BIM 技术在钢筋平法识图与算量课程教学中的应用*

高卫亮 韩 露 刘亚欣 程喜文

(黄河交通学院 河南 焦作 454950)

BIM(Building Information Modeling)是指建筑信息模型,通过三维数字技术将工程项目各信息集成在一起,是项目全生命周期的数字化表达。具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性的特点,其中可视化是BIM 技术最显著的特点之一。

该技术首先由Autodesk 公司在2002 年提出,2003年引入到我国,经过近20年的发展,对我国建业的发展起到了巨大的影响,特别是在一些复杂的结构和钢筋混凝土结构施工图方面,BIM 技术在其中的应用有着重大的意义。而BIM 技术的可视化的特点,使得构件的详细构造可通过三维形式展示,基于此突出优势,近年来逐渐在各高校的课程建设中引入,特别是在识图、算量类的课程中收到了良好的效果[1～3]。

钢筋平法识图与算量课程是土建类专业学生开设的一门实践性很强的专业课程,该课程与工程实际贴合紧密,该课程的识图被认为是一门工程语言,而该课程的算量是学生工程造价的核心内容。因此,学好本课程对学生日后走向工作岗位具有重要的意义。该课程本属于按标准图集(G101图集、G901图集等)要求进行识图算量的简单知识,但标准图集是二维展示的,学生需要较强的空间想象力才能更好的理解钢筋的构造。但由于学生专业基础较差、空间想象力较差、现场实践的机会少,从二维模式转化为三维模式还有一定的困难。虽已出版有三维图集,但仍是静态的,对提升学生的理解有限。导致学生感觉本课程抽象、枯燥难懂,特别是多个构件连接处的钢筋构造,钢筋间的摆放、搭接、锚固等问题学生很难理解。加之教师实践经验不足、课时量偏少等原因,在有限的时间内很难利用图集把知识点讲深讲透。久而久之,学生渐渐的对课程产生了恐惧、厌学等心理。

针对以上问题,许多学者也进行了研究,姜兆华[4]将BIM 的3D 可视化引入了钢筋平法的教学中,极大提高了上课的效率,提升了学生的学习积极性和热情。张旭[5]指出,将BIM 技术运用在钢筋平法识图课程中,发挥了学生的主观能动性,也降低了教师的教学难度,教学效果良好。其他学者针对BIM 技术在该课程的研究也做了研究。但是大部分都是从某一方面进行分析,本文通过BIM 技术和AR/VR/MR 全息投影等现代技术结合起来,较全面的分析了相关技术在钢筋平法识图与算量课程中的应用。

1 BIM 技术在钢筋平法识图与算量课程中的应用

1.1 BIM 技术可视化引入

通过近几年地教学经验,在本课程学习过程中,学生空间想象力不足是影响学生学习成绩和兴趣的主要原因。BIM 可视化可将复杂的构件与钢筋之间的关系通过三维效果的形式展示在学生面前,这将有效改善学生空间想象力不足问题,对提升学生理解有极大的帮助。比如在课程中利用BIM 建模软件Revit对梁、板、柱等构件进行建模,学生可以简单地完成对这些构件的识图;对复杂的钢筋节点进行建模,可以表示出钢筋的弯折的方向、长度、搭接的位置和长度等信息,再用不同的颜色表示出钢筋的种类。再将三维视图与平面图对应起来学习,这样学生对二维图集的节点、搭接、锚固的理解程度将大大的提升,学生对钢筋工程量的计算变得容易。如图1为某框架柱钢筋三维视图与平面图,按构件实际尺寸建立的模型,真实表示出某框架柱的纵筋锚固长度、搭接范围、箍筋的间距等信息。从上课表现来看,学生能够轻松地计算出钢筋工程量。

图1 某框架柱钢筋算量三维视图与立面图

1.2 模型轻量化处理

建模软件创建的模型一般需要软件进行打开,而且对硬件的要求也较高,学生很难实现随时随地轻松地观看。有些学者也通过建立模型,然后需下载APP扫描查看,有时还会出现卡顿现象,给学生学习带来了不便。为了使学生能够通过web或移动端看到构件的三维视图和钢筋排布,需要对模型进行轻量化处理。在实际操作中,首先通过建模软件对构件建立的三维模型,然后上传到云平台,转化成轻量化模型,生成二维码,学生可以通过手机端或PC端扫描后,对模型进行动态观察、第一视角观察、截面分析、分解模型等方式预览。学生可以近距离地看清构件中钢筋的排布、搭接、位置摆放等情况,对空间想象力不强的学生带来了极大的帮助。比如红瓦科技公司出的协同大师,支持分享轻量化模型,网页端、手机小程序端,客户端多终端查看模型,支持截面分析、测量以及漫游等多种功能,教师还可以随时对上传的模型进行更新。

