BIM+三维模拟在“桥梁工程”教学中探讨

2022-09-21 16:45:19 来源:写作指导

摘要:针对“桥梁工程”结构体系多样、构造复杂的教学特点,提出基于BIM技术的三维模拟情景教学法。对于采用传统教学方法难以讲解清楚的重要知识点,利用BIM技术可建立三维参数化模型,教师在课堂教学时利用三维模型良好的可视化效果将复杂问题直观化,克服了学生必须通过较强的空间想象才能理解教学内容的问题。在课程教学中融入BIM理念及技术,是对传统的教学手段和模式的有益补充,提高了教学效率与教学质量,激发了学生自主学习和探索的兴趣,培养了学生分析问题和解决问题的能力,实现了师生良好互动和课堂翻转。

关键词:“桥梁工程”;BIM技术;教学改革;三维模拟

情景教学法建筑信息模型(BIM)在近10年迅速发展,推动了整个土木建筑行业新的变革[1]。BIM技术能够集成桥梁工程项目在设计、施工及后期管养各个阶段的相关信息数据,实现桥梁工程项目全寿命周期的数据共享,有利于实现桥梁全寿命设计理念及目标,以提升项目质量、降低全寿命建造及维护成本[2]。目前,BIM技术在桥梁工程中的应用主要体现在优化设计方案、碰撞检查、三维施工方案模拟、工程量精确量算、信息交互及运维管理平台等方面[3],如图1所示。尽管中国BIM技术存在应用能力不平衡、集成化程度不高等问题,并没有在桥梁工程项目中得到全面推广,但基于BIM技术的智能化和高精度化的全寿命桥梁设计势必是未来发展的方向[4]。

1“桥梁工程”课程教学现状及存在的问题

“桥梁工程”结构体系众多、构造复杂,是一门实践性很强的课程,对于没有实践经验、缺乏生活常识的学生学习复杂的桥梁构造是困难的,而掌握桥梁构造特点是正确进行桥梁结构设计的基础。目前在桥梁各部分构造的教学中,教师仍主要应用传统媒体如幻灯片、施工照片、教学视频(自制或来源于网络)及教学模型。新形势下教学改革理念是培养学生自主学习能力和创新能力,教学以“学生为中心”,教师主要起引导及答疑作用[5]。经过几轮培养方案的调整,道桥类专业课学时数已大幅减少,一些必修课程也变为选修课程。如何充分发挥学生的主观能动性、充分利用课堂以外的时间进行自主学生和创新就显得尤为重要。

2以BIM为手段的三维模拟情景法教学

在课堂教学课时不断被缩减而教学内容不断更新和扩充的矛盾下,必须采用更加先进的教学手段来确保课堂教学的质量[6]。随着BIM技术不断被推广和普及,将BIM技术融入课程教学中已成为可能。采用BIM技术对桥梁工程中一些复杂构造构建三维参数化模型,可更加直观、形象地展示桥梁的复杂的细部构造,以BIM先进的技术和手段更好地实现直观教学法,大幅度提高课堂教学效率及质量。

2.1三维模拟情景法教学案例的设计

根据新工科对学生复合交叉、实践创新能力培养的要求,结合桥梁工程中重难点知识点,采用常规教学手段难以讲解清楚的内容,选择三维模拟情景法教学内容。通过反复优化调整最终确定建模内容,如表1所示。在开展桥面布置与构造教学时,可根据实际桥梁工程的施工图纸采用Revit软件将主梁之上的桥面系部分建立三维参数化模型,该模型不仅能清晰地展示桥面铺装、伸缩缝、防排水系统、人行道及栏杆的总体布置,而且也能显示各组成部分的细部构造,如常见桥面铺装的三角垫层、防水层、行车道铺装层等。学生可非常形象直观地掌握桥面系的各组成部分及构造特点,避免按图片和文字讲解而导致内容繁多、枯燥乏味等问题。简支T梁桥的计算是桥梁工程教学的重点和难点,掌握其构造是进行计算分析的前提条件,而由于缺乏工程经验和空间想象力,学生很难通过二维平面图弄清楚其复杂的构造,若采用BIM软件对简支T梁桥上部结构进行参数化建模,则可清楚展示T梁、横梁及桥面板的布置及连接。解决了教师采用常规教学手段难以将T梁桥上部构造讲解清楚的困惑。悬臂施工法是大跨径桥梁最常用的施工方法,在各种桥型中均有广泛应用。掌握该工法是正确进行分阶段悬臂施工的桥梁结构计算的前提。可利用BIM技术创建三维动画模型,生动形象地展示整个悬臂施工工序,在动画中镜头由远处向一个标准悬臂节段靠近,充分展示一个标准悬臂节段施工所包括的关键工序,即挂篮前移及调整—混凝土浇筑—预应力张拉。整个动画模型设计紧凑、逼真,很好地展示了整个悬臂施工流程及关键工序。其他教学案例的设计因篇幅所限不一一展开,其共同特点是利用BIM强大的三维可视化技术对桥梁工程教学中一些难以通过二维平面图或照片讲解的重难点问题进行参数化建模,以实现三维模拟情景法教学。

