BIM在“混凝土与砌体结构设计”课程中的教学辅助作用

陈旭东 偶伟冰

苏州科技大学土木工程学院 江苏苏州 215011

1 概述

混凝土结构和砌体结构是土木工程领域非常重要的结构类型。很多古建筑如城墙、城楼、拱桥等和仿古建筑都是由砌体组成的，新建设的项目大多会采用混凝土这种传统工程材料。“混凝土与砌体结构设计”这门课前身分别是“混凝土结构设计”和“砌体结构设计”，为了适应新形势下土木工程专业的发展，苏州科技大学土木工程学院将两门课合并为“混凝土与砌体结构设计”。在我校2018年新制定的教学大纲中，“混凝土与砌体结构设计”为72学时，适用于土木、土木D、土木国际等相关土木工程专业。该课程是土木工程专业核心课程，涵盖了肋梁楼盖、单层厂房、框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构、砌体结构等重要内容。该课程要求学生在掌握“混凝土结构设计原理”的基础上，学习混凝土结构与砌体结构房屋的结构选型、结构布置、计算模型选取、内力分析、构件设计和构造处理，掌握一般工业与民用建筑的结构设计流程和设计方法，同时掌握结构抗震设计方法和相应的抗震构造处理。通过对混凝土和砌体结构基本理论和设计方法的学习，培养学生的工匠精神、实事求是和精益求精的科学精神，初步树立职业使命感与责任感，为其今后从事相关专业工作树立正确的思想基础。

近年来，相关高校对“混凝土与砌体结构设计”教学改革进行了一系列的探索与实践[1-3]。根据我校对该课程工程教育的相关毕业要求，“研究能力”要求：能够基于科学原理，通过文献研究或相关方法，调研和分析土木工程专业复杂工程问题的合理解决方案；“使用现代工具能力”要求：能够开发或选用满足特定需求的现代工具，对土木工程专业复杂工程问题进行模拟和预测，并能够分析其局限性。在现代信息化社会，不仅要求学生学习和掌握设计知识，还要求学生能够运用新工具，对“混凝土与砌体结构设计”这门课中涉及的工程问题进行分析。其中，建筑信息模型(Building Information Modelling，以下简称BIM)是一个非常有用的工具。在授课过程中，如果能引入基于BIM的虚拟仿真，将有利于学生进一步理解这门课的基本概念和设计理念，具有重要的教学意义和实用价值。

2 BIM简介

BIM起源于欧美，是建筑、土木领域的新型工具。BIM是由Autodesk公司在2002年率先提出的，用来形容那些以三维图形为主、物件导向以及建筑学有关的电脑辅助设计。它可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中。设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作，有效提高工作效率、节省资源、降低成本，实现社会的可持续发展。

作为一项新型技术，BIM具有以下优势：(1)可视性。BIM的独特之处在于采用参数代替数据信息进行建模，建立工程结构的三维立体模型，反映工程建设的各个环节。(2)准确性。BIM技术以采集的数据为参量，直观地展示了工程模型，设计人员可通过大数据分析，确定所需材料。(3)协同性。在工程结构设计中应用BIM技术，可使设计走向一体化，提高设计的整体协同能力，保证工程顺利进行。(4)模拟性。BIM技术可以实现可视化模拟，通过计算机技术分析筛选，快速优化设计方案。

混凝土结构，尤其是装配式混凝土结构，涉及很多部件，如梁、柱以及节点等，这些构件都可以采用BIM进行建模，并将其信息存储于其中[4]；砌体结构设计中，大量的砖块信息特别适合采用BIM进行分析[5]。此外，在课程的教学中，通过适当的BIM可视化策略，可以将抽象的设计理论、设计方法，以图片、视频的形式展示给学生，对学生深入理解并掌握设计方法，具有很强的促进作用。

3 课程教学与BIM应用

本节讨论作者如何在“混凝土与砌体结构设计”的课程教学中具体应用BIM技术，在丰富课堂内容的同时，优化教学方法，提高学生的学习兴趣，加深对所学知识的理解和掌握。在教学过程中，以教育部土木工程专业教学指导委员会相关文件和我校“混凝土与砌体结构设计”教学大纲为基础，结合学生实际情况和社会对新时代土木工程人才的需求。本节所展示的BIM示例均是由Revit生成的。Revit是Autodesk公司一套系列软件的名称，是专为BIM构建的，结合了Architecture、MEP和Structure的功能，可帮助专业人员设计，建造和维护质量更好、能效更高的建筑。

授课老师(第一作者)和研究生助教(第二作者)建立了“混凝土与砌体结构设计”的BIM教学案例库。在建设过程中，选取了中国古代和现代建设中的典型工程，制作了结构在各种工况下受力、变形，乃至破坏的BIM虚拟仿真案例。选取案例时，注重弘扬中国优秀传统文化，体现中国古代和现代建设成就。同时，对单层厂房、框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒体结构、砌体结构等工程设计方案，引入BIM虚拟仿真技术，向学生直观展示结构的受力特点，介绍符合抗震规范要求的结构布置和构造措施。

