基于BIM技术的“路、桥、隧施工”课程的教学改革——以山东交通职业学院道路桥梁工程技术专业为例

荣文涛,王爱兰,沈 磊

(山东交通职业学院,山东 潍坊 261206)

建筑信息模型(Building Information Modeling,以下简称BIM)技术是基于现代信息技术和计算机技术发展融合而成的工程信息应用技术,利用数字技术存储和传递工程结构和构造特征,并以3D模式直观表述,实现工程设计、施工、养护、运营管理信息传递共享和工作协同,实现了工程建设项目全程信息化。为提升公路水运工程建设品质,落实全生命周期管理理念,2017年9月11日,交通运输部办公厅印发了《关于开展公路BIM技术应用示范工程建设的通知(交办公路函〔2017〕1283号)》,《通知》提出了“提升公路设计水平”“提高公路建设管理水平”“推进公路养护管理信息化”的三个阶段性目标。交通运输部在2018年3月提出了关于推进水运工程BIM技术应用的指导意见。

“路、桥、隧施工”课程为高职道路桥梁工程技术专业核心课程,开展教学工作主要采用二维图纸和现场照片作为主要素材,存在不够直观、理解困难、很难激发学习兴趣等问题。BIM模型具有的可模拟性、三维可视化、工程信息可查询等特征,为教学工作提供了适合的载体,可有效解决传统教学模式存在的问题,同时结合BIM教学成果可以提升学生BIM技术应用技能[1]。本文首先对目前路、桥、隧施工类课程教学概况和存在的问题进行分析,然后探讨和研究了采用BIM技术进行课程教学改革的实践方法。

1 高职层次“路、桥、隧施工”课程概况

1.1 课程目标与课程内容

高职教育区别于本科教育,高职教育注重学生实际操作能力和工程实际解决问题能力的培养,注重服务于施工一线精益求精的工匠精神的培养。山东交通职业学院的道路桥梁工程技术专业的人才培养目标是培养面向施工一线的懂设计、精施工、会管理的适应企业需求的专业高技能技术人才。

“路、桥、隧施工”课程属于道路桥梁工程技术专业核心课程,要求学生具有较高的专业综合素质,主要培养目标有：①树立学生在施工过程中质量控制的意识,能有效地依据设计文件、图纸、规范对项目的施工质量进行控制,并能合理地对工程项目进度、费用进行控制,达到降低成本和提高利润的目的；②培养学生在施工过程中根据所学知识灵活处理现场施工过程中存在问题的能力；③培养学生根据施工图纸和工程项目特点编写施工方案和开工报告的能力。

学生需掌握以下课程内容：了解公路工程基本组成、公路基本建设程序和公路施工准备工作内容；掌握公路路基、路面、桥梁、隧道工程的施工工艺及施工质量控制关键点；掌握路基路面、桥梁、隧道工程施工质量通病及防治措施；掌握公路工程施工的施工方案和开工报告的编制方法与技巧。

1.2 课程特点

“路、桥、隧施工”课程专业性强,课程内容针对公路线路中的路基、路面、桥梁、涵洞、隧道等构筑物的施工工艺及工序质量控制与管理。要求学生必须掌握路基、路面、桥梁、涵洞、隧道等构筑物基本组成、施工工艺、施工质量控制关键点及施工方案与开工报告的编制。涉及到多门专业基础课程如《道路工程材料》《道路工程识图与绘图》《道路工程测量》等课程。“路、桥、隧施工”课程不仅涉及到的是公路工程施工过程,还涉及到从公路项目的策划立项到运营养护的全寿命周期管理；不仅涉及到施工单位,而且还涉及到建设单位、设计单位、监理单位的全方位质量控制管理,这就需要在教学实践过程中统筹兼顾,综合考虑,充分体现出“路、桥、隧施工”课程综合性强的特点。另外,公路工程施工点多、线长、面广、工序多,施工工艺和施工方法受施工现场环境影响大,施工周期长,需要结合施工现场灵活选用工艺和方法。对应不同的施工工艺、施工方法,采用的施工方案、施工质量关键点就不一样,这就需要通过实际工程项目进行反复训练,达到适应“路、桥、隧施工”课程实际操作性强的特点。

2 “路、桥、隧施工”课程教学存在的问题

1)教学内容的系统性不强,实践性偏低,教学难度相对较大

“路、桥、隧施工”课程分为路基路面工程施工、桥梁工程施工、隧道工程施工等三大部分。路基工程属于带状构筑物,路面工程属于层状构筑物。先介绍路基工程组成的基本知识,对路基工程中路基填筑、开挖,排水工程、防护工程施工等内容进行讲解,其次再进行路面基层、面层施工内容的讲述；桥梁、隧道工程结构复杂多样,施工工序多,施工难点大,且校内缺乏真实的施工场景,学生对结构的构造原理和施工要点理解起来很吃力。同时公路工程施工点多、线长、面广,周期长,虽然现在教学过程中依靠PPT、图片、动画、视频等现代化教学手段，对学生进行路、桥、隧基本组成、构造原理与施工过程的讲解,但由于现场实训条件有限,无法满足全部学生的实践教学。学生很难掌握整个公路施工过程,无法将所学知识进行有效的串联,往往是学了后面忘了前面,不能对结构形成一个完整的、清晰的认识,教学效果不是很理想。

