基于BIM與VR技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)施工課程教學(xué)改革研究

【摘" "要】" "提出基于BIM和VR技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)施工課程的技術(shù)框架，包括數(shù)據(jù)搜集、分析、整理，建模和模擬以及VR展示的三個階段。通過不斷調(diào)整，形成最適合學(xué)生學(xué)習(xí)的VR模型。這種優(yōu)化的教學(xué)方法滿足了行業(yè)對新型人才的需求。

【關(guān)鍵詞】" "BIM；VR；裝配式；技術(shù)框架

【Abstract】" " Based on BIM and VR technology， this paper proposes a technical framework for the prefabricated structure construction course， including three stages： data collection， analysis， and organization， modeling and simulation， and VR presentation. After continuously adjusted， the most suitable VR models for student learning is developed. This optimized teaching method meets the industry's demand for new talents.

【Key words】" " "BIM; VR; prefabricated; technology framework

〔中圖分類號〕 G642.0" " " " " " " " " "〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕" A

〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）04 - 0120 - 06" " ""DOI：10.20218/j.cnki.1674-3229.2024.04.018

0" " "引言

隨著數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)和第四次工業(yè)革命的快速發(fā)展，建筑行業(yè)也需要不斷引入新的技術(shù)以應(yīng)對快速變化的需求。然而，在利用數(shù)字和新興技術(shù)方面，建筑行業(yè)并沒有像其他行業(yè)那樣積極和高效，因為傳統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)非常普遍且形成了規(guī)模，而不熟悉的新技術(shù)總會帶來諸多的問題，例如裝配式施工方式的推進就十分緩慢。同樣地，建筑專業(yè)的傳統(tǒng)教學(xué)方法也沒有完全主動地響應(yīng)行業(yè)快速變化的需求，無法為社會輸送可直接上崗的掌握新技術(shù)的實用型人才。傳統(tǒng)的建筑教學(xué)方法存在許多弊端：首先，課程中都是一些傳承多年的陳舊知識，缺乏新穎的切合實際的新知識［1］；其次，學(xué)生進入實際工作場所的機會有限，無法將課堂上學(xué)習(xí)的知識用于實踐，缺乏實踐對理論的檢驗；再次，傳統(tǒng)的CAD軟件無法用于復(fù)雜的3D模型的展示及檢驗，制約了新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；最后，傳統(tǒng)的教學(xué)方法缺乏引人入勝的可互動的教學(xué)環(huán)境，無法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，諸多學(xué)者開始致力于開拓基于BIM（Building Information Modeling）和VR（Virtual Reality）技術(shù)的新型教學(xué)方法。

余宏亮等［2］從工程管理專業(yè)的實際情況出發(fā)，提岀了建設(shè)BIM虛擬仿真實訓(xùn)平臺的整體架構(gòu)。王凱等［3］開發(fā)了一種創(chuàng)新的裝配式建筑教學(xué)平臺，該平臺融合了BIM與VR技術(shù)，并從工程管理教育的視角闡述了其對建筑產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重要性及潛在影響。陸海燕等［4］則將BIM技術(shù)和VR技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于土木工程施工課程的教學(xué)實踐中，并構(gòu)建了基于BIM+VR的仿真教學(xué)系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的教學(xué)方法上進行了創(chuàng)新和優(yōu)化，促進了教學(xué)方法的改革。楊陽等［5］依托實際工程項目案例，對土木工程施工課程實施了基于BIM與VR技術(shù)的探索，從而革新了傳統(tǒng)的教學(xué)模式。李萌萌等［6］則是在裝配式建筑實驗教學(xué)框架內(nèi)，針對BIM+VR技術(shù)展開了實踐教學(xué)研究，并構(gòu)建了一種全新的信息技術(shù)應(yīng)用模式。這些研究成果共同為建筑類專業(yè)教育中BIM與VR技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域。從以上研究不難看出，諸多學(xué)者在將BIM和VR應(yīng)用于建筑類課程的探討中都做出了卓越的貢獻(xiàn)。

