yè)。該課程是土木工程專業(yè)核心課程，涵蓋了肋梁樓蓋、單層廠房、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等重要內(nèi)容。該課程要求學(xué)生在掌握“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算模型選取、內(nèi)力分析、構(gòu)件設(shè)計(jì)和構(gòu)造處理，掌握一般工業(yè)與民用建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)掌握結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的抗震構(gòu)造處理。通過(guò)對(duì)混凝土和砌體結(jié)構(gòu)基本理論和設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神、實(shí)事求是和精益求精的科學(xué)精神，初步樹立職業(yè)使命感與責(zé)任感，為其今后從事相關(guān)專業(yè)工作樹立正確的思想基礎(chǔ)。

近年來(lái)，相關(guān)高校對(duì)“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”教學(xué)改革進(jìn)行了一系列的探索與實(shí)踐[1-3]。根據(jù)我校對(duì)該課程工程教育的相關(guān)畢業(yè)要求，“研究能力”要求：能夠基于科學(xué)原理，通過(guò)文獻(xiàn)研究或相關(guān)方法，調(diào)研和分析土木工程專業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題的合理解決方案；“使用現(xiàn)代工具能力”要求：能夠開(kāi)發(fā)或選用滿足特定需求的現(xiàn)代工具，對(duì)土木工程專業(yè)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，并能夠分析其局限性。在現(xiàn)代信息化社會(huì)，不僅要求學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握設(shè)計(jì)知識(shí)，還要求學(xué)生能夠運(yùn)用新工具，對(duì)“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這門課中涉及的工程問(wèn)題進(jìn)行分析。其中，建筑信息模型(Building Information Modelling，以下簡(jiǎn)稱BIM)是一個(gè)非常有用的工具。在授課過(guò)程中，如果能引入基于BIM的虛擬仿真，將有利于學(xué)生進(jìn)一步理解這門課的基本概念和設(shè)計(jì)理念，具有重要的教學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

2 BIM簡(jiǎn)介

BIM起源于歐美，是建筑、土木領(lǐng)域的新型工具。BIM是由Autodesk公司在2002年率先提出的，用來(lái)形容那些以三維圖形為主、物件導(dǎo)向以及建筑學(xué)有關(guān)的電腦輔助設(shè)計(jì)。它可以幫助實(shí)現(xiàn)建筑信息的集成，從建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行直至建筑全壽命周期的終結(jié)，各種信息始終整合于一個(gè)三維模型信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、施工單位、設(shè)施運(yùn)營(yíng)部門和業(yè)主等各方人員可以基于BIM進(jìn)行協(xié)同工作，有效提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

作為一項(xiàng)新型技術(shù)，BIM具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)可視性。BIM的獨(dú)特之處在于采用參數(shù)代替數(shù)據(jù)信息進(jìn)行建模，建立工程結(jié)構(gòu)的三維立體模型，反映工程建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)。(2)準(zhǔn)確性。BIM技術(shù)以采集的數(shù)據(jù)為參量，直觀地展示了工程模型，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，確定所需材料。(3)協(xié)同性。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，可使設(shè)計(jì)走向一體化，提高設(shè)計(jì)的整體協(xié)同能力，保證工程順利進(jìn)行。(4)模擬性。BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)可視化模擬，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)分析篩選，快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

混凝土結(jié)構(gòu)，尤其是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，涉及很多部件，如梁、柱以及節(jié)點(diǎn)等，這些構(gòu)件都可以采用BIM進(jìn)行建模，并將其信息存儲(chǔ)于其中[4]；砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大量的磚塊信息特別適合采用BIM進(jìn)行分析[5]。此外，在課程的教學(xué)中，通過(guò)適當(dāng)?shù)腂IM可視化策略，可以將抽象的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法，以圖片、視頻的形式展示給學(xué)生，對(duì)學(xué)生深入理解并掌握設(shè)計(jì)方法，具有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。

