基于BIM+VR技术的钢结构桥梁教学实践改革研究

卫 星，巨云华



基于BIM+VR技术的钢结构桥梁教学实践改革研究

卫 星，巨云华

(西南交通大学桥梁工程系，四川 成都 610031)

为改变当前本科院校钢结构桥梁课程教学效果不佳的现状，主动适应教育、建筑行业信息化改革发展的新趋势，针对该课程专业性和实践性较强特点，我校尝试结合建筑信息模型(BIM)技术和虚拟现实(VR)技术进行课程教学实践改革探索，将BIM技术和VR技术融入到课堂教学和实践教学的各环节中，建立学生主动探索学习，教师协作引导的新型教学体系。通过以钢桁梁课程实践设计为例，论证了引入BIM+VR技术的必要性、可行性和有效性,介绍了应用Revit、Navisworks和Fuzor软件建立BIM和VR体验环境的实践过程，总结了引入BIM技术和VR技术到钢结构桥梁教学实践课程中存在的困难并提出部分对策，以期改善教学困境，为相关课程的教学实践改革探索提供参考和借鉴。

钢桥；BIM技术；VR技术；教学实践改革

1 研究背景

1.1 课程教学实践现状

钢结构桥梁课程作为土木工程类大专院校桥梁工程方向的重要教学课程，旨在让学生了解并熟悉钢结构桥梁的类型和发展概况，掌握不同桥梁的构造特点、力学行为和施工方法，学会计算分析设计常见类型桥梁，为学生深入学习研究及工作提供坚实基础。该课程在西南交通大学等高校被列为桥梁工程方向的专业主干科目，是要求学生必须掌握的重要专业课程，因此该门课程的教学质量不仅关系到学科的发展，更直接影响到学生专业素质和从业能力。

钢结构桥梁课程专业性强、实践要求高、课程内容多、教学课时少，根据教师和学生的反馈，教学效果一直不容乐观，主要表现为，学生感觉课程繁重枯燥，对部分桥梁结构构造难以理解，教师感觉教学任务紧，仅凭现有媒介难以详细说明不同桥梁的构造特点、力学特点及施工工艺等方面课程内容。汪时机等[1]针对《桥梁工程》课程教学现状中存在的问题进行了分析，指出主要存在学生想象力不足、对桥梁构造理解困难，学生被动听讲、课堂教学枯燥乏味，课时不足、学生跟不上教学进度，实践环节效果不佳4个主要方面的问题。

针对钢结构桥梁课程实践教学中存在的教学困境，文献[1]进行了课程实践改革探索并提出了部分行之有效的对策，比如在课件中多采用图片资料、施工现场教学资料、施工过程动画模拟等形式，在一定程度上提升了学生兴趣，改善了教师授课媒介的局限，但是却并没有最大化的将学生带入到课程知识中去，仍然以教师课堂讲解，学生学习教材和课件上有限信息的方式为主。调查研究表明，学生在传统课堂教学中仅吸收掌握了30%以内的教学内容，且随着时间推移而逐渐被遗忘；同时，人们大概能记得20%的阅读信息，18%听觉信息，80%亲身体验的信息[2]。由此可以看出，要最大化改善教学效果，应努力让学生以亲身实践体验方式参与课程内容，随着建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术和虚拟现实(virtual reality，VR)技术的不断发展成熟，为更好地缓解教学困境，提供了全新的选择，为教学实践改革指明了新的方向。

1.2 BIM技术概述及应用

BIM理念自1975年由美国乔治亚理工大学Chuck Eastman教授提出以来，已逐渐被建筑行业认可并广泛应用，BIM技术以三维信息化模型为载体，将建筑结构全生命周期的相关信息集成，实现各专业协同参与，便于精细化、可视化、信息化设计、施工和运营管理，其可视化、可协调、可模拟性、可优化性和可出图五大功能优势使得BIM技术成为继CAD技术后引发建筑业变革的又一重大技术理念，BIM技术不仅是技术的进步，更促使着生产组织管理模式以及从业人员思维观念的更新换代。

