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轨道交通结构设计与课程教学模式

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摘要:为培养知识应用能力、创新创造能力、国际竞争能力强的复合型国际化人才,课程教学中融入具有多维可视化、协同化、可交互性等优点的BIM技术,并预设多个接口,搭建创新实践平台,让学生更好地理解理论知识的同时,进行创新性研究,最终达到培养适应社会发展需求的高端人才的目的。

关键词:BIM技术;创新实践;课程教学

一、课程的教学特点及现状

城市轨道交通结构设计与施工课程是轨道交通工程专业学生的一门专业必修课,其教学历史和特点与我国轨道交通工程专业的教育历程息息相关。我国轨道交通工程专业的教育经历了“师欧美、学苏联、兼日欧”三个时期,形成了以专业化教学为特色的人才培养模式,使我国在短时间内缩小了与发达国家的技术差距。但随着轨道交通的“高速化”和“高效化”,对设施全系统安全性和全寿命可靠性的要求越来越高,原来“专”的特色已难以适应,需要将学生的教育从知识传承、知识应用能力的培养到激发原创意识、提升技术创造能力培养进行转化。因此,轨道交通工程人才培养须实现从学习、追赶先进技术到成为世界技术引领者的角色重大转变,同时,要符合双一流大学的综合性、研究型、国际化办学定位,培养具有面向未来国家建设需要,适应未来科技进步,德智体全面发展,掌握相关原理和知识,获得工程师良好训练,基础理论扎实、专业知识宽厚、实践能力强,能胜任城市轨道交通结构项目的设计、施工、管理,具有继续学习能力、创新能力、国际视野和领导意识的高级专门人才。围绕上述人才培养要求,作为城市轨道与铁道工程方向的骨干课程之一,本课程总体目标是培养知识应用能力、创新创造能力、国际竞争能力强的复合型国际化人才,具体目标是通过对城市轨道交通结构工程设计与施工相关理论和知识的学习,使学生了解城市轨道交通车站和区间多种结构类型,掌握城市轨道交通结构设计的思路和计算分析方法、城市轨道交通施工组织及信息化施工基本原则及要求,同时培养学生“发现问题、解决问题”的能力,激发学生的探索、创新兴趣。但本课程教学内容与工程实践结合紧密,教学中存在诸多难点:(1)涉及的技术多、广,且相关技术发展快;(2)涉及的学科领域广泛,计算方法不太完善;(3)实践超前于理论,近几年随着轨道交通建设的大发展,现场涌现了大批创新技术,但相应的理论不完善或缺失。因此本课程的教学应做到使学生掌握基本理论的基础上,传授的课程内容紧跟新技术的发展、实践经验融于课程教学中,并激发学生的创新兴趣。

二、BIM技术在本课程教学中的融入及模式

课程教学主要采取理论教学与课程设计相结合的方式。其中理论课包括基础知识、城市轨道交通结构设计和城市轨道交通施工技术三个模块,课程设计主要在给定的实际地铁车站地质水文条件、周边环境等预设条件下,进行地铁车站的结构设计,让学生掌握地铁车站设计流程和主要方法。该课程教学内容多且复杂,部分教学内容晦涩难懂,特别是施工部分存在许多难以表达的施工模拟过程,采用传统的教学方式很难全方位展示。前期教学工作中已采用部分影音视频、安排工地参观等手段,但仍不能全面反映设计与施工的主要流程与方法,原因是工程施工阶段的工期安排往往与教学进度不能同步,且施工单位担心学生参与现场施工安全难以保证,一般不太愿意接受,即使能够安排,短期的参与也难以了解全过程。在BIM技术快速发展的背景下,若在课程教学中运用BIM技术,将给这门课程带来新变化和新亮点。目前课堂教学中主要利用BIM技术多维可视化、协调性及可模拟性的特点,对难以表达的结构内力传递、结构细部及施工过程进行全方位展示,主要包括以下几点。

