基于BIM技術的建筑鋼結構數字化教學資源建設

劉紅波, 楊智鋒

(1.河北工程大學 土木工程學院,河北 邯鄲 056038;2.天津大學 建筑工程學院,天津 300072;3.天津大學 未來技術學院,天津 300072)

為了有效推進教學的數字化,目前國內外的諸多高校都開展了關于數字化教學資源的建設。德國的不來梅大學和漢堡理工大學合作開發的“能力車間”項目,給學生提供了基于真實工程項目的生產視頻與電子檔案等內容[2];廈門大學、華中科技大學與西北工業大學等建立了用于混合式實驗課教學的數字化實驗平臺,可供學生學習相關知識,模擬實驗操作[3-6]。而在土木工程領域,一些學者[7-9]針對智能建造專業、土木工程施工課程、工程測量課程等,開展數字化資源建設,其內容較為相似,主要包含微課視頻、PPT、教學設計、工程照片、動畫演示等。

當前針對建筑鋼結構課程數字化教學資源建設的研究,國內外相關的文獻還比較少。與其他課程相比,建筑鋼結構在結構上更為復雜,若僅通過文字和工程圖片進行展示,學生則難以清晰理解。而BIM技術能夠制作建筑的三維模型,還支持通過交互平臺進行縮放、旋轉等操作,便于學生更直觀地學習復雜的鋼結構體系與構件。如圖1所示,本文提出了一種基于BIM技術的建筑鋼結構數字化教學資源建設框架——“教材—PPT—模型—動畫”,并完成了相關數字化教學資源的制作。

圖1 數字化教學資源建設框架

一、BIM技術概述

BIM(Building Information Model),即指建筑信息模型,是一種能夠建立建筑結構的三維模型,并在虛擬平臺上展示的技術。其起源可以追溯到20世紀70年代,由美國學者Chuck[10]在其課題中首次提出。經過多年的發展,BIM技術現在被廣泛運用于建筑結構的全生命周期中,能夠為建筑工程的設計、施工、監管、運營、拆除等環節提供全方面的數據支持。近年來,隨著數字孿生、虛擬現實、元宇宙等概念的興起,BIM技術由于具有可視化、模擬化、參數化等特點,也愈發得到諸多高校與企業的關注。

BIM技術的實現依托于眾多軟件的功能,包括設計、建模、結構分析、碰撞檢測、工程量統計、造價計算等,所涉及到的軟件包括Autodesk Revit、Bentley、Dassault CATIA、Tekla、3D Max、Bimbase、Bimfilm等。其中,Autodesk Revit由于集成了多專業的功能模塊,以及Autodesk公司在行業內頗高的知名度與認可度,成為了BIM市場占有率最高的軟件,也是諸多高校開設BIM相關課程的教學軟件。Revit擁有良好的軟件交互界面,建模邏輯清晰,并且集成了梁、柱、鋼結構連接節點等鋼結構建模所需的功能模塊,常用于建筑鋼結構的建模。Bimfilm是一款用于制作施工工藝動畫、建筑生長動畫和其他漫游動畫的軟件,操作流程清晰、素材庫豐富,還支持導入Revit模型作為素材,與Revit的互通性良好。因此,聯合使用Revit與Bimfilm制作建筑的三維信息模型在工程和教學領域都有著較為廣泛的運用,將其運用于建筑鋼結構數字化教學資源的建設同樣是可行的。

二、建筑鋼結構數字化教學資源建設

(一)建筑鋼結構數字化教學資源建設框架

在PPT資源建設上,內容主要包括教材中的章節:《鋼結構設計概論》《單層廠房鋼結構設計》《門式剛架輕型鋼結構》《多層房屋鋼結構體系》《高層房屋鋼結構》和《預埋件、鋼結構防護及施工驗收》。PPT涵蓋了教材的主要內容,并針對教材中的重點公式、重點內容進行補充講解,以及添加了豐富的工程照片與工程視頻,能夠為學生展示真實的鋼結構工程,有利于促進學生對復雜結構的理解。

圖2 PPT資源建設情況

在三維模型的建設上,建設思路是先對教材的內容進行歸納整理。由于教材的第一章為概念性的講解,而第六章篇幅很小、且沒有復雜的工程結構,所以三維模型的建設主要針對教材的第二章至第五章。主要基于教材中的插圖、鋼結構相關規范中的插圖和一些工程實例進行建模,包括單層鋼結構廠房、門式剛架廠房和多高層鋼結構房屋三部分內容。相比于教材和PPT中的文字與圖片,三維模型能夠展示鋼結構工程的三維空間結構,方便學生更加直觀地理解結構的組成構件與空間位置關系。而利用BIM技術所建立的三維模型還具有很強的互動性,學生可以自主操作,通過Revit平臺的交互功能觀察模型的每個細節,還可以通過點擊某個構件或節點獲取其具體型號,有效提升學習的效率和積極性。

