宮全美

摘要：為培養(yǎng)知識(shí)應(yīng)用能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)的復(fù)合型國(guó)際化人才，課程教學(xué)中融入具有多維可視化、協(xié)同化、可交互性等優(yōu)點(diǎn)的BIM技術(shù)，并預(yù)設(shè)多個(gè)接口，搭建創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，讓學(xué)生更好地理解理論知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)行創(chuàng)新性研究，最終達(dá)到培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)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(shí)踐;課程教學(xué)

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

一、課程的教學(xué)特點(diǎn)及現(xiàn)狀

城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工課程是軌道交通工程專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)必修課，其教學(xué)歷史和特點(diǎn)與我國(guó)軌道交通工程專業(yè)的教育歷程息息相關(guān)。我國(guó)軌道交通工程專業(yè)的教育經(jīng)歷了“師歐美、學(xué)蘇聯(lián)、兼日歐”三個(gè)時(shí)期，形成了以專業(yè)化教學(xué)為特色的人才培養(yǎng)模式，使我國(guó)在短時(shí)間內(nèi)縮小了與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距。但隨著軌道交通的“高速化”和“高效化”，對(duì)設(shè)施全系統(tǒng)安全性和全壽命可靠性的要求越來越高，原來“專”的特色已難以適應(yīng)，需要將學(xué)生的教育從知識(shí)傳承、知識(shí)應(yīng)用能力的培養(yǎng)到激發(fā)原創(chuàng)意識(shí)、提升技術(shù)創(chuàng)造能力培養(yǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。因此，軌道交通工程人才培養(yǎng)須實(shí)現(xiàn)從學(xué)習(xí)、追趕先進(jìn)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(shí)，要符合雙一流大學(xué)的綜合性、研究型、國(guó)際化辦學(xué)定位，培養(yǎng)具有面向未來國(guó)家建設(shè)需要，適應(yīng)未來科技進(jìn)步，德智體全面發(fā)展，掌握相關(guān)原理和知識(shí)，獲得工程師良好訓(xùn)練，基礎(chǔ)理論扎實(shí)、專業(yè)知識(shí)寬厚、實(shí)踐能力強(qiáng)，能勝任城市軌道交通結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、管理，具有繼續(xù)學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、國(guó)際視野和領(lǐng)導(dǎo)意識(shí)的高級(jí)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(biāo)是培養(yǎng)知識(shí)應(yīng)用能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)的復(fù)合型國(guó)際化人才，具體目標(biāo)是通過對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)與施工相關(guān)理論和知識(shí)的學(xué)習(xí)，使學(xué)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(shè)計(jì)的思路和計(jì)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(shí)培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題、解決問題”的能力，激發(fā)學(xué)生的探索、創(chuàng)新興趣。但本課程教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐結(jié)合緊密，教學(xué)中存在諸多難點(diǎn)：（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(xué)科領(lǐng)域廣泛，計(jì)算方法不太完善;（3）實(shí)踐超前于理論，近幾年隨著軌道交通建設(shè)的大發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)涌現(xiàn)了大批創(chuàng)新技術(shù)，但相應(yīng)的理論不完善或缺失。因此本課程的教學(xué)應(yīng)做到使學(xué)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)融于課程教學(xué)中，并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新興趣。

二、BIM技術(shù)在本課程教學(xué)中的融入及模式

課程教學(xué)主要采取理論教學(xué)與課程設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式。其中理論課包括基礎(chǔ)知識(shí)、城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和城市軌道交通施工技術(shù)三個(gè)模塊，課程設(shè)計(jì)主要在給定的實(shí)際地鐵車站地質(zhì)水文條件、周邊環(huán)境等預(yù)設(shè)條件下，進(jìn)行地鐵車站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生掌握地鐵車站設(shè)計(jì)流程和主要方法。該課程教學(xué)內(nèi)容多且復(fù)雜，部分教學(xué)內(nèi)容晦澀難懂，特別是施工部分存在許多難以表達(dá)的施工模擬過程，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式很難全方位展示。前期教學(xué)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(shè)計(jì)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(xué)進(jìn)度不能同步，且施工單位擔(dān)心學(xué)生參與現(xiàn)場(chǎng)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(xué)中運(yùn)用BIM技術(shù)，將給這門課程帶來新變化和新亮點(diǎn)。