2016年，國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》中明確提出“鼓勵高等學(xué)校、職業(yè)學(xué)校設(shè)置裝配式建筑相關(guān)課程，推動裝配式建筑企業(yè)開展校企合作，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式”。在國家大力號召及行業(yè)推動下，許多高校都開展了裝配式建筑相關(guān)課程，旨在培育符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)人才。在裝配式結(jié)構(gòu)施工課程中引入BIM與VR技術(shù)，將枯燥的課本知識轉(zhuǎn)換成可沉浸式體驗的學(xué)習(xí)模型，可更高效地進行知識的傳遞，同時還能顯著激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動性，增強其實踐能力以更好地適應(yīng)建筑業(yè)的新要求。因此，將BIM與VR技術(shù)應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)施工課程的教學(xué)是未來建筑行業(yè)教學(xué)的重點發(fā)展方向。

1" " "BIM與VR簡介

1.1" "BIM

BIM，全稱為“Building Information Modeling”，即建筑信息模型， 指的是在建設(shè)工程及其設(shè)施的全壽命周期內(nèi)，運用三維數(shù)字技術(shù)，將項目的各種信息集成在一起，對其實體的物理和功能特性進行數(shù)字化表述，并據(jù)此進行設(shè)計、建造及運營管理的過程。通過運用BIM技術(shù)，二維的工程項目數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為三維實體模型，從三維視角直觀展現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)及其空間布局，顯著提升了建筑工程的信息化與集成度。其中可視化是 BIM 技術(shù)最顯著的特點之一，也正是因為這個突出的優(yōu)勢，近年來BIM技術(shù)逐漸被引入高校課程建設(shè)領(lǐng)域，取得了良好的效果。

1.2" "VR

VR是“Virtual Reality”的縮寫，即虛擬現(xiàn)實技術(shù)或虛擬仿真技術(shù)，指的是以計算機技術(shù)為核心，通過仿真出虛擬世界的基本情景，帶給使用者以視覺、觸覺和聽覺的真實性體驗感的一種計算機仿真系統(tǒng)。利用VR技術(shù)，能夠創(chuàng)建虛擬世界，使用戶脫離現(xiàn)實環(huán)境，沉浸于模擬場景中。在此場景中，使用者可以通過雙手、眼睛、耳朵等多個身體部位的感知而實現(xiàn)身臨其境的體驗。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，VR已經(jīng)在航空航天、汽車制造、建筑規(guī)劃等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在建筑工程中，VR技術(shù)也在虛擬施工及家裝、虛擬仿真安全培訓(xùn)等方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。近年來也逐步應(yīng)用于高校的課程建設(shè)中，有效解決了傳統(tǒng)教學(xué)資源受限、工地實習(xí)安全風(fēng)險大等問題，大幅度提升了教學(xué)質(zhì)量。此舉不僅滿足了學(xué)生的實踐需求，還將抽象枯燥的書本知識以直觀形象的方式呈現(xiàn)出來，促進了學(xué)生的理解與學(xué)習(xí)。

1.3" "BIM+VR

BIM技術(shù)更側(cè)重于三維數(shù)字模型的創(chuàng)建，以展示建筑產(chǎn)品的關(guān)鍵信息，而VR技術(shù)強調(diào)的是虛擬體驗，通過計算機仿真構(gòu)建虛擬環(huán)境，使用戶能夠沉浸式感知虛擬世界。盡管BIM技術(shù)能將建筑平面圖紙轉(zhuǎn)化為可視化的三維模型，實現(xiàn)信息的處理、傳遞與共享，但在視覺呈現(xiàn)與交互體驗方面，與VR技術(shù)相比仍有不足之處。因此，在基于BIM模型的基礎(chǔ)上，借助VR設(shè)備，實現(xiàn)兩者技術(shù)的融合勢在必行。