3 課程教學(xué)與BIM應(yīng)用

本節(jié)討論作者如何在“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的課程教學(xué)中具體應(yīng)用BIM技術(shù)，在豐富課堂內(nèi)容的同時(shí)，優(yōu)化教學(xué)方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。在教學(xué)過(guò)程中，以教育部土木工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)相關(guān)文件和我?！盎炷僚c砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況和社會(huì)對(duì)新時(shí)代土木工程人才的需求。本節(jié)所展示的BIM示例均是由Revit生成的。Revit是Autodesk公司一套系列軟件的名稱，是專為BIM構(gòu)建的，結(jié)合了Architecture、MEP和Structure的功能，可幫助專業(yè)人員設(shè)計(jì)，建造和維護(hù)質(zhì)量更好、能效更高的建筑。

授課老師(第一作者)和研究生助教(第二作者)建立了“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的BIM教學(xué)案例庫(kù)。在建設(shè)過(guò)程中，選取了中國(guó)古代和現(xiàn)代建設(shè)中的典型工程，制作了結(jié)構(gòu)在各種工況下受力、變形，乃至破壞的BIM虛擬仿真案例。選取案例時(shí)，注重弘揚(yáng)中國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，體現(xiàn)中國(guó)古代和現(xiàn)代建設(shè)成就。同時(shí)，對(duì)單層廠房、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等工程設(shè)計(jì)方案，引入BIM虛擬仿真技術(shù)，向?qū)W生直觀展示結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，介紹符合抗震規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造措施。

下面通過(guò)兩個(gè)案例來(lái)具體說(shuō)明BIM在“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中的應(yīng)用。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)講到筒體結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)介紹框筒的概念?？蛲彩怯刹贾迷诜课菟闹艿拿芗⒅c高跨比很大的窗間梁組成的一個(gè)多孔筒體。從形式上看，猶如四榀平面框架在房屋的四角黏合而成，與框架結(jié)構(gòu)形狀相似。但框筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，不能采用框架結(jié)構(gòu)在水平和豎向力作用下的內(nèi)力計(jì)算方法，即框筒和框架是有本質(zhì)區(qū)別的。對(duì)于框筒，一般要求每一立面窗洞面積不大于墻面面積的60%，如果開(kāi)洞太大，框筒就會(huì)退化為框架。那么如何向?qū)W生展示框筒到框架的退化呢？作者采用Revit對(duì)正常的框筒進(jìn)行建模，然后控制窗洞尺寸使其不斷擴(kuò)大，而窗間墻尺寸不斷縮小，當(dāng)達(dá)到一定限值的時(shí)候，窗間墻成為一根細(xì)長(zhǎng)的“桿件”。此時(shí)，框筒便退化成了框架。在此過(guò)程中，我們利用了BIM的可視化技術(shù)，向?qū)W生動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)了這個(gè)過(guò)程。

當(dāng)講到混凝土—砌體混合結(jié)構(gòu)房屋時(shí)，由于水平承力構(gòu)件如樓蓋、屋蓋采用混凝土結(jié)構(gòu)，而豎向承力構(gòu)件如墻、基礎(chǔ)采用砌體結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮承重墻的結(jié)構(gòu)布置形式。承重墻的結(jié)構(gòu)布置不外乎有橫墻承重、縱墻承重、縱橫墻承重和內(nèi)框架承重等四種方案。這幾種承重方案，在傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)中，通過(guò)圖片展示和文字講解，雖也能講清楚，但易流于煩瑣。作者在授課時(shí)，運(yùn)用BIM技術(shù)，建立了四種承重方案的結(jié)構(gòu)模型。演示時(shí)，可從多個(gè)角度，帶著學(xué)生身臨其境地以第一視角觀看，學(xué)生對(duì)這四種承重方案的理解就大大加深了?？梢?jiàn)，在這兩個(gè)案例中，BIM均起到了很好的教學(xué)輔助作用。

(a)框筒結(jié)構(gòu)