BIM技术在欧美等发达国家已有较多的研究成果、完善的应用标准和应用实践，尤其是在教育行业，以奥本大学、亚利桑那州立大学为代表的逾百所高校设立了BIM教学实践相关课程[3]。BIM技术自引入中国以来在国内得到逐步推广，尤其是在近年发展迅速，住房和城乡建设部印发相关文件明确表示要加快BIM新技术在工程中的应用[4]。清华大学、华中科技大学为代表的部分高校进行了相关研究并开设了BIM课程，优比建筑咨询等企业就BIM技术开展了相关领域的推广应用，中国尊、国家会展中心等越来越多的建筑开始采用BIM技术。

BIM技术的快速发展，早已渗透到教育等各个领域，国内外许多研究学者尝试将BIM技术引入到教学中来，希望能改善教学环境。据统计，截止2013年，在美国至少有70%的高校已经开设有BIM相关课程，未开设BIM课程的高校也有88%计划开设相关课程，国内相对起步较晚，2013年后清华大学、四川大学和西南交通大学等部分高校先后成立了BIM工程研究中心，并开设了相关通识类课程。华中科技大学、广州大学、武汉大学相继开设了BIM工程硕士班[5]。截止2018年3月，在中国知网以“BIM在教学中的应用”为主题词搜索到的相关中文文献就达一百多篇，有超过三分之二涉及土建工程方向，如白泉等[6]根据沈阳建筑大学土木工程专业BIM教学改革研究和实践情况，介绍了BIM技术参与到教学改革中的作用和意义，并指出对教学的促进作用明显。杨勃等[7]介绍了BIM技术参与到桥梁施工课程教学改革中的必要性和试验方案，通过不同年级学生该门课程的成绩对比，指出BIM技术在桥梁施工教学过程中的应用可以显著提高同学们对桥梁构造和施工工艺流程的理解能力，更能提升同学们识图能力和施工方案优化的能力。

1.3 VR技术概述及应用

VR理念由美国VPL Research公司的创始人Jaron Lanier在20世纪80年代初提出，是一种集成计算机图形识别等高新技术，在计算机上生成可提供沉浸感觉的三维环境，实现人机交互的技术。VR技术具有多感知性(multi-sensory)、沉浸性(immersion)、交互性(interaction)、构想性(imagination)等主要功能优势，最早应用于军事和航天领域，随着显示屏等硬件设备制造成本的降低，手机平板等移动设备的普及，计算机图形处理技术、人机接口等核心技术日趋成熟，VR技术已广泛应用于游戏、影视、建筑、教育、医疗、设计等多个领域，如虚拟仿真校园。独特的交互式沉浸式体验功能让VR技术被引用到教学中，国内外已有部分相关研究和应用实践，如崔荣[8]以生物学中DNA的复制为例研究了基于VR技术自主式学习的实现，并通过问卷方式就教学现状、教学效果、存在问题、使用VR技术后教学效果等方面进行调查分析，仅有约1/3学生对目前的课堂教学方式感到满意，指出应用VR技术建立学生自主探究的学习方式，有助于增强教师的课堂教学效果，有利于学习者提高学习效率和培养学习能力。张承霖等[9]介绍了VR技术在工程训练中的应用实践，指出应用VR技术在工程训练实践中的优势，并介绍了技术方案，具有很强的参考性，VERGARA等[10]根据调查研究证实在工程类教育中应用VR技术是非常有用的。