相比于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，基于BIM和VR技術(shù)的沉浸式課程內(nèi)容，彌補了傳統(tǒng)授課方式單一化的缺點，使課程內(nèi)容多樣化，讓學(xué)生做到自己手動完成實踐，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。尤其是一些施工中罕見的高難度、高危險施工場景，BIM和VR技術(shù)的使用，可提供高真實度的虛擬環(huán)境，且不受場地限制，最大限度模擬真實場景下可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題與安全事故，能更高效地完成學(xué)生的安全教育。同時，BIM和VR技術(shù)的應(yīng)用，使得全專業(yè)的模型得以形象地展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生從一科內(nèi)容聯(lián)系到多科內(nèi)容，進而為行業(yè)培養(yǎng)出“跨專業(yè)”的復(fù)合型人才。

2" " "基于BIM與VR的課程技術(shù)框架的建立

該框架主要由三個階段組成，第一個階段是數(shù)據(jù)的搜集、分析、整理。在這個階段，教師、現(xiàn)場施工人員、學(xué)生三方人員共同對當(dāng)前裝配式結(jié)構(gòu)施工課程中的知識點進行匯總整理，所得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于第二階段進行的建模和模擬。第三階段是以第二階段完成的3D模型和模擬場景為基礎(chǔ)，進行VR展示。在第三階段VR體驗中，學(xué)生可就實際效果給出評價，考察相應(yīng)知識點的VR展示是否能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。如果能滿足學(xué)生的需求，則成為最終成果。如果不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，則就存在的問題進行分析。如果是建模粗糙導(dǎo)致畫面不優(yōu)或是建模不準(zhǔn)確、不完善等問題，可退回到第二階段，由技術(shù)人員繼續(xù)調(diào)整模型，然后重新進行VR展示。如果不是模型效果問題，應(yīng)該就是相應(yīng)知識點表述不清晰等問題，需要退回到第一階段，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)搜集整理，完善后再按原順序進行后期的任務(wù)。如此，經(jīng)過反復(fù)多次調(diào)整，可得到最優(yōu)的適于學(xué)生學(xué)習(xí)的裝配式結(jié)構(gòu)施工模型。具體的流程如圖1。

2.1" "數(shù)據(jù)的搜集、分析和整理

在第一階段中，數(shù)據(jù)搜集、分析和整理的過程主要經(jīng)歷了如下三個方面：一個是課本的理論知識，由教師從傳統(tǒng)的教學(xué)方法中總結(jié)出相應(yīng)的知識點，作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；第二個是實踐知識，由有經(jīng)驗的現(xiàn)場施工人員對教師整理的重點知識進行補充升級，完善相應(yīng)的施工重點；第三個是使用者補充的知識，由學(xué)生對現(xiàn)有的知識點進行提問，無法理解或需要提升的部分，打回給教師或現(xiàn)場施工人員進行補充，以完善前期所需要的知識點數(shù)據(jù)。此階段收集的數(shù)據(jù)主要用于后期的建模和模擬。而數(shù)據(jù)的獲取渠道又可以分為兩個：一個渠道，對于基本的知識點數(shù)據(jù)可以從課本或資料中獲取，例如，施工構(gòu)件的尺寸等；另一個渠道，對于現(xiàn)場和環(huán)境的數(shù)據(jù)可以利用3D掃描技術(shù)來獲得更精確的數(shù)據(jù)。從這兩個渠道，經(jīng)過教師、現(xiàn)場施工人員、學(xué)生三個主體最終分析整理所得的數(shù)據(jù)就是第一階段所得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體流程如圖2。

2.2" "建模和模擬

在第二階段，主要是處理第一階段得到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)建相應(yīng)知識點所處的場地和建筑的3D模型和模擬，為最終模型的沉浸式體驗做準(zhǔn)備。Autodesk Revit是最常用的一種建模工具，借助Revit軟件，將第一階段所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成全面的3D模型，包括基本的構(gòu)件、節(jié)點等。然后將Revit模型轉(zhuǎn)移到Lumion或Twinmotion中，以獲得更逼真和高質(zhì)量的模擬效果。在這個階段，除了施工建筑模型外，還可以添加各種背景元素和現(xiàn)實效果，如材料、紋理、顏色、景觀特征和氣候條件等，這些元素的參與，可以獲得更現(xiàn)實和更理想的模擬結(jié)果。最終得到的模擬模型，就是第二階段的成果。具體流程如圖3。