在動畫資源的建設上,構建思路是以上述建立的三維模型作為基本元素,利用BIM技術展示施工工藝,并錄制音頻講解施工細節和構件的空間位置關系。動畫是對三維模型和教材內容的拓展,因為教材中所提及的施工工藝都是通過文字敘述,學生難以直觀地理解施工的流程和細節;而利用動畫所演示的施工工藝清晰明了,鋼結構工程施工的先后順序盡在眼前,施工細節可以通過視頻和音頻進行詳細展示,具有很強的邏輯性,便于學生的理解與掌握。并且,動畫也可以借助VR設備進行演示,能夠讓學生身臨其境地觀察鋼結構工程的施工現場,豐富學習樂趣。

產業結構Moore值這個指標將區域經濟劃分為多個產業部門，當某一產業所占比重改變時，它與其他產業的向量夾角就會發生變化，把所有矢量加總，即可得不同時期各產業的結構變化情況。

綜合考慮數字化資源建設的難點與教材的重點,本節將基于“教材—PPT—模型—動畫”的框架,研究各部分教學資源的建設邏輯、剖析其規律性做法,以及在建設過程中需要注意的重點。

(二)以PPT為載體的教學資源建設邏輯

PPT是一種常見的教學資源,能夠提供圖文并茂的信息,幫助老師更好地開展課堂教學,使學生更加直觀地理解和掌握知識。PPT應該囊括教材的主要內容,但與傳統的PPT不同,在“教材—PPT—模型—動畫”的數字化教學資源體系中,PPT除了要提供豐富的多媒體素材之外,還應該與三維模型、動畫的內容相呼應,更多地針對模型與動畫中的復雜節點、構件進行講解,知識點要一一對應、環環相扣,這樣才能夠充分發揮PPT在數字化教學資源中的作用。

圖3 三維模型資源建設情況

圖4 動畫資源建設情況

在不同章節中,由于三維模型所展示的鋼結構存在差異,因而PPT的側重點也應該有所不同。在單層工業廠房中,廠房包含的構件很多,構件之間的空間位置關系也容易混淆,結構較為復雜。所以在該章節中,PPT的內容應該側重于對廠房的整體結構進行講解,詳細說明各部分結構的組成和所處的位置,方便學生后續學習三維模型和動畫。在門式剛架廠房中,其整體結構與單層鋼結構廠房相比較為簡單,節點的構造也較為類似。所以在PPT中對于前文所講解過的內容就可以簡單帶過,而側重于講解門式剛架廠房中獨特的構件,如變截面梁、變截面柱及其連接節點等。

在多高層鋼結構房屋的整體結構中,梁、柱和剪力墻的布置等是學生在混凝土結構設計中也學習過的內容,學生對此比較熟悉,所以PPT的相關內容可以適當簡略。教材中還提供了豐富的節點插圖,包括梁柱節點、梁拼接節點和柱拼接節點等等,但沒有對節點進行詳細講解,因而在PPT中要側重于補充節點的具體構造信息,對比多種同類節點的不同之處,并分析其力學性能上的差異。

綜上所述,PPT資源的建設流程如圖5所示,即以教材內容為基礎、歸納教材內容,再補充針對模型和動畫的講解,然后根據對應的知識點尋找或制作圖片、視頻等多媒體素材,即可完成PPT的制作。

圖5 PPT資源建設流程

(三)數字化三維模型教學資源建設邏輯

三維模型要與教材中的插圖相對應,但教材中的大部分插圖主要用于結構的示意,并沒有給出結構的具體尺寸,這就需要我們在建模的時候參考實際工程案例中構件的尺寸。整體結構模型中如果有墻、樓板等會遮擋學生觀察內部構件的結構,在展示時可以選擇將其隱藏;而如果該結構比較簡單,也不是整體結構的重要內容,則在建模時可以考慮適當簡化,如只在首層或頂層創建樓板和墻,這樣既能夠滿足學生的學習需求,又能夠減少部分工作量。