2 引入BIM+VR技术的钢结构桥梁教学实践改革

2.1 必要性

BIM的优势在于覆盖建筑全生命周期的数据信息，使各参与作业者协同工作，而VR的优势则是提供一个虚拟仿真的沉浸式环境，给人一种多维的体验式的视觉体验，两者具有很好的互补性，即可运用BIM技术建立集成建筑设计、施工和运营管理全过程信息数据的模型，借助VR技术将相关场景过程在虚拟环境中更直观的展示出来，可以多维度体验相关建筑场景，提高信息读取传递效率。国内外已有部分学者对BIM技术和VR技术在教学中应用做了相关研究，郭文强[11]详细论述了BIM技术+VR技术的建筑可视化设计与应用；陆海燕等[12]对BIM+VR技术应用在土木工程CAD的教学模式进行了探讨和实践，KIM[13]介绍了在加州州立大学长滩分校采用的基于BIM技术的教学方法，结果表明该方法有助于学生有效地学习建筑细节和工程计量。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020)》第十九章加快教育信息化进程中明确指出：“信息技术对教育发展具有革命性影响……促进教学内容、教学手段和方法现代化……建立数字图书馆和虚拟实验室……加快教育信息化进程，强化信息技术应用，提高教师应用信息化水平，更新教学观念，改进教学方法，提高教学效果。”[14]教育信息化是教育的必然趋势，作为引领新时代变革的BIM技术和VR技术必将在教育教学实践领域有更广阔更深入的应用。

现代钢结构桥梁造型追求新颖，结构、连接复杂，施工工艺精细而又繁琐，仅凭PPT图片或者老师的语言描述的课堂枯燥乏味，课程内容难以理解，教学效果一直不佳，而引入BIM技术和VR技术到钢结构桥梁教学和实践中来，不仅可以增强学生学习积极性和主动性，改进教学模式，增强教学效果，解决学生想象困难的问题，也能提高学生运用理论知识解决实际问题的能力和创新能力。运用BIM技术和VR技术进行施工模拟可以让学生作为“项目经理”，实际参与桥梁施工全过程，与消防、暖通和管网等其他专业协作，协调“现场”的施工和管理，实践性和成就感很强，彻底改变了学生被动听讲，课堂教学枯燥乏味的困境，以任务驱动和案例分析的方式引导学生独立或协作地完成相关任务，可以有效激发学生学习的主动性和积极性，真正实现“以学生为主体”的教学模式。

2.2 可行性

随着BIM技术的飞速发展，BIM人才的培养规模远不能适应行业发展的趋势，BIM人才的缺乏已经成为建筑行业应用该技术最大的掣肘因素，高校作为人才培养的主要阵地，应主动调整教学方式和人才培养内容，最根本有力的举措就是进行BIM教学实践改革，通过BIM技术以及VR技术既能改善课堂环境，又能间接地提升工程应用管理人才的专业素质、实践能力、沟通协作能力和职业竞争力，以更好地适应行业和社会的发展需要。然而引入BIM技术到教学实践课程中除了缺乏师资队伍和教学环境以外，还存在不少的挑战，如不同专业知识体系庞大，牵一发而动全身，需要各专业院系教师协调教学课程，部分师生对BIM的重要性认识不够或者存在BIM就是软件等误解，相关软件尚没有完全配套，运营维护和结构分析等功能需要其他软件支撑等等。

改革势必会存在各方面困难和问题，需要各方面因势利导，循序渐进。可以积极借鉴国内外部分高校在相关方面取得的阶段性成果，如沈阳建筑大学在土木工程制图、房屋建筑学和钢结构课程方面的探索[15]等；其次，要加大产学投入，尤其是配置教学硬软件设备、建立并依托实训研究中心，加强师资队伍培训等；再次，要加强专业院系、院校以及校企之间的合作，整合优势资源，利用好MOOC等网络资源，交流借鉴，不断完善课程体系等。假以时日，BIM技术将会与各相关学科深度融合，课堂教学效果将明显改善。西南交通大学自2014年开始，整合各方面相关资源，逐步展开相关教学实践探索，在成立BIM工程研究中心的基础上，与台湾景文科技大学、台湾宗升数位有限公司、达索系统(上海)信息技术有限公司等建立战略合作关系，并通过开设相关课程，成立综合设施工程协会(CIFE)、组织举办相关知识讲座、技能培训、科创竞赛活动，开设《今日土木》校内杂志BIM专题等方式，逐渐在师生中推广展开并深入，为钢结构桥梁等专业课展开BIM教学改革探索奠定了坚实基础。