2)教材内容更新较慢,难以满足教学需要

当前国家交通基建建设发展较快,公路施工新技术、新工艺层出不穷,日新月异,教材的更新远远滞后于交通建设的发展速度。当前教材普遍存在对当前新技术、新工艺、新方法的阐述不够,且教材图例较少,无法体现出完整的施工过程,与现实差距较大。课堂讲授无法结合不断发展的公路施工新技术进行教学。

3 “公路施工类”课程教学模式探讨

3.1 教学改革概况

基于“路、桥、隧施工”施工类课程教学现状和存在问题,在教学过程中必须引入信息化的手段,模拟公路建设的全过程,将真实复杂的项目信息完整的附在信息模型中,让学生直观地去感受、去了解公路项目的建设,进而根据模型包含的信息进行真实的施工管理工作。学生对于知识、技能的掌握能与实际工程项目和场景对应起来,进一步提高了学生的实际操作能力,同时对有关知识、技能的理解也能更加透彻。在这个过程中,完整的公路信息化模型的收集是首先需要解决的问题,山东交通职业学院以已承揽的多项公路BIM技术应用项目为载体,为“路、桥、隧施工”课程的改革提供基础。其次要求教师转变观念,改变教学方式、整合教学内容、主动收集公路项目建筑信息模型,优化教学设计[2]。

基于BIM技术对“路、桥、隧施工”课程进行改革对教师的要求比较高,要求教师对“路、桥、隧施工”施工工艺、工序非常熟悉,能够编制各个阶段的施工方案和开工报告,同时要求教师能够熟练地应用BIM技术。该项工作不是个别教师能够独立完成的,需通过建立专业教师团队来完成从教学内容选取到教学过程设计整个过程的教学把控。教学过程中大量吸收参与过真实BIM技术应用研究项目且懂公路施工相关内容的教师加入到教师团队中来。下文分别从结合BIM模型信息的教学实践和结合BIM技术的仿真教学实践对教学改革内容进行探讨。

3.2 结合BIM模型信息的教学实践

结合BIM模型可展示全生命周期公路工程的信息,在教学过程中重点对公路施工相关信息进行讲解,由于结合了真实的三维模型,学生更容易理解相关信息,从而可以较好地掌握相关知识点[3]。 如某桥梁工程预制梁模型信息展示, 教学过程中结合模型对梁的构成、尺寸信息、材质信息等进行讲解,并可以通过人物漫游的形式查看不同部位的构件及其信息,见图1。基于BIM模型的某桥梁工程施工进度计划模拟,课程中结合模型讲解施工进度计划的编制、横道图的含义等内容，见图2。通过课后调查,学生普遍反映可以较好地理解相关知识点,教学效果明显提升。

图1某桥梁工程预制梁信息

图2 某桥梁工程施工进度计划模型

3.3 结合BIM技术的仿真教学实践

BIM技术的可模拟性和可视化特征为仿真教学提供了实现手段,可结合BIM实践应用开展仿真教学,比如通过施工工艺模拟可让学生直观了解施工工艺过程,通过施工进度计划模拟可以了解工程完整的施工过程,通过协同管理演示可了解工程管理过程中的协同管理方法和流程等[4]。此外,教学过程中,学生可以通过建立BIM模型,在不同软件中自己动手实现上述应用,从而加深对施工过程的理解。采用上述仿真教学手段,可以大大提高学生学习兴趣,而且与实际工程项目的管理方式相同,学生毕业后可以快速适应工作岗位。

基于BIM模型对某隧道工程主体结构构成进行可视化展示,通过可视化仿真展示,学生可以直观地了解隧道主体结构构成及其特征,见图3。某隧道工程基于BIM模型的施工工艺模拟,通过直观模拟可以让学生理解施工工艺过程和施工注意事项,与三维工艺模拟动画的区别是模型与实际工程一致且模型信息可以查看,见图4。通过上述方式进行教学,加深了学生对公路工程施工的理解,也让学生可以结合实际工程项目进行学习,更接近于工程实践。

图3 某隧道工程主体结构信息可视化展示

图4 某隧道工程施工工艺模拟

4 结 语

BIM技术的引入使得公路施工类课程教学模式不再是单一的传统PPT教学,BIM模型及其应用对学生理解教学内容有很大帮助,教学效果明显提升。通过结合BIM模型的信息呈现和BIM技术的三维可视化特征,可辅之以教学过程的重点、难点讲解；同时通过结合实际工程的BIM技术应用,可提升学生对工程实践的理解。但是,目前施工类课程内容开发还不够完善,需要在今后工作中进一步对实际项目进行凝练,结合课程特点进行系列化的课程内容开发。