基于BIM的钢结构教学改革初探

郑玉莹　谢伟　王秋分

摘 要：钢结构课程教学目前存在教学模式过于传统，钢结构实践困难等问题。为了培养应用型钢结构人才，使学生毕业后能更好的胜任相关钢结构方面的工作。文章针对本科钢结构教学现状，利用BIM建立教学资源、改革课程设计、改革毕业设计及实践教学环节、为学生提供创新平台等各个方面提出了改革设想。为BIM技术如何融入钢结構教学提供一个思路。

关键词：钢结构；教学改革；BIM技术；教学实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）20-0150-03

钢结构以抗震性能的优异、施工过程的方便和可持续发展的优势，伴随着国家及地方政策对装配式建筑的导向，钢结构市场在日益增大，钢结构专门人员的需求量加大，但各钢结构企业、设计部门的钢结构人才多是从事多年钢筋混凝土工程领域转到钢结构领域。目前高校钢结构教学中钢结构课程偏理论化[1]，距离培养应用型人才还有一定的差距，刚走上工作岗位的大学毕业生不能马上胜任工作，还需要相当一段时间的培训。

一、钢结构教学现状

（一）传统钢结构教学模式存在问题

现在高校普遍开设钢结构课程，但是教学模式过于传统，具体来说存在以下问题：

1. 现在钢结构课程理论方面的叙述过于详细，内容较多，与工程实际结合实例太少。教材和课件上钢结构构造多是二维平面图形。钢结构的构造和变形比较复杂，有时必须用三维模型才能表达清楚，通过黑板或者PPT图片无法实现。

2. 实际钢结构工地较少，实习场所有限，学生没有直观印象，无法全面了解实际工程。学生对轻钢门式刚架、多高层钢结构、网架等与工程实际密切相关的内容学生只能听老师讲述，无法掌握精髓实质。

3. 钢结构教学实践环节安排有困难。课程设计多是课程结束后，一两周时间集中进行设计，需要大量计算，施工图纸绘制主要是使用STS基本上也是二维建模。主要问题是时间仓促，学生多半按参考书中例子照搬，软件二维建模之后也无法帮助学生理解。由于课程设计时钢结构计算和绘图相对复杂，学生在毕业设计时很少有人选择钢结构设计类题目。

4. 现有教学模式很难跟上现在钢结构发展形势。教材更新慢，很多钢结构新的结构型式、新的构造、新的工艺很难在课堂讲授，即使提及学生也很难理解。

（二）BIM在钢结构中的应用

钢结构代表了未来建筑结构发展的新模式。目前钢结构工程的BIM应用主要是概念设计应用Sketchup和Rhino软件等，结构分析一般应用Midas、PKPM等，钢结构建模一般使用Tekla Structure、Revit等，数字化加工有Smart Nest等，虚拟建造应用Navisworks、TeklaBIMsight等。BIM在钢结构工程中的应用从前期投标、深化设计、工厂制造到现场施工是为工程全生命周期提供可靠服务的数字化表达。

从目前BIM在钢结构工程中应用可以看出在当前钢结构课程课时紧张的情况下，通过课堂教学让学生掌握BIM内容是不现实的[5]。通过对这几年钢结构教改参考文献[2]～[4]的研究，发现改革还是针对于教材例题编写、课程设计题目。学生实习场地受限制，理解困难等问题还是没有得到解决，总的来讲，目前针对钢结构的教学改革主要还停留在针对传统实践模式的改善和优化的阶段，尚缺乏对教学模式上的创新，相关研究仍存在着一定的不足。而对于本课题的研究方向——基于BIM的教学模式的探索涉及较少，对BIM如何融入课程建设目前也尚处于初步探索阶段。

二、高校结合BIM的钢结构教学形式

教学改革的目的是以BIM技术为载体形成有特色的钢结构课程体系，实现教学手段的创新，深化钢结构课程改革，提升钢结构人才培养质量。那么如何在传统的教学内容基础上，在课程教学中基于BIM进行钢结构教学改革？《钢结构制图识图》、《钢结构设计原理》、《钢结构设计》以及《组合结构设计》这些内容是分布在好几门专业基础课或者专业课中[6]，那如何能够将“碎片化”的知识点系统化？本文旨在合理使用BIM技术，将BIM技术和案例教学法相结合，这将是钢结构教学改革非常可行的一个方向。

（一）利用BIM实现教学体系系统化

合理使用教学资源，同一个结构模型可以贯穿在一系列钢结构课程中，并且可以实现课程章节的连续性和一体化，如在《钢结构设计原理》课程中建立一个钢结构工作平台的BIM模型，利用实例可以讲解钢结构工作平台的结构平面布置，连接这一章可以查看钢结构主次梁和梁柱节点的连接形式等，受弯构件以主次梁为实例、压弯构件以柱为实例，各个章节的内容最终结合成钢结构工作平台。

（二）利用BIM可以建立钢结构教学资源库

对虚拟建造软件，只需要学生了解，教师可以利用该类软件建立钢结构工作平台、轻钢门式刚架、钢结构框架、轻钢小别墅等钢结构模型的钢结构安装、焊接、螺栓等工艺流程视频，形成三维可视化教学资源库。可视化可以增加课堂教学的直观程度，深化学生对钢结构构造的理解，提高了教学质量。