2016年被称为VR技术发展的元年，VR技术相对而言还比较“年轻”，主要存在的问题有：技术标准不统一，VR技术的输入方面存在困难，现有的技术容易造成使用者的疲劳感等[16]。针对这些方面的问题，应该以发展的视角看待，随着相关方面专业人才不断涌现，这些技术问题终究会迎刃而解的。西南交通大学在成立虚拟仿真中心的基础上，通过相关竞赛活动等方式让师生体验学习VR技术，并逐步引入到相关课程教学实践环节中，并初有成效。

2.3 有效性

传统的填鸭式教学让学生感觉枯燥乏味，上课效果不佳最主要的原因是学生处于“被动学习”的状态，被动地接受老师教授的知识，课后不久便就遗忘殆尽。根据前文引据文献[5]，体验和实践是接受知识最高效和最不易遗忘的方式。引入BIM技术和VR技术到钢结构桥梁的教学实践中来，在教师的引导下，可以充分利用三维模型的可视化和VR技术的沉浸式交互式体验，让学生带着既有理论知识和学习任务主动融入到相关知识模型和虚拟环境中去，在逼真性体验中学习相关知识概念，在实践中夯实相关基础理论知识，培养提升学生的实践能力、创新能力和动手能力。图1展示了西南交通大学学生在参加BIM技术介绍和应用讲座并体验VR技术的场景。

图1 学生体验VR技术

除了翻转课堂“被动变主动”之外，还应该多向学生提供课外实践创新机会，以西南交通大学为例，除了给学生提供大学生科研训练计划、个性化实验等实践创新项目外，还有每年一届的“土木科技月——结构设计竞赛”；既有传统的桥梁承重、桥梁造型等赛题，还有近年新设置的虚拟桥梁和BIM竞赛以及图学能力竞赛等赛题。通过举办赛事，向参赛学生间接普及了BIM技术(建模、渲染等)、VR技术等相关知识技能，也可让学生将掌握的相关专业基础知识学以致用，图2展示了西南交通大学学生在参加虚拟桥梁设计竞赛活动的答辩场景。每年有包括土木工程和建筑设计等各专业方向的一千多名同学参与各组赛事。除此之外，学校也鼓励学生参加全国大学生结构设计竞赛和世界大学生桥梁设计竞赛等赛事。

图2 虚拟桥梁组参赛选手答辩现场

(图片来源：扬华素质网yanghua.swjtu.edu.cn)

3 以钢桁梁课程设计为例的教学实践探索

在西南交通大学土木工程专业，钢桁梁课程设计作为钢桥课程的重要实践环节，是每一位桥梁工程方向学生都必须完成的课程实践内容。该课程实践要求学生根据课堂学习的钢桁梁相关力学和构造知识，结合工程实例，计算结构主力、横向风力、制动力等附加力作用下的杆件内力，并以此拟定各杆件尺寸，并验算强度、刚度和稳定性；进行钢桁梁节点设计以及螺栓布置；对钢桁梁进行挠度计算并设计预拱度；运用Midas/Civil建立钢桁梁的三维有限元模型，分析在恒载、恒载+活载作用下结构的挠度、内力、应力以及自振特性。

该课程实践要求较高，涉及的钢桁梁桥尽管结构相对简单，节点连接和部分构件局部几何关系却较为复杂，对课堂接受效果不佳，又缺乏现场认识参观体验的本科学生来说，独立设计存在不小困难，学生大多根据模板亦步亦趋地分析计算，有些内容“不求甚解”；在截面选取时，为了避免修改重新计算和重新建模，一般考虑得较为保守；课程实践设计也不要求设计局部细节，如端节点节点板加劲板、板铰等。要提升该实践课程环节教学质量，改善学生学习实践效果，减少传统教与学间的壁垒，需要适时进行创新探索和改革，以突破教学困境。

