基于BIM技术的建筑钢结构数字化教学资源建设.pdf
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1、第 40 卷 第 2 期河 北 工 程 大 学 学 报(社 会 科 学 版)Vol.40 No.22023 年 6 月Journal of Hebei University of Engineering (Social Science Edition)Jun.2023投稿日期2023-04-17基金项目河北省高等教育教学改革研究与实践项目(编号:2021GJJG244)作者简介刘红波(1983-),男,河北平山人,博士,教授,研究方向:空间结构与钢结构。基基于于 B BI IM M 技技术术的的建建筑筑钢钢结结构构数数字字化化教教学学资资源源建建设设刘红波1,2,杨智锋3(1.河北工程大学 土
2、木工程学院,河北 邯郸 056038;2.天津大学 建筑工程学院,天津 300072;3.天津大学 未来技术学院,天津 300072)摘 要近年来,慕课、网课、翻转课堂等线上课程和混合式课程发展迅速,教学的信息化与数据化是许多高校的重点课题。数字化教学资源是教学信息化与数据化的基础,其内容因学科、课程而异。以建筑钢结构课程为例,文章提出了一种基于 BIM 技术的数字化教学资源建设框架即“教材PPT模型动画”框架,即以教材为基础、以 PPT 为载体、以三维模型和动画为重点完成了数字化资源的建设,各部分内容环环相扣、知识点逐渐拓展。将数字化教学资源运用于教学中,预期能够有效提高学生的全过程学习质量
3、、学习积极性和自主学习能力。关键词BIM;钢结构;数字化;教学资源;教学改革doi:10.3969/j.issn.1673-9477.2023.02.015中图分类号G642.0 文献标识码 A 文章编号 1673-9477(2023)02-0102-07 教育部印发的教育信息化“十三五”规划中提到,要依托信息技术营造信息化教学环境,推进信息技术在日常教学中的深入、广泛应用1。因此,随着国家的号召与技术的发展,教育、教学的信息化与数字化成为了高校所关注的重点课题,近年来许多高校纷纷推出了慕课、SPOC(Small Private Online Course)课堂等线上、或线上线下混合式教学模式
4、,其中数字化教学资源在高校的教学实践中发挥着重要的作用。数字化教学资源包含丰富的学科内容,具有轻量化与共享化的优点,方便学生随时随地开展学习,能够有效培养学生的自主学习能力,提高教学质量。数字化教学资源的类型也从一开始的电子教案、课件、讲课视频,发展到现在的数字化模型、动画、实验平台等,能够更好地发挥其在数字化、信息化教学实践中的作用。为了有效推进教学的数字化,目前国内外的诸多高校都开展了关于数字化教学资源的建设。德国的不来梅大学和汉堡理工大学合作开发的“能力车间”项目,给学生提供了基于真实工程项目的生产视频与电子档案等内容2;厦门大学、华中科技大学与西北工业大学等建立了用于混合式实验课教学的
5、数字化实验平台,可供学生学习相关知识,模拟实验操作3-6。而在土木工程领域,一些学者7-9针对智能建造专业、土木工程施工课程、工程测量课程等,开展数字化资源建设,其内容较为相似,主要包含微课视频、PPT、教学设计、工程照片、动画演示等。当前针对建筑钢结构课程数字化教学资源建设的研究,国内外相关的文献还比较少。与其他课程相比,建筑钢结构在结构上更为复杂,若仅通过文字和工程图片进行展示,学生则难以清晰理解。而BIM 技术能够制作建筑的三维模型,还支持通过交互平台进行缩放、旋转等操作,便于学生更直观地学习复杂的钢结构体系与构件。如图 1 所示,本文提出了一种基于 BIM 技术的建筑钢结构数字化教学资
6、源建设框架 “教材PPT模型动画”,并完成了相关数字化教学资源的制作。图 1 数字化教学资源建设框架一、BIM 技术概述 BIM(Building Information Model),即指建筑信息模型,是一种能够建立建筑结构的三维模型,并在虚拟平台上展示的技术。其起源可以追溯到 20 世纪70 年代,由美国学者 Chuck10在其课题中首次提出。经过多年的发展,BIM 技术现在被广泛运用于第 2 期刘红波等:基于 BIM 技术的建筑钢结构数字化教学资源建设103 建筑结构的全生命周期中,能够为建筑工程的设计、施工、监管、运营、拆除等环节提供全方面的数据支持。近年来,随着数字孪生、虚拟现实、元