如圖6所示,在整體結構的建模中,可以先建立一個結構單元模型,如單層鋼結構廠房中由柱和桁架組成的一榀鋼架、門式剛架廠房中由柱和梁組成的一榀鋼架、多高層鋼結構房屋中由柱、梁和柱間支撐組成的一層樓。在完成一個結構單元的建模之后,通過復制即可得到多個結構單元,再對結構單元之間的連接構件和節點進行建模,如檁條、墻梁、柱間支撐及其連接節點等,就可完成整體結構的建模。此外,在復制結構單元時需要注意的是,多高層鋼結構中的柱并不是以每層樓為單元劃分,通常柱的安裝單元有三層樓左右的高度,而且柱的拼接節點也不在樓板頂部,所以在復制時需要對柱進行單獨處理。在建模過程中還需要將同類構件合并成組,方便后續分組導出到Bimfilm軟件中制作動畫。

圖6 三維模型資源建設流程

在節點、構件模型的建模中,如果整體結構中有相同的節點類別,則可以直接將其提取出來,為了使該模型更加協調,還可以縮短被連接構件的長度,如梁的長度和柱的高度等。在建立帶有螺栓的節點模型時要設置好螺栓孔,雖然在三維模型中螺栓孔被螺栓遮擋,不會展示出來,但在動畫模擬施工時螺栓孔就能夠被觀察到。如果不設置螺栓孔,由此模型而制作的動畫中該構件就是沒有開孔的,與實際情況不符。

(四)三維動畫教學資源建設邏輯

Bimfilm支持導入由Revit生成的.rvt文件,將上述建立的三維模型分組導入軟件中作為素材,即可進行動畫的制作。動畫可以模擬施工過程,也可以模擬施工中由于違規操作造成的結構損傷、倒塌等情況。但需要注意的是,由軟件制作的所有動畫都要與實際情況相符,不可憑空設想施工的步驟,要基于廣泛的施工視頻或施工經驗來制作動畫。

圖7 三維動畫資源建設流程

Bimfilm中提供了豐富的素材庫,運輸工具和施工工具如混凝土攪拌車、吊車、手推車和焊條等,都可以直接利用素材庫中的模型,無需手動建模。由Revit建立的螺栓模型導入Bimfilm中是作為一個整體,無法模擬施工中螺母的旋轉、墊片的放置等動畫,需要在Bimfilm素材庫中利用螺栓、螺母和墊片模型進行組裝建模。Bimfilm制作動畫的邏輯是利用關鍵幀之間構件、鏡頭位置的變化,所以在需要進行動畫演示的地方需要設置好關鍵幀,包括構件的關鍵幀和鏡頭的關鍵幀。此外,Bimfilm能夠制作文字模型,在需要重點說明、標注的地方可以輸出文字來示意。在完成動畫的制作后,需要制作音頻與字幕對結構進行講解、說明,音頻可以由真人錄制,也可以利用Bimfilm中提供的AI配音來制作。Bimfilm可以將動畫導出成一般的視頻格式,也可以導出為VR視頻格式,借助VR設備即可讓學生身臨其境地觀察鋼結構工程的施工過程。

(五)以單層鋼結構廠房為例的數字化教學資源建設

基于前文所歸納的數字化教學資源的建設框架與建設邏輯,單層鋼結構廠房教學資源的建設概況如表1所示,即依照教材中的主要內容制作PPT,并針對重點插圖利用BIM技術制作三維模型與動畫,建成內容豐富的數字化教學資源。

表1 單層鋼結構廠房數字化教學資源建設概況

1.整體結構數字化資源建設

教材第二章全面介紹了單層工業廠房的各部分內容,包括廠房柱網的布置、柱間支撐的作用和布置原則、屋架結構體系的作用等等,主要是概念、理論層面的講解,關于工程結構、尤其是廠房整體結構的圖片比較少;PPT在教材內容的基礎上對重點知識點展開說明,如補充了廠房的組成以及各部分結構的位置和作用,并添加了許多相關的工程圖片與視頻,從理論層面向工程層面拓展;三維模型是基于課本的插圖與實際工程所建立,建成一個完整的單層工業廠房,詳細展示了廠房的各部分結構,實現在工程層面上的進一步深化;動畫演示了單層工業廠房的施工工藝,并將重要的知識點制作成音頻再次講解,有利于學生理論知識的鞏固和工程知識的拓展。

2.屋脊節點數字化資源建設

教材中介紹了屋脊弦桿的兩種拼裝方式,即工地拼接和工廠拼接,并簡單介紹了連接角鋼、安裝螺栓等輔助拼接的內容,最后對焊縫的設計進行講解。PPT在教材內容的基礎上,補充了關于屋脊節點的具體構造和施工工藝等內容,并添加了若干工程照片、圖紙與視頻。三維模型與書上的插圖相對應,鋼構件的型號源于某實際工程,學生可以通過運行Revit觀察節點模型的具體構造。動畫是基于三維模型制作而成,利用BIM技術詳細展示了屋脊節點的施工工藝,并在音頻部分補充了關于施工的許多知識,如“并不是所有的屋脊節點都能在工廠施工完成,當桁架的跨度較大時需要將桁架拆分成兩個運輸單元,到施工現場再進行拼接”等內容,能夠拓寬學生的知識面。