面对钢桁梁课程设计的教学困境，考虑引入BIM+VR技术对教学实践环节新型探索性改革，尝试通过新的技术对该课程设计实践过程的构件形式拟定、尺寸选取、模型建立、结构计算、场景展示等全阶段设计创新。在此以一座80 m单线铁路下承式栓焊简支钢桁梁桥为例，通过引入BIM+VR技术到教学实践，并与传统教学实践方式相对比，介绍应用Revit建立BIM参数化模型、结构分析，应用Navisworks进行施工过程模拟和碰撞检查，以及通过Fuzor软件给学生提供一个虚拟观看场景的钢桁梁设计全过程，并对相关实践成果进行展示。

3.1 Revit建模

根据设计图纸或拟定截面尺寸，应用Revit建立BIM三维模型，主要分为建模环境设置(创建项目，绘制控制标高、定位轴线)，建立主桁杆件族、节点族、螺栓族、拼接板族等族型和族件拼装3个步骤。桥梁结构复杂，构件尺寸因桥而异，相比传统桥梁设计软件建模时费时费力，以Revit为代表的BIM建模软件因具有参数化建族(即同类型构件参数化设计)、协调性(即全模型相协调，便于修改设计)、可出图性(即可根据建立的三维信息化模型快速导出设计施工图纸)、可协同设计(即不同专业设计人员可以在同一平台参与协同设计)等特性逐渐成为众多设计师们的选择。在方案论证阶段，采用VR技术漫游，可以全面多角度的比选论证各方案的合理性和最优性。

可以简单地以几个代表性部件的设计对传统设计方式和BIM设计方式加以对比，如图3所示，传统设计主要根据设计者经验或既有类似成例对构件尺寸拟定，并通过二维CAD绘制平面图示表达设计成果，对构建参数的修改需要人工对相关联部分加以协调修改。如图4所示，应用三维BIM建模软件的参数化设计方式设计，可以很简易地对构件尺寸加以调整，模型会自动做出关联性修改，方便构件尺寸的不断优化。除此之外，BIM三维建模技术借助VR漫游技术的设计方式可以将模型直观展示出来，让设计者全情投入设计环境中观察和设计，而不需要将传统设计中二维图纸在头脑中转化为三维模型，BIM+VR技术在设计中的优势不言而喻。图5展示了该钢桁梁三维成桥模型的一部分，各部件的空间结构构件形状关联位置一目了然，为VR技术提供了模型基础。

图3 几个部件的CAD二维图示

图4 几个部件的BIM三维图示

图5 钢桁梁BIM模型(部分)

3.2 模型计算分析

建筑结构模型，尤其是钢结构模型，涉及到结构的整体分析和节点、构件的局部分析。Revit Structure模型可通过数据交互将计算模型在与同为Autodesk公司的结构分析软件Robot Structural Analysis中生成，当然这部分功能有待于完善与强化。此外，也可以通过相关模型转换接口或插件将BIM模型导入到Midas和Abaqus等部分有限元软件中进行结构分析计算，也尚需进一步二次开发和优化，洪磊[17]以贵阳筑城广场竹水人行桥和鄂东长江大桥钢箱梁局部分别示例了Revit模型在Midas中的整体分析和局部分析。对于异形构件应用BIM建模不仅方便，而且可视化较好。由此，可以直接应用设计中创建的模型进行结构分析计算，而不用像传统设计方式中根据二维图纸在有限元结构分析软件中建立分析模型。