7、宇宙等概念的兴起,BIM 技术由于具有可视化、模拟化、参数化等特点,也愈发得到诸多高校与企业的关注。BIM 技术的实现依托于众多软件的功能,包括设计、建模、结构分析、碰撞检测、工程量统计、造价计算等,所涉及到的软件包括 Autodesk Revit、Bent-ley、Dassault CATIA、Tekla、3D Max、Bimbase、Bimfilm等。其中,Autodesk Revit 由于集成了多专业的功能模块,以及 Autodesk 公司在行业内颇高的知名度与认可度,成为了 BIM 市场占有率最高的软件,也是诸多高校开设 BIM 相关课程的教学软件。Revit 拥有良好的软件交互界面,
8、建模逻辑清晰,并且集成了梁、柱、钢结构连接节点等钢结构建模所需的功能模块,常用于建筑钢结构的建模。Bimfilm 是一款用于制作施工工艺动画、建筑生长动画和其他漫游动画的软件,操作流程清晰、素材库丰富,还支持导入 Re-vit 模型作为素材,与 Revit 的互通性良好。因此,联合使用 Revit 与 Bimfilm 制作建筑的三维信息模型在工程和教学领域都有着较为广泛的运用,将其运用于建筑钢结构数字化教学资源的建设同样是可行的。二、建筑钢结构数字化教学资源建设(一)建筑钢结构数字化教学资源建设框架 在 PPT 资源建设上,内容主要包括教材中的章节:钢结构设计概论单层厂房钢结构设计门式刚架轻型
9、钢结构多层房屋钢结构体系高层房屋钢结构和预埋件、钢结构防护及施工验收。PPT 涵盖了教材的主要内容,并针对教材中的重点公式、重点内容进行补充讲解,以及添加了丰富的工程照片与工程视频,能够为学生展示真实的钢结构工程,有利于促进学生对复杂结构的理解。图 2 PPT 资源建设情况 在三维模型的建设上,建设思路是先对教材的内容进行归纳整理。由于教材的第一章为概念性的讲解,而第六章篇幅很小、且没有复杂的工程结构,所以三维模型的建设主要针对教材的第二章至第五章。主要基于教材中的插图、钢结构相关规范中的插图和一些工程实例进行建模,包括单层钢结构厂房、门式刚架厂房和多高层钢结构房屋三部分内容。相比于教材和 P
10、PT 中的文字与图片,三维模型能够展示钢结构工程的三维空间结构,方便学生更加直观地理解结构的组成构件与空间位置关系。而利用 BIM 技术所建立的三维模型还具有很强的互动性,学生可以自主操作,通过 Revit 平台的交互功能观察模型的每个细节,还可以通过点击某个构件或节点获取其具体型号,有效提升学习的效率和积极性。在动画资源的建设上,构建思路是以上述建立的三维模型作为基本元素,利用 BIM 技术展示施工工艺,并录制音频讲解施工细节和构件的空间位置关系。动画是对三维模型和教材内容的拓展,因为教材中所提及的施工工艺都是通过文字叙述,学生难以直观地理解施工的流程和细节;而利用动画所演示的施工工艺清晰明
11、了,钢结构工程施工的先后顺序尽在眼前,施工细节可以通过视频和音频进行详细展示,具有很强的逻辑性,便于学生的理解与掌握。并且,动画也可以借助 VR 设备进行演示,能够让学生身临其境地观察钢结构工程的施工现场,丰富学习乐趣。综合考虑数字化资源建设的难点与教材的重点,本节将基于“教材PPT模型动画”的框架,研究各部分教学资源的建设逻辑、剖析其规律性做法,以及在建设过程中需要注意的重点。(二)以 PPT 为载体的教学资源建设逻辑 PPT 是一种常见的教学资源,能够提供图文并茂的信息,帮助老师更好地开展课堂教学,使学生更加直观地理解和掌握知识。PPT 应该囊括教材的主要内容,但与传统的 PPT 不同,在