(一)BIM技术在结构设计原理中的融入城市轨道交通包含多种结构形式,根据与地面标高之间的关系,可分为地面、地下以及高架等;根据使用功能又可分为车站与区间结构等,这些结构又会以不同的断面型式表达。以区间隧道结构为例,断面型式有矩形、圆形、马蹄形、多拱形等;施工方法包括明挖法、矿山法、盾构法等。不同的结构、不同的断面型式及施工方法,均会影响结构与周围媒介如土体的相互作用以及荷载在结构中的传力路径,从而影响结构的内力及失稳计算。了解和掌握结构的受力及传力路径对科学开展工程结构的力学分析及设计至关重要。但由于肉眼无法观察到工程结构的传递荷载过程,因此学生无法感知工程结构的真实受力形态[1,2]。因此,基于BIM技术建立的工程结构模型,融入力学计算软件如Ansys、Plaxis等,通过彩色云图、动画的方式展示出结构构件的受力形态及荷载传递过程,以此让学生直观看到工程结构在荷载作用下的传力路径和力学特性,便于学生理解结构设计的原理。

(二)BIM多维可视化技术在结构设计及复杂施工过程教学中的融入传统课堂教学的多媒体课件中大多数使用的是二维(极少三维)图形,学生需要根据二维图形想象出三维模型,一旦在脑海中无法想象三维模型,就难以理解所学内容[3]。特别是本课程施工部分包含复杂的四维(三维空间+时间)施工过程,仅使用二维图形甚至三维图形授课使得学生理解困难,即使理解了也很难有形象、深刻的理解。将多媒体课件中的二维图形和BIM三维可视化图形以及随时间变化的动画功能相结合,可以使教学内容生动易懂,又可以使学生对所学内容有感性的认识和形象的记忆。以地铁车站基坑施工为例,建立可反映车站基坑施工过程的BIM四维模型,对车站基坑工程的地下空间以及施工工艺进行漫游展示,同时构建基坑施工进度管理的流程,实现车站基坑施工过程的可视化演示。对车站主体结构设计部分,由于结构构件、防水措施、管线布置等错综复杂,很难用语言或图片形象地展示,可充分利用BIM的可视化及协调性,一方面能对构件进行三维展示,另一方面给学生展示不同专业的协调性对地铁车站结构功能的影响。同时,由于城市轨道交通的施工现场主要在人口密集的城市市区,施工时的影响因素复杂,包括交通疏解、周边建筑物及管线等的保护等,处理不当极易导致安全事故,因此施工时的组织及安全风险控制极为重要。但在讲授该部分内容时,由于受到工地现场以及实验设备等客观条件的约束,不能在课堂直接进行破坏性实验,此时可以借助BIM的4D功能模拟结构或施工破坏过程,让学生看清风险的发展趋势及过程。

(三)BIM技术在地铁车站结构课程设计中的融入课程设计是检验学生对该门课程掌握程度的一种最有效、最直接的办法。本课程中的课程设计主要是结合给定的预设条件,利用课堂教学中讲授的计算及设计方法,进行地铁车站施工期基坑的支护结构及运营期的主体结构设计,包括必要的力学计算过程及绘图。由于水文地质及周边环境复杂,进行设计前需根据结构与地层的相互关系选取典型断面,但以往提供的地质图纸主要是二维图,很难反映复杂的三维地形地貌及地质情况,为使设计更加贴近实际,可首先利用BIM技术给出较真实的三维可视图。另外,目前课程设计主要使用CAD软件绘制地铁车站结构布置的平面图、立面图、剖面图等,由于CAD绘制的是二维图,在绘制立面图、剖面图时,需要学生有很好的想象能力,否则会经常出现平面和立面、剖面不相符合的情况[4]。BIM技术的融入可以完成对设计的动态信息调整,减少课程设计中的错误,使课程设计高效准确。