图2为楼层框架梁和中柱钢筋的二维码,将构件的二维码放入课件中,方便学生学习预习。

图2 梁构件和柱构件三维视图二维码

1.3 BIM+VR 技术在课程中的应用

VR技术是指利用计算机生成一种可对参与者直接施加视觉、听觉和触觉感受,并允许其交互地观察和操作的虚拟世界的技术,具有交互性、沉浸感、想象性和自主性的特点。近年来,在课程建设上也得到应用[6]。

BIM+VR 技术相结合,能够创建一个虚拟仿真的平台,学生通过佩戴VR 设备可以沉浸其中,真正实现近距离的体验构件间、钢筋的相关关系,学生观看完后基本能掌握钢筋的排布、锚固等知识点,对学生理解和掌握构件中钢筋的组成起到了极大的作用。例如利用建模软件Revit建好钢筋模型,将建好的三维模一键导入到Fuzor软件或在Enscape插件中进行VR 渲染体验,还可以设置知识点,学生佩戴VR眼镜后可以身临其境的学习,趣味性和学习性得到了统一。

图3 为某框架梁的在Enscape 软件中的VR显示。

图3 三维模型在Revit软件和Enscape插件中的同步呈现

1.4 BIM+AR&MR 技术在课程中的应用

AR 技术又称为增强现实技术,可以将将计算机所形成的虚拟信息融入到用户所能看到的真实环境中,借助显示设备对真实世界进行景象增强的技术,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而达到超越现实的感官体验。MR 技术又称混合现实技术,既包括增强现实和增强虚拟,是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境,可实现人机交互输入。在教学过程中,可以将图集中的构建节点通过建模软件制成3D 模型,通过转化成AR&MR 的文件,并生成二维码,学生可以通过手机端进行扫描,就可以在手机屏幕上呈现3D 立体的效果。学生可以对模型进行360°全方位缩放查看,可以清晰的看到构件节点处的钢筋排布。例如佩戴MR 设备Magic Leap和Hololens眼镜,可支持手势、语音、键盘和手柄的人机交互输入,可实时空间建模、实时空间追踪、播放空间声音等[7-8]。可有效的解决学生立体感不强、学习枯燥等问题,从而提高学生的学习兴趣和掌握的程度。

1.5 BIM+全息投影技术在课程中的应用

全息投影技术属于3D 技术的一种,也称虚拟成像技术,是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。所投射的画面清晰、色彩鲜明、具有非常真实的特征,有利于将一些复杂难懂、抽象的知识点直观形象的展现在学生面前。可将制作好的模型悬浮在实景的半空中成像,营造了亦幻亦真的氛围,具有强烈的纵深感,可全方位180°或360°多视角显示构件效果,通过触摸屏实现与学生的互动。可有效降低课程的难度,提升学生的学习效率。

2 得到的效果

BIM、AR、MR 等技术在钢筋平法识图与算量课程中运用,有效的克服了学生空间想象力不足的问题,使复杂的结构类型,节点处复杂的钢筋构造变得简单,课堂的趣味性更强,增加了课堂活跃性,使课堂不再枯燥,在有限的专业课时的条件下,最大限度地完成课程的重难点,学生接受更多的知识点。在教学过程中发现,学生学习本门课程的积极性更高,对该课程产生了浓厚的兴趣,能够有效掌握G101等图集的识图,对钢筋工程量的计算更加准确,加之课下要求学生通过建模软件对钢筋节点模型进行建立,大大加深了学生的印象,能够使得学生真正掌握所学知识。在学期末的测验中学生优秀率明显增加,对学生日后走向工作岗位奠定了坚实的基础。

3 结语

随着BIM、AR、MR 等技术的不断发展,不仅给建筑行业带来了巨大的变革,也会对教学方法的改革带来很大的影响。BIM 技术在钢筋平法识图与算量课程中的应用具有非常重要的意义。它不仅可将教学过程中复杂的构件节点,通过三维模型生动、形象的向学生展示,对激发学生学习兴趣、增加空间想象力都有很大帮助,使学生学习起来更加轻松,从而提高课堂的效率。符合现代新课改的要求。同时,积极对课程现有的教学模式、教学方式、教学手段等进行改革,改变课程目前的教学现状,提高教学的效果和质量,为培养顺应时代和行业发展的高素质应用型人才而努力。