12、“教材PPT模型动画”的数字化教学资源体系中,PPT 除了要提供丰富的多媒体素材之外,还应该与三维模型、动画的内容相呼应,更多地针对模型与动画中的复杂节104 河 北 工 程 大 学 学 报(社 会 科 学 版)第 2 期点、构件进行讲解,知识点要一一对应、环环相扣,这样才能够充分发挥 PPT 在数字化教学资源中的作用。图 3 三维模型资源建设情况图 4 动画资源建设情况 在不同章节中,由于三维模型所展示的钢结构存在差异,因而 PPT 的侧重点也应该有所不同。在单层工业厂房中,厂房包含的构件很多,构件之间的空间位置关系也容易混淆,结构较为复杂。所以在该章节中,PPT 的内容应该侧重于对厂房的整
13、体结构进行讲解,详细说明各部分结构的组成和所处的位置,方便学生后续学习三维模型和动画。在门式刚架厂房中,其整体结构与单层钢结构厂房相比较为简单,节点的构造也较为类似。所以在 PPT 中对于前文所讲解过的内容就可以简单带过,而侧重于讲解门式刚架厂房中独特的构件,如变截面梁、变截面柱及其连接节点等。在多高层钢结构房屋的整体结构中,梁、柱和剪力墙的布置等是学生在混凝土结构设计中也学习过的内容,学生对此比较熟悉,所以 PPT 的相关内容可以适当简略。教材中还提供了丰富的节点插图,包括梁柱节点、梁拼接节点和柱拼接节点等等,但没有对节点进行详细讲解,因而在 PPT 中要侧重于补充第 2 期刘红波等:基于
14、BIM 技术的建筑钢结构数字化教学资源建设105 节点的具体构造信息,对比多种同类节点的不同之处,并分析其力学性能上的差异。综上所述,PPT 资源的建设流程如图 5 所示,即以教材内容为基础、归纳教材内容,再补充针对模型和动画的讲解,然后根据对应的知识点寻找或制作图片、视频等多媒体素材,即可完成 PPT 的制作。图 5 PPT 资源建设流程(三)数字化三维模型教学资源建设逻辑 三维模型要与教材中的插图相对应,但教材中的大部分插图主要用于结构的示意,并没有给出结构的具体尺寸,这就需要我们在建模的时候参考实际工程案例中构件的尺寸。整体结构模型中如果有墙、楼板等会遮挡学生观察内部构件的结构,在展示时
15、可以选择将其隐藏;而如果该结构比较简单,也不是整体结构的重要内容,则在建模时可以考虑适当简化,如只在首层或顶层创建楼板和墙,这样既能够满足学生的学习需求,又能够减少部分工作量。如图 6 所示,在整体结构的建模中,可以先建立一个结构单元模型,如单层钢结构厂房中由柱和桁架组成的一榀钢架、门式刚架厂房中由柱和梁组成的一榀钢架、多高层钢结构房屋中由柱、梁和柱间支撑组成的一层楼。在完成一个结构单元的建模之后,通过复制即可得到多个结构单元,再对结构单元之间的连接构件和节点进行建模,如檩条、墙梁、柱间支撑及其连接节点等,就可完成整体结构的建模。此外,在复制结构单元时需要注意的是,多高层钢结构中的柱并不是以每
16、层楼为单元划分,通常柱的安装单元有三层楼左右的高度,而且柱的拼接节点也不在楼板顶部,所以在复制时需要对柱进行单独处理。在建模过程中还需要将同类构件合并成组,方便后续分组导出到 Bimfilm 软件中制作动画。图 6 三维模型资源建设流程 在节点、构件模型的建模中,如果整体结构中有相同的节点类别,则可以直接将其提取出来,为了使该模型更加协调,还可以缩短被连接构件的长度,如梁的长度和柱的高度等。在建立带有螺栓的节点模型时要设置好螺栓孔,虽然在三维模型中螺栓孔被螺栓遮挡,不会展示出来,但在动画模拟施工时螺栓孔就能够被观察到。如果不设置螺栓孔,由此模型而制作的动画中该构件就是没有开孔的,与实际情况不符
17、。(四)三维动画教学资源建设逻辑 Bimfilm 支持导入由 Revit 生成的.rvt 文件,将上述建立的三维模型分组导入软件中作为素材,即可进行动画的制作。动画可以模拟施工过程,也可以模拟施工中由于违规操作造成的结构损伤、倒塌等情况。但需要注意的是,由软件制作的所有动画都要与实际情况相符,不可凭空设想施工的步骤,要基于广泛的施工视频或施工经验来制作动画。图 7 三维动画资源建设流程 Bimfilm 中提供了丰富的素材库,运输工具和施工工具如混凝土搅拌车、吊车、手推车和焊条等,都可以直接利用素材库中的模型,无需手动建模。由Revit 建立的螺栓模型导入 Bimfilm 中是作为一个整体,无法
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