2.2三维模拟情景法教学案例的实施

以悬臂施工挂篮构造为例,介绍三维模拟情景法教学的实施过程。挂篮是大跨径桥梁悬臂施工的主要施工装置,是梁段节段施工的工作平台。在教材中用了大量篇幅对挂篮进行讲解,若能在悬臂法施工现场对照教材则很好理解,但对没有工程阅历的学生来说则会一头雾水,此时授课教师若能利用BIM技术对挂篮进行三维参数化建模,则能清晰地展示挂篮各受力构件的布置、挂篮与梁体的连接、挂篮的移动及调节等。在三维模型中,整个挂篮的形成过程应分步展示,从轨道及顶推设备安装→主桁架安装→吊杆及横梁安装→模板安装,在每步中尽可能地将各个细部构造及连接措施描述清楚,如图2所示。在安装挂篮轨道时,将挂篮的移动装置(前后工作车)、顶推装置(千斤顶和油缸),以及工作车与轨道和梁体的连接等细节一并展示出来,这样学生便可深入理解挂篮逐步形成过程及工作原理。可见引入BIM模型后教师可用相同的教学时间轻松地将挂篮的构造、安装及工作原理讲解清楚。学生也可以从晦涩难懂的文字和图片中解脱出来,激发学习热情,提高学习效率。要实现上述教学目标和效果,要求授课教师掌握至少1种BIM软件,并花大量时间和精力进行备课,精细组织教学内容,以实际工程为依托,根据二维平面施工图建立BIM三维可视化模型,并采用渲染、透视、拆分、局部放大、标注说明等手段制作表现力强的参数化模型。

2.3三维模拟情景法的交互式教学

随着“桥梁工程”课堂教学学时被大幅压缩,如何将部分专业知识的课堂学习延伸到课外学习,是需要探讨的问题。由于BIM技术将成为未来土木建筑行业高校安全发展的重要手段,为适应社会需求,在各校人才培养方案中已纷纷加入BIM相关课程,学生对BIM的学习热情也十分高涨。桥梁工程课程一般在大三下学期或大四上学期开设,此时学生已具备一定的BIM基础,在这一背景下,教师可引导学生利用课余时间进行桥梁结构BIM参数化建模。具体实施时,可将教学班级划分为几个小组,每组5人左右,设组长负责具体任务分配与协调。教师以项目制的方式拟定各小组需完成的任务,需结合教学的需要从实际工程项目中选择合适的建模内容,提供施工图纸及参考资料,明确建模的具体内容,指导学生分步完成建模任务。各小组依据教师指定的任务进行分工协作,首先是实际工程图纸的识图工作,需利用已学的工程识图知识将二维平面图转换为三维空间图,然后选择熟悉的BIM软件(如Revit、Navisworks等)进行三维参数化建模,按照从整体到局部的顺序对模型进行检查和调整,以保证模型的正确性与桥梁结构的实际构造一致,然后采用渲染、标注等手段使模型具有良好的可视化效果,最后提交模型并准备答辩。在课堂教学的相关章节可安排学生讲解,展示学生的BIM作品,安排小组进行汇报和答辩,要求小组全部成员均上台,1人主讲,其他成员补充和答辩,教师最后进行总结和评述,并根据模型的完成情况和答辩情况进行评分,作为学生的平时成绩,在这一过程中实现了师生的交互和课堂翻转。在这种教学模式中,教师主要起规划、引导和答疑的作用,学生则是主体,通过查阅大量资料,综合利用所学知识完成预定任务[5-7]。

3结语

由于“桥梁工程”课程的特殊性,传统的教学手段与方法已不适应当前的人才培养方案,“桥梁工程”课程教学改革已迫在眉睫。基于BIM技术的三维模拟情景教学法已在三峡大学土木与建筑学院“桥梁工程”教学中得到应用,通过连续三届的教学实践,取得良好的效果。最为明显的进步体现在:教师授课更加轻松自如,自我认同感提升;课堂吸引力增强,学生学习热情高涨;师生互动增强,学生更愿意提问,解决问题的能力提高;学生的BIM应用水平普遍提高。存在的问题如下:教师需要具有较高的BIM应用水平及丰富的工程经验,这对教师提出了更高要求;教师需要花大量时间制作三维参数化模型,并需利用空余时间为学生指导、答疑;学生水平参差不齐,提交的作品有一部分达不到要求。

作者:齐东春 雷进生 陈兴华 单位:三峡大学土木与建筑学院