（三）利用BIM丰富课程设计内容形式

钢结构设计计算过程相对复杂，很多结构形式不适合手算，因此学生课程设计选题单一，重复计算量大，学生对钢结构识图和制图能力较差，对整体理解把握能力不强。结合Midas等可以完成轻钢门式刚架、重型单层工业厂房、多层框架结构等多类型钢结构课程設计题目，丰富课程设计内容，弱化不必要的计算，利用Revit软件建模，提高学生的理解和对结构整体的认知。

（四）结合BIM提高学生制图识图能力

在上述课程设计过程中发现学生钢结构制图能力很差，或者直接软件作出的二维图纸完全和手算内容对不上，反映学生识图能力也较弱。通过BIM软件三维模型再转生成二维图纸提高学生对钢结构图纸的识图能力，这样也深化了对钢结构原理的理解。

（五）开设BIM钢结构实践环节

这解决了实际工程现场参观实习受到限制的难题。目前学生实习主要是以钢筋混凝土结构为主，很少到实际的钢结构工程或者是参观已经建成的钢结构类建筑看不到关键部位施工，严重影响钢结构课程的实习效果。BIM鋼结构实践环节可以以学生为主，形式灵活，能够结合真实设计任务完成BIM仿真设计工作，为学生的实习实践类课程提供了强有力的支持。

（六）为学生的钢结构科技创新活动提供了可实现的平台

学生可以利用BIM设计各类钢结构模型，节省了实验室经费投入，同时培养训练了学生的工程设计能力，提高了学生创新能力。组织参加大学生钢结构设计、结构创新大赛、广联达BIM大赛等赛事。必然会推进钢结构实践教学水平的进一步提升。

对上述几种教学形式进行整合，实现教学的连续性和整体性，以实现有限教学资源的最大利用，提升实践教学效果。对钢结构课程以BIM为主线的一体化教学进行研究。利用BIM建立实际工程案例将钢结构所有课程、所有教学环节和绝大部分知识点串连起来，使各课程间相互联系和衔接更加紧密，使理论教学和实践教学之间过渡更加自然，从而改变传统教学中各个课程零散相互无联系，理论和实践脱节的现状。目前看来，多个教学环节贯穿使用是比较理想的教学形式。具体运用实例如图1～图4，以一商业综合体高层钢结构为案例，在钢结构制图课中以此为模型让学生进行制图练习；在钢结构设计原理中讲解楼盖设计主次梁布置、选型和设计；钢结构设计中对整体结构布置进行讲解如支撑布置，洞口布置等；钢与混凝土组合结构中对钢管混凝土和柱脚等进行讲解。通过各种实例的讲解发现在钢结构设计课程设计环节尤其是综合实训中愿意选择钢结构多高层框架和网架的学生人数逐年增多。

三、结论

本课题组针对钢结构的课程改革进行了一系列的研究，主要包括：1.以钢结构课程教学特点、当前钢结构课程教学中存在的问题进行改革研究；2.建立钢结构课程精品课件和教案；3.钢结构课程设计题目的精选及学时安排的增加；4.教学内容、教学方法、教学模式、教学手段的改革研究。

根据这些研究，本课题组重新编写了多门钢结构课程的教学大纲，对学时和内容进行了适当的调整，减少了多高层钢结构的学时，增加了部分网架、网壳钢结构的内容。另外本课题组按不同的结构体系编写了教学案例，采用案例教学法有利于提高学生综合应用能力。主要改革是针对于利用BIM实现三维可视案例，根据案例进行例题编写和课程设计题目的改革。本课题的研究方向——基于BIM的教学模式的探索尚涉及较少，对BIM如何融入课程建设目前也尚处于初步探索阶段，可是如果能够合理使用BIM技术，既能满足钢结构课程的需求也能符合目前高校改革对BIM学习的要求。另外也能解决学生实习场地受限制，理解困难等问题。

我系在实践过程中取得了一系列的成果，包括学生竞赛和学生就业等方面：1. 充分利用BIM技术的跨专业协作优势，土木+工管、土木+工管+建环跨专业毕业设计连续两年取得很好的成绩。2016年获得了江苏省优秀团队毕业设计和全国高校BIM毕业设计大赛二等奖，2017年获得全国高校BIM毕业设计大赛一等奖、二等奖。2. 尝试在综合实训环节中设置基于BIM的钢结构设计题目，学生综合能力得到了极大的锻炼。3. 连续两年的钢结构课程改革之后，学生毕业后从事钢结构方面的人数逐年上升。

参考文献：

[1]郝际平，孙晓岭，等.绿色装配式钢结构建筑体系研究与应用[J].工程力学，2017，34（1）：1-13.

[2]熊瑞生.钢结构课程的单元练习与课程设计一体化改革与实践[J].山东建筑工程学院学报，2003（3）：62-66.

[3]余卫华，王正中，等.钢结构课程设计教学改革与实践[J].高等建筑教育，2015，24（1）：69-71.

[4]胡长威，陶杰，等.关于《钢结构》课程设计教学改革的几点思考[J].武汉生物工程学院学报，2016，12（2）：109-110.

[5]姚刚，岳文峰，等.基于BIM的框架结构三维虚拟建模实验设计[J].高等建筑教育，2017，26（3）：91-95.

[6]郝麗.BIM技术融入高校工程类专业教学的应用研究[J].土木建筑工程信息技术，2015，7（4）：108-111.

[7]王文芳.高职院校建筑类专业BIM课程设置探析——以兰州石化职业技术学院为例[J].高教学刊，2017（15）：180-181+184.