(四)BIM技术的传授BIM技术可贯穿在城市轨道交通建设项目全寿命周期的各个阶段,包括决策阶段、规划设计阶段、施工阶段、运营维护阶段,特别是对“设计—施工—运营”一体化理念的充分体现意义重大。基于目前BIM技术的广泛应用及发展前景,教学中有意识地给学生传授该方面的知识,一是在新版教材编写中增加了BIM的章节内容,通过课堂教学中展示的BIM多维图形,向学生介绍BIM技术的概念及应用,并让学生体会BIM技术的三维可视化优势;二是考虑到BIM技术的复杂性,而课堂的时间有限,为此增加课后自学及讨论环节,以充分发挥年轻学生在数字化技术方面的优越性。通过学习,让学生掌握一定的BIM技能,使其毕业后更好地将BIM技术应用到工程实践中。

三、基于BIM技术的创新实验平台建设

城市轨道交通结构设计与施工过程中牵涉的影响因素复杂,现有的理论或方法大多基于现场统计数据或大量简化得到,尚不够完善,这给课堂教学带来了利和弊共存的影响,弊是学生难以理解,课堂教学效果较差。但正是由于理论尚不完善,可以激发学生的理论探索和技术创新兴趣。以往由于室内或现场试验需要花费的人力、物力都较大,如果考虑不周尚得不到理想的结果,因此较少用于本课程学生的创新项目。在多媒体、智能化、BIM高速发展的今天,如何利用新技术开发新的创新平台,使学生在增长学习兴趣的基础上有所创新是本课程急需解决的主要问题。结合上海市重点课程、精品课程建设,本课程已初步确立了基于BIM实验室的创新平台建设思路,通过该平台,学生可实现自主及创新设计。以“地下车站结构设计与施工”为例,创新平台首先需要完成几个数据库的建设,包括地质水文数据库、结构信息数据库、周边环境保护数据库等。地质水文数据库主要记录及储存我国城市轨道交通建设面临的典型地质水文特征及其物理力学参数;结构信息数据库主要是储存结构的主要类型及典型尺寸,包括支撑结构、围护结构以及主体结构中的梁、板、柱等;周边环境保护数据库主要为学生提供车站周边典型建筑物类型及基本参数,为设计提供环境保护要求。学生在使用该平台时,首先调用地质水文数据库形成预设的地质三维图,并利用周边环境保护数据库预设施工需保护的周边建筑物、管线、道路等,接着学生可进行自主设计或创新。自主设计时,既可调用结构信息数据库中提供的结构类型及材料信息进行BIM建模过程,也可进行多种构件的相互组合以形成新的结构类型,甚至可在结构信息数据库中预留接口,学生可自主设计新的结构型式,以配合创新项目的要求。为判断自主或创新的设计是否合理,需设定调用启明星、Plaxis等专业软件的接口,进行相应的力学计算,计算结果可在BIM模型里动态显示。如果设计的结构失稳或不满足周边环境要求,说明该设计是不合理的,需要变更设计。通过该创新平台,使学生切身感受到结构设计的非唯一性、复杂性,体验到结构变化多样的组合魅力,进而激发学生的学习兴趣与热情。

四、结束语

BIM技术正在推动建筑行业的改革,在我国已逐渐被推广应用。作为人才培养主要阵地的高等院校,有义务将先进技术融入课程体系,并充分利用其多维可视化、协同化、可交互性等优点,让学生更好地学习理论知识的同时,进行创新实践,最终达到培养适应社会发展需求的高端人才的目的。BIM技术在本课程的融入刚刚起步,要实现创新平台的建设任重而道远,如何利用或整合已有资源,较快捷地进行平台建设是目前需解决的主要问题。

参考文献:

[1]侯学良,杨思佳.BIM技术在工程结构课程教学中的应用[J].高等建筑教育,2017,26(06):129-132.

[2]蒋晶,龙讯.基于工作过程的城市轨道交通控制专业(信号方向)的课程研究[J].教育教学论坛,2015(19):233-234.

[3]刘照球,李云贵.土木工程专业BIM技术知识体系和课程架构[J].建筑技术,2013,44(10):913-916.

[4]齐岳,张俊华,赵文军.结合BIM技术的房屋建筑学课程改革探讨[J].高等建筑教育,2014,23(06):147-149.

作者:宫全美 单位:同济大学

轨道交通结构设计与课程教学模式责任编辑:张雨    阅读:人次