4 BIM輔助教學(xué)效果評(píng)價(jià)

本節(jié)討論“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程采用傳統(tǒng)多媒體教學(xué)與BIM輔助教學(xué)在教學(xué)效果、教學(xué)質(zhì)量和成績(jī)提升方面的比較。如前所述，對(duì)于“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，有些章節(jié)的內(nèi)容適合傳統(tǒng)多媒體和板書教學(xué)，有些章節(jié)的內(nèi)容則適合采用BIM輔助教學(xué)作為補(bǔ)充。以上兩種教學(xué)方式均在蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院土木18級(jí)的“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”教學(xué)過(guò)程中開(kāi)展了實(shí)踐。根據(jù)調(diào)查問(wèn)卷(土木1811、1812班共發(fā)放問(wèn)卷58份，收回有效問(wèn)卷55份)的反饋結(jié)果，通過(guò)開(kāi)展BIM輔助教學(xué)，學(xué)生表示對(duì)該課程的興趣提高了。原先有超過(guò)一半的學(xué)生，認(rèn)為“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”難度大，且不容易取得好成績(jī)，因此興趣一般。采用了BIM輔助教學(xué)后，覺(jué)得有趣的學(xué)生占比大幅增加，而原來(lái)覺(jué)得一般或沒(méi)意思的人數(shù)所占百分比大為減少(圖2)。并且，采用BIM輔助教學(xué)的章節(jié)，學(xué)生的注意力明顯提高。興趣是最好的老師，正是因?yàn)閷W(xué)生有興趣，BIM輔助教學(xué)不僅能加深學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解，還能使得學(xué)生在課堂上更加專注，更加集中注意力。可見(jiàn)，絕大多數(shù)學(xué)生表示認(rèn)可這種BIM輔助教學(xué)方式，覺(jué)得受益匪淺。

圖2 學(xué)生對(duì)BIM輔助教學(xué)課程內(nèi)容的感興趣程度對(duì)比

對(duì)實(shí)行BIM輔助教學(xué)的“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程期末成績(jī)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，土木1811和1812班大多數(shù)學(xué)生都取得了比較好的成績(jī)。將重修的學(xué)生剔除在外，土木1811和1812班(共53人)2020—2021第二學(xué)期“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”期末成績(jī)分布可見(jiàn)右表。由右表可知，土木1811和1812班兩個(gè)教學(xué)班，大多數(shù)人取得了較好的成績(jī)，優(yōu)良率達(dá)到32.1%，約占全班總數(shù)的1/3。另外，“中”和“及格”的學(xué)生比例分別為37.7%和17.0%，而“不及格”的學(xué)生占比為13.2%。考慮到“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程是土木工程專業(yè)的核心課程，具有一定的難度和淘汰率，取得這樣的成績(jī)是可以理解和接受的，也是不容易的。同時(shí)，成績(jī)總體也符合正態(tài)分布，BIM輔助教學(xué)對(duì)提高學(xué)生成績(jī)具有一定的促進(jìn)作用。

“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程期末成績(jī)分布表

BIM輔助教學(xué)效果不僅僅體現(xiàn)在學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的被動(dòng)吸收上，還在于可以激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和能動(dòng)性。以“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程為例，一些學(xué)有余力的學(xué)生在課后，采用BIM軟件，對(duì)單層廠房、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)的豎向和水平承載力，進(jìn)行了建模；對(duì)砌體結(jié)構(gòu)墻體高厚比的驗(yàn)算，采用Revit軟件進(jìn)行了可視化的展示；同時(shí)，這些學(xué)生組成了學(xué)習(xí)小組，在課堂上將他們使用BIM軟件的成果和體會(huì)作了分享，向全班同學(xué)作了匯報(bào)。通過(guò)這樣的教育和學(xué)習(xí)，同學(xué)們一致認(rèn)為自己在參與中真正掌握了有關(guān)的專業(yè)知識(shí)。

結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合作者的教學(xué)經(jīng)歷，討論了BIM技術(shù)在“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中的應(yīng)用和輔助教學(xué)作用。雖然“混凝土與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”這門課的重點(diǎn)在于講解結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但在BIM技術(shù)的輔助下，學(xué)生能夠更加深刻地理解課程的內(nèi)容，更加專注地參與課堂學(xué)習(xí)，且取得了較好的期末成績(jī)。因此，本文所介紹的方法切實(shí)可行，可操作性強(qiáng)，具有很好的借鑒意義和推廣價(jià)值。