圖8 單層工業廠房整體結構的數字化資源建設

在學習教材后,學生對屋脊節點的概念、施工、計算等有了全面的了解,但對知識點的理解程度還不夠深刻;在學習PPT后,學生進一步認識了屋脊節點的構造和施工工藝,知曉了真實工程中的屋脊節點實例;在學習三維模型之后,學生對屋脊節點的構造有了清晰、深刻的理解,對屋脊節點包含的構件了然于胸;在學習動畫之后,學生對屋脊節點的施工工藝已經十分熟悉,甚至能夠在腦海中模擬屋脊節點的施工,而不僅僅是停留于文字階段,真正做到了理解并掌握。

四、對教學質量提升的促進作用

與以教材、PPT為主的傳統教學資源相比,基于“教材—PPT—模型—動畫”為框架所建成的數字化教學資源,在建筑鋼結構課程的教學實踐中對教學質量的提高作用更為明顯,主要體現在能夠提高學生全過程學習質量,提高學生的積極性與自主學習能力,提升課堂教學質量、增強課堂互動性這三部分內容。

(一)提高學生的全過程學習質量

數字化資源有利于提高學生的全過程學習質量,包括課前預習、課堂學習和課后復習三個環節。

在課前預習中,數字化教學資源可以幫助學生完成對理論、工程知識的初步了解。在課堂學習中,數字化資源能夠促進學生對理論、工程知識的進一步理解與掌握,此外,內容更加豐富、結構更加清晰的三維模型與動畫也有利于老師的講課,進而提高課堂教學質量。在課后復習中,數字化教學資源有利于深化學生對知識的理解與鞏固,學生如果能夠對教材、PPT、模型和動畫的內容進行全面復習,其理論與工程知識水平將會得到明顯提升。

(二)提高學生的積極性與自主學習能力

數字化教學資源內容豐富,學生對有疑惑的知識點都可以嘗試利用教學資源進行學習,例如查看PPT中是否有針對相關知識點的補充講解、利用三維模型和動畫來研究結構的構造細節等。學生如果能夠通過自學解決問題,將會大大提升他們的學習積極性與自信心,進而培養和提高自主學習能力。而且學生在鋼結構課程中所培養的自主學習能力并不僅限于本課程,他們在自學過程中會逐漸形成自己的思維范式,這是學習、思考能力的提升,在其他課程中同樣是適用的。

(三)提升課堂教學質量,增強課堂互動性

基于BIM技術所建設的數字化資源相比于傳統的紙質教材更加生動形象,并具有良好的互動性。課堂上老師可以利用Revit平臺或VR設備等交互工具,讓學生自己探索、學習三維模型和動畫的內容,激發學生的學習興趣。在互動中,由于學生的精神高度集中、思維也更加活躍,此時老師針對重點、難點的內容展開講解,能夠更好地被學生所接受。所以,結合數字化教學資源的課堂教學,相比于傳統課堂,能夠有效提升課堂的教學質量、豐富課堂樂趣、增強課堂互動。

五、結論

文章提出了一種建筑鋼結構數字化教學資源的建設框架——“教材—PPT—模型—動畫”,深入剖析了各部分內容建設的規律性做法和要點,并基于BIM技術,以教材為基礎、以PPT為載體、以三維模型和動畫為重點,建設了一批內容豐富的數字化教學資源。將數字化教學資源運用于教學實踐中,預期能夠有效增強課堂的互動性、提升課堂的教學質量,進而提高學生的全過程學習質量、學習積極性與自主學習能力。

本文所提出的數字化教學資源建設框架并不局限于建筑鋼結構設計課程,其核心思路是利用BIM技術可視化、交互性強的優點,將復雜的結構構件和施工工藝以三維模型、動畫的方式呈現,這在其他課程同樣適用,尤其是與復雜結構相關的課程,如混凝土結構設計、橋梁工程、路基路面工程等。這類課程若僅利用傳統的教學資源則較難讓學生清晰、快速地理解,因此可以參考本文所提出的教學資源建設框架,利用BIM技術制作與教材內容相對應的三維模型與動畫,為學生直觀地展示復雜的結構體系,進而提升教學質量。