2.3" "VR展示

在第三階段，主要是將第二階段中得到的模擬模型使用VR技術(shù)呈現(xiàn)出來，給學(xué)生以沉浸式體驗。這種沉浸式的VR體驗可以增強學(xué)生的空間感知力，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大幅度提高，進而加強對所學(xué)知識點的記憶。為了更好地讓學(xué)生沉浸在模擬環(huán)境中，本階段采用了聯(lián)想拯救者Y9000P這款高配置的游戲筆記本電腦，其高性能可以呈現(xiàn)出更好的畫質(zhì)且不卡頓，進而帶給學(xué)生更好的體驗。同時，本階段還采用了Oculus Rift S這款頭戴式VR一體機及其控制器，為學(xué)生提供超逼真的視覺體驗，這無疑大大提高了學(xué)生的探索欲和求知欲。本階段最后得到的VR展示效果就是本文中提及的技術(shù)框架的最終成果。具體流程如圖4。

3" " "案例研究

基于BIM與VR技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)施工課程的技術(shù)框架，下面介紹“預(yù)制墻體安裝”這個知識點的相關(guān)模型的建立過程。

3.1" "“預(yù)制墻體安裝”相關(guān)知識點的搜集、分析和整理

經(jīng)過教師、現(xiàn)場施工人員、學(xué)生三方人員對“預(yù)制墻體安裝”相關(guān)知識點的整合，最終整理成以下幾個步驟。

（1） 首先測量放線，完成后用專用鋼筋定位檢查工具來復(fù)核預(yù)留鋼筋的定位和垂直度。之后進行鋼墊片的放置，并用水準(zhǔn)儀完成標(biāo)高復(fù)核。

（2） 安裝預(yù)制墻體，使用吊車將預(yù)制墻體吊至安裝位置，運行至工作面1 m處停止降落，由操作人員手扶引導(dǎo)降落，用鏡子來觀察預(yù)留鋼筋是否對孔，之后將墻體緩慢下落就位。

（3） 安裝斜支撐，使用支撐架或臨時固定裝置對墻體進行初步固定，確保墻體不會移動或傾斜。校正墻體定位，同時通過激光水平儀或線錘檢查墻體的垂直度。

（4） 摘鉤后，將預(yù)制墻體和樓板之間的縫隙用干硬性水泥砂漿進行填塞。

（5） 塞縫完成后，進行灌漿作業(yè)。具體操作如下：將攪拌好的漿料進行流動度檢測→封堵下排注漿孔→插入注漿管進行注漿→當(dāng)漿料從上口成柱狀流出時，對上排注漿孔進行逐個封堵→抽出注漿管嘴，封堵注漿孔。

3.2" "BIM模型的建立和模擬

結(jié)合給定項目中預(yù)制墻體的相關(guān)信息（鋼筋信息、墻體尺寸、混凝土等級等信息），在BIM操作軟件Autodesk Revit中建立墻體的三維模型。在建立三維模型的過程中，學(xué)生可以鍛煉自身識讀建筑施工圖紙的能力，同時能夠熟悉構(gòu)件的幾何參數(shù)、材料性能等基本知識，進而加強對一些細(xì)節(jié)內(nèi)容的把控，例如預(yù)留孔洞的位置。具體預(yù)制墻體的模型見圖5。

將完成的預(yù)制墻體模型圖導(dǎo)入到Lumion或Twinmotion中，以完成預(yù)制墻體安裝的模擬效果。圖6-圖9是從模擬視頻中截取的效果圖：圖6是測量放線后，放置鋼墊片；圖7是預(yù)制墻體的吊裝；圖8是安裝斜支撐后，進行預(yù)制墻體和樓板之間的塞縫；圖9是塞縫完成后進行的灌漿作業(yè)。