下面通过两个案例来具体说明BIM在“混凝土与砌体结构设计”课程教学中的应用。在混凝土结构设计中，当讲到筒体结构时，会介绍框筒的概念。框筒是由布置在房屋四周的密集立柱与高跨比很大的窗间梁组成的一个多孔筒体。从形式上看，犹如四榀平面框架在房屋的四角黏合而成，与框架结构形状相似。但框筒结构的设计计算，不能采用框架结构在水平和竖向力作用下的内力计算方法，即框筒和框架是有本质区别的。对于框筒，一般要求每一立面窗洞面积不大于墙面面积的60%，如果开洞太大，框筒就会退化为框架。那么如何向学生展示框筒到框架的退化呢？作者采用Revit对正常的框筒进行建模，然后控制窗洞尺寸使其不断扩大，而窗间墙尺寸不断缩小，当达到一定限值的时候，窗间墙成为一根细长的“杆件”。此时，框筒便退化成了框架。在此过程中，我们利用了BIM的可视化技术，向学生动态呈现了这个过程。

当讲到混凝土—砌体混合结构房屋时，由于水平承力构件如楼盖、屋盖采用混凝土结构，而竖向承力构件如墙、基础采用砌体结构，在进行设计的时候，需要考虑承重墙的结构布置形式。承重墙的结构布置不外乎有横墙承重、纵墙承重、纵横墙承重和内框架承重等四种方案。这几种承重方案，在传统的多媒体教学中，通过图片展示和文字讲解，虽也能讲清楚，但易流于烦琐。作者在授课时，运用BIM技术，建立了四种承重方案的结构模型。演示时，可从多个角度，带着学生身临其境地以第一视角观看，学生对这四种承重方案的理解就大大加深了。可见，在这两个案例中，BIM均起到了很好的教学辅助作用。

(a)框筒结构

4 BIM辅助教学效果评价

本节讨论“混凝土与砌体结构设计”课程采用传统多媒体教学与BIM辅助教学在教学效果、教学质量和成绩提升方面的比较。如前所述，对于“混凝土与砌体结构设计”，有些章节的内容适合传统多媒体和板书教学，有些章节的内容则适合采用BIM辅助教学作为补充。以上两种教学方式均在苏州科技大学土木工程学院土木18级的“混凝土与砌体结构设计”教学过程中开展了实践。根据调查问卷(土木1811、1812班共发放问卷58份，收回有效问卷55份)的反馈结果，通过开展BIM辅助教学，学生表示对该课程的兴趣提高了。原先有超过一半的学生，认为“混凝土与砌体结构设计”难度大，且不容易取得好成绩，因此兴趣一般。采用了BIM辅助教学后，觉得有趣的学生占比大幅增加，而原来觉得一般或没意思的人数所占百分比大为减少(图2)。并且，采用BIM辅助教学的章节，学生的注意力明显提高。兴趣是最好的老师，正是因为学生有兴趣，BIM辅助教学不仅能加深学生对内容的理解，还能使得学生在课堂上更加专注，更加集中注意力。可见，绝大多数学生表示认可这种BIM辅助教学方式，觉得受益匪浅。

图2 学生对BIM辅助教学课程内容的感兴趣程度对比

对实行BIM辅助教学的“混凝土与砌体结构设计”课程期末成绩进行分析发现，土木1811和1812班大多数学生都取得了比较好的成绩。将重修的学生剔除在外，土木1811和1812班(共53人)2020—2021第二学期“混凝土与砌体结构设计”期末成绩分布可见右表。由右表可知，土木1811和1812班两个教学班，大多数人取得了较好的成绩，优良率达到32.1%，约占全班总数的1/3。另外，“中”和“及格”的学生比例分别为37.7%和17.0%，而“不及格”的学生占比为13.2%。考虑到“混凝土与砌体结构设计”课程是土木工程专业的核心课程，具有一定的难度和淘汰率，取得这样的成绩是可以理解和接受的，也是不容易的。同时，成绩总体也符合正态分布，BIM辅助教学对提高学生成绩具有一定的促进作用。

“混凝土与砌体结构设计”课程期末成绩分布表

BIM辅助教学效果不仅仅体现在学生对课堂知识的被动吸收上，还在于可以激发学生的主动性和能动性。以“混凝土与砌体结构设计”课程为例，一些学有余力的学生在课后，采用BIM软件，对单层厂房、框架结构、剪力墙结构的竖向和水平承载力，进行了建模；对砌体结构墙体高厚比的验算，采用Revit软件进行了可视化的展示；同时，这些学生组成了学习小组，在课堂上将他们使用BIM软件的成果和体会作了分享，向全班同学作了汇报。通过这样的教育和学习，同学们一致认为自己在参与中真正掌握了有关的专业知识。

结语

本文结合作者的教学经历，讨论了BIM技术在“混凝土与砌体结构设计”课程教学中的应用和辅助教学作用。虽然“混凝土与砌体结构设计”这门课的重点在于讲解结构的设计方法和设计准则，但在BIM技术的辅助下，学生能够更加深刻地理解课程的内容，更加专注地参与课堂学习，且取得了较好的期末成绩。因此，本文所介绍的方法切实可行，可操作性强，具有很好的借鉴意义和推广价值。