目前課堂教學(xué)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(diǎn)，對(duì)難以表達(dá)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞、結(jié)構(gòu)細(xì)部及施工過程進(jìn)行全方位展示，主要包括以下幾點(diǎn)。

（一）BIM技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(biāo)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(huì)以不同的斷面型式表達(dá)。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(huì)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(jì)算。了解和掌握結(jié)構(gòu)的受力及傳力路徑對(duì)科學(xué)開展工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析及設(shè)計(jì)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(xué)生無法感知工程結(jié)構(gòu)的真實(shí)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(xué)計(jì)算軟件如Ansys、Plaxis等，通過彩色云圖、動(dòng)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(xué)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(xué)特性，便于學(xué)生理解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理。

（二）BIM多維可視化技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及復(fù)雜施工過程教學(xué)中的融入

傳統(tǒng)課堂教學(xué)的多媒體課件中大多數(shù)使用的是二維（極少三維）圖形，學(xué)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(xué)內(nèi)容[3]。特別是本課程施工部分包含復(fù)雜的四維（三維空間+時(shí)間）施工過程，僅使用二維圖形甚至三維圖形授課使得學(xué)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(shí)間變化的動(dòng)畫功能相結(jié)合，可以使教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)易懂，又可以使學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容有感性的認(rèn)識(shí)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(duì)車站基坑工程的地下空間以及施工工藝進(jìn)行漫游展示，同時(shí)構(gòu)建基坑施工進(jìn)度管理的流程，實(shí)現(xiàn)車站基坑施工過程的可視化演示。對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件、防水措施、管線布置等錯(cuò)綜復(fù)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(duì)構(gòu)件進(jìn)行三維展示，另一方面給學(xué)生展示不同專業(yè)的協(xié)調(diào)性對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)功能的影響。

同時(shí)，由于城市軌道交通的施工現(xiàn)場(chǎng)主要在人口密集的城市市區(qū)，施工時(shí)的影響因素復(fù)雜，包括交通疏解、周邊建筑物及管線等的保護(hù)等，處理不當(dāng)極易導(dǎo)致安全事故，因此施工時(shí)的組織及安全風(fēng)險(xiǎn)控制極為重要。但在講授該部分內(nèi)容時(shí)，由于受到工地現(xiàn)場(chǎng)以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等客觀條件的約束，不能在課堂直接進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，此時(shí)可以借助BIM的4D功能模擬結(jié)構(gòu)或施工破壞過程，讓學(xué)生看清風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展趨勢(shì)及過程。

（三）BIM技術(shù)在地鐵車站結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)中的融入

課程設(shè)計(jì)是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)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(shè)計(jì)主要是結(jié)合給定的預(yù)設(shè)條件，利用課堂教學(xué)中講授的計(jì)算及設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行地鐵車站施工期基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)期的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括必要的力學(xué)計(jì)算過程及繪圖。由于水文地質(zhì)及周邊環(huán)境復(fù)雜，進(jìn)行設(shè)計(jì)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(fù)雜的三維地形地貌及地質(zhì)情況，為使設(shè)計(jì)更加貼近實(shí)際，可首先利用BIM技術(shù)給出較真實(shí)的三維可視圖。