3.3" "VR模擬操作

學(xué)生借助筆記本電腦和Oculus Rift S這款頭戴式VR一體機及其控制器沉浸式體驗預(yù)制墻體的安裝過程。首先，可以進行工地導(dǎo)覽，完成對整個施工現(xiàn)場布置情況的沉浸式游覽和操作，了解現(xiàn)場布置的規(guī)范要求。其次，可以完成對預(yù)制墻體的沉浸式操作，親身經(jīng)歷構(gòu)件的吊裝和就位。最后，可以親自體會灌漿的過程，掌握灌漿的工藝流程和施工操作要點。

4" " "實施效果

將BIM與VR技術(shù)應(yīng)用到裝配式結(jié)構(gòu)施工課程的教學(xué)改革中，既提升了教學(xué)的直觀性和可操作性，也加強了理論與實踐的結(jié)合，更激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自主學(xué)習(xí)能力。受益學(xué)生涵蓋了本校建筑工程學(xué)院2020級、2021級、2022級工程管理專業(yè)、土木工程專業(yè)和歷史建筑保護專業(yè)全體學(xué)生，人數(shù)高達(dá)500余人。

通過BIM與VR技術(shù)的應(yīng)用，相較于之前傳統(tǒng)教學(xué)方式，學(xué)生在虛擬環(huán)境中可以通過反復(fù)試錯來獲得實時反饋，以及時糾正錯誤，因此積累了大量的“實操”經(jīng)驗，這種低風(fēng)險的練習(xí)模式大大提升了學(xué)生的自信心和技術(shù)水平，為就業(yè)、擇業(yè)奠定了堅實基礎(chǔ)。

5" " "結(jié)語

本文建立了一個基于BIM和VR技術(shù)的裝配式結(jié)構(gòu)施工課程技術(shù)框架。該框架不僅能夠為課程開發(fā)提供系統(tǒng)的技術(shù)支撐，還可以根據(jù)教學(xué)需求靈活地生成和優(yōu)化各種裝配式建筑的施工知識點VR模型。這些VR模型生動、直觀地再現(xiàn)了裝配式施工的各個環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠身臨其境地感知并學(xué)習(xí)施工過程，大大提高了教學(xué)的實用性和可操作性。

本研究首次提出了一種全新的教學(xué)參與模式，即讓學(xué)生主動參與到知識點的搜集、整理以及VR模型的調(diào)整優(yōu)化過程中。這不僅提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度，還激發(fā)了他們的主動探索精神和求知欲望，真正實現(xiàn)了教學(xué)中“學(xué)以致用”的理念。此外，學(xué)生的參與也極大地提升了VR模型的實際應(yīng)用效果和質(zhì)量，在教學(xué)內(nèi)容和形式上更貼近實際施工情況。這種雙向互動的模式，不僅提高了教學(xué)效率，還增強了學(xué)生對裝配式建筑技術(shù)的理解和掌握，為今后的技術(shù)應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。通過這種創(chuàng)新的教學(xué)框架，能夠有效彌合高校教育與建筑行業(yè)發(fā)展的差距。隨著這一技術(shù)框架的不斷完善和推廣，將培養(yǎng)出更多具備BIM與VR技術(shù)應(yīng)用能力的裝配式建筑專業(yè)人才，滿足行業(yè)未來的發(fā)展需求。

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［6］" 李萌萌，李帆，姜鳳珍，等.BIM+VR技術(shù)在裝配式建筑構(gòu)造虛擬仿真實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.科技風(fēng)，2022（2）：132-134.

責(zé)任編輯" "曹秀利

［收稿日期］" "2024-05-25

［基金項目］" "廊坊師范學(xué)院2019年校級教育教學(xué)改革項目“建筑信息模型虛擬仿真技術(shù)在建筑施工教學(xué)中的應(yīng)用研究”（K2019-27）；廊坊師范學(xué)院2023年教改課題“基于SPOC理念的《清官式瓦石作》線上線下混合式課程建設(shè)研究”（K2023-06）

［作者簡介］" "尹歡歡（1987- ），女，碩士，廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院講師，研究方向：BIM、裝配式建筑。