3.3 施工过程模拟推演

钢结构桥梁的施工方法多样，有顶推法和预制拼装等施工工艺。所谓4D技术是在桥梁3D信息模型的基础上引入时间轴，附加时间因素，扩展为4D模型，即将桥梁结构从开工到竣工的施工过程以动态的三维方式表现出来的时间信息管理技术。引入时间管理的桥梁施工过程模拟，通过BIM技术和VR技术，可以让学生足不出教室，避免了到可能存在安全隐患的施工现场去观看实习，即可达到课堂与实际环境无缝连接的效果，不仅让学生能直观感性地体验和熟悉不同的施工工艺和施工的详细过程，也可培养学生施工组织设计和协作管理能力。施工是一个持续更新，动态调整的过程，对于较为复杂的桥梁工程，在管理过程中若还使用专业性较强，可视化较差的横道图来表示施工进度计划，将无法清晰描述施工进度和各种工作的复杂关系，不能完整清晰的表达施工阶段的动态进程。图6~7分别展示了应用Navisworks进行施工过程模拟和碰撞检查的界面。另外，利用BIM技术和VR技术，可以在施工模拟过程中进行碰撞检查，检查设计是否存在缺陷。可以让不同学生分别模拟建筑工程师、项目管理人员等不同身份参与到虚拟施工过程中，既能让学生直接清晰地了解各参与者的工作和职责，也能培养团队沟通协作能力，鼓励学生发挥聪明才智，优化施工工艺流程和施工组织管理，提升学生的工程素质。图8和图9展示了在Fuzor软件中的虚拟漫游场景及部分关键部位的虚拟漫游场景。

图6 Navisworks施工工程模拟

图7 Navisworks碰撞检查图示

图8 Fuzor虚拟漫游图示

4 小 结

钢结构桥梁作为土建类专业学生，尤其是桥梁工程方向学生的重要专业基础课程。将BIM技术和VR技术应用到该课程的教育教学实践中，不仅是改善课堂教学环境的需要，也是建筑行业和社会对专业人才提出的新要求。通过分析论证和实践探索，可以发现将BIM技术和VR技术引入到钢结构桥梁等相关课程的教学实践环节中去是必要的且可行的，通过教学实践探索改革，不仅能调动学生在课堂上的积极性和主动性，改善教学实践效果，也能有效提高学生实践创新能力和团队协作沟通能力。

图9 钢桁梁部分关键部位虚拟场景图示

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Teaching and Practice Reform of Steel Structure BridgeBased on BIM+VR Technology

WEI Xing, JU Yunhua

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

In order to improve the existing teaching effect of the steel structure bridges course in undergraduate colleges, and adapt to the new trends of information reform and development in the fields of education and construction industry, concerning professional, practical and difficult characteristics of the course, exploratory reform of the course’s teaching practice with combining building information models (BIM) and virtual reality (VR) technology was researched in our school. The BIM technology and VR technology were integrated into all aspects of classroom teaching and practice teaching to establish a new interactive teaching system where students autonomously study and actively explore with teachers collaboration and guidance. Taking a steel truss practical design which is a very important part of the steel structure Bridges course as an example, the necessity, feasibility and effectiveness of introducing BIM and VR technology into the steel structure bridge curriculum reform were demonstrated. The application of Revit, Navisworks and Fuzor software to establish building information model, carry out structural analysis, construction process simulation and collision check, as well as establish the practical path and practice process of virtual reality experience environment was introduced. The difficulties in applying the BIM technology and VR technology into the teaching and practice curriculum of steel bridges were summarized, and some effective countermeasures were proposed in order to optimize the teaching environment. It is hoped that this can break through the current teaching predicament, improve the effectiveness of teaching and learning, and enhance the quality of teaching and learning. At the same time, these useful explorations and practices will provide reference and guide for teaching practice of other similar related courses reform, and point out the direction for the subsequent reform and exploration of curriculum teaching practices.

steel bridge; BIM technology; VR technology; teaching and practical reform

G 642.0

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061231

A

2095-302X(2018)06-1231-08

2018-04-09；

2018-06-06

卫 星(1976-)，男，山西沁源人，教授，博士。主要研究方向为钢结构桥梁行为。E-mail：we_star@swjtu.cn