另外，目前課程設(shè)計(jì)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(shí)，需要學(xué)生有很好的想象能力，否則會(huì)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(duì)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)信息調(diào)整，減少課程設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，使課程設(shè)計(jì)高效準(zhǔn)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(shè)項(xiàng)目全壽命周期的各個(gè)階段，包括決策階段、規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，特別是對(duì)“設(shè)計(jì)—施工—運(yùn)營(yíng)”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(yīng)用及發(fā)展前景，教學(xué)中有意識(shí)地給學(xué)生傳授該方面的知識(shí)，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(xué)中展示的BIM多維圖形，向?qū)W生介紹BIM技術(shù)的概念及應(yīng)用，并讓學(xué)生體會(huì)BIM技術(shù)的三維可視化優(yōu)勢(shì);二是考慮到BIM技術(shù)的復(fù)雜性，而課堂的時(shí)間有限，為此增加課后自學(xué)及討論環(huán)節(jié)，以充分發(fā)揮年輕學(xué)生在數(shù)字化技術(shù)方面的優(yōu)越性。通過學(xué)習(xí)，讓學(xué)生掌握一定的BIM技能，使其畢業(yè)后更好地將BIM技術(shù)應(yīng)用到工程實(shí)踐中。

三、基于BIM技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程中牽涉的影響因素復(fù)雜，現(xiàn)有的理論或方法大多基于現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或大量簡(jiǎn)化得到，尚不夠完善，這給課堂教學(xué)帶來了利和弊共存的影響，弊是學(xué)生難以理解，課堂教學(xué)效果較差。但正是由于理論尚不完善，可以激發(fā)學(xué)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(chǎng)試驗(yàn)需要花費(fèi)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(xué)生的創(chuàng)新項(xiàng)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(tái)，使學(xué)生在增長(zhǎng)學(xué)習(xí)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(diǎn)課程、精品課程建設(shè)，本課程已初步確立了基于BIM實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)思路，通過該平臺(tái)，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)自主及創(chuàng)新設(shè)計(jì)。以“地下車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工”為例，創(chuàng)新平臺(tái)首先需要完成幾個(gè)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，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(hù)數(shù)據(jù)庫等。地質(zhì)水文數(shù)據(jù)庫主要記錄及儲(chǔ)存我國(guó)城市軌道交通建設(shè)面臨的典型地質(zhì)水文特征及其物理力學(xué)參數(shù);結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫主要是儲(chǔ)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(hù)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(hù)數(shù)據(jù)庫主要為學(xué)生提供車站周邊典型建筑物類型及基本參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供環(huán)境保護(hù)要求。學(xué)生在使用該平臺(tái)時(shí)，首先調(diào)用地質(zhì)水文數(shù)據(jù)庫形成預(yù)設(shè)的地質(zhì)三維圖，并利用周邊環(huán)境保護(hù)數(shù)據(jù)庫預(yù)設(shè)施工需保護(hù)的周邊建筑物、管線、道路等，接著學(xué)生可進(jìn)行自主設(shè)計(jì)或創(chuàng)新。自主設(shè)計(jì)時(shí)，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(jìn)行BIM建模過程，也可進(jìn)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(yù)留接口，學(xué)生可自主設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)型式，以配合創(chuàng)新項(xiàng)目的要求。為判斷自主或創(chuàng)新的設(shè)計(jì)是否合理，需設(shè)定調(diào)用啟明星、Plaxis等專業(yè)軟件的接口，進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可在BIM模型里動(dòng)態(tài)顯示。如果設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或不滿足周邊環(huán)境要求，說明該設(shè)計(jì)是不合理的，需要變更設(shè)計(jì)。

通過該創(chuàng)新平臺(tái)，使學(xué)生切身感受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的非唯一性、復(fù)雜性，體驗(yàn)到結(jié)構(gòu)變化多樣的組合魅力，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與熱情。

四、結(jié)束語

BIM技術(shù)正在推動(dòng)建筑行業(yè)的改革，在我國(guó)已逐漸被推廣應(yīng)用。作為人才培養(yǎng)主要陣地的高等院校，有義務(wù)將先進(jìn)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(diǎn)，讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，最終達(dá)到培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)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(shí)現(xiàn)創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè)任重而道遠(yuǎn)，如何利用或整合已有資源，較快捷地進(jìn)行平臺(tái)建設(shè)是目前需解決的主要問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯學(xué)良，楊思佳.BIM技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的應(yīng)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(hào)方向）的課程研究[J].教育教學(xué)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(shí)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(xué)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