基于BIM技术的岩石力学实验教学课程改革研究

总结，同时论证了高等院校开设BIM实践教学的可行性，并提出了相应的建议[7]。但是大部分土木工程专业本科生不了解BIM的应用，因此，在本科实验教学中融入BIM技术应用，培养BIM技术人才，在目前的大环境中一定可提高学校的核心竞争力，吸引大量的招聘者，为学生就业提供一个良好的机会，也可提高学校的知名度。

三、BIM技术应用教学的初探

（一）工程结构破坏数值实验课程

目前，BIM技术的发展与应用已经在工程结构破坏数值实验课程中进行试点讲解，引起了学生的高度重视，该课程主要通过课上讲述、PPT演示、三维软件建模与虚拟现实模拟、学生自主建模演示等完成。由于课程时间有限，不能系统地对BIM技术多方面讲述，但是可初步培养学生对BIM的认识，讲解和使用今后在设计单位或施工单位应用最多的软件，如Revit和Navisworks。该门课程也受到了学生的欢迎，以后会更进一步调整课改方案，为学生提供学习便利。

通过BIM技术建立岩石工程空间模型，如地下洞室、边坡工程、隧道工程、核废料处置库等大型岩体三维数值仿真，再现岩体内部空间结构，特别是工程开挖、支护等施工过程中岩体内部结构的空间形态，在此基础上进行应力分析，提高教学演示度，进一步帮助学生理解消化所学知识点。图1为边坡工程和隧道工程空间结构。

（二） 岩土力学实验室

东北大学采矿与土木工程虚拟仿真实验教学中心为土木工程岩土力学实验教学中心的重要组成部分，是为解决采矿工艺优化设计、岩土力学实验、采矿围岩失稳数值仿真模拟等大型复杂实验装备

昂贵、维护费用高以及采矿现场安全性差等问题而成立的综合性虚拟仿真实验教学中心。

BIM虚拟与现实技术已在东北大学的岩石力学实验教学中进行了教学尝试，并取得了较为明显的教学效果，通过该虚拟与现实系统可进行岩土数值实验分析和教学，岩土力学数值实验教学丰富了力学实验教学的内涵和手段，并形成了常规力学实验与数值实验相融合的创新型实验教学模式[8]。教学过程中摆脱了教师单一讲解的模式，课堂主要时间用于学生建模、计算模拟、实际感知，全面激发学生的思维和创新，可以更有效地理解和接受实验内容，提高自身技术水平和能力[9]。实验室虚拟仿真演示系统如图2。

在岩石力学实验教学和学生创新实验培训过程中，该虚拟数值仿真平台可以进行包括岩体内部结构、岩体结构面、二次结构面等工程扰动过程的基本实验过程模拟，以及演示各种巷道、隧道、边坡等复杂岩石结构的应力分析和破坏过程模拟，实现了岩石破坏复杂现象的计算机再现，弥补了物理试验很难直观演示各种岩体变形、破坏等复杂现象的不足。虚拟仿真实验具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点。通过虚拟仿真实验，学生不仅可以观察岩石破坏的过程，而且由于数值试验可获得试样在破坏过程中的应力场及其演化过程的全部信息，使本科生在深刻理解岩石力学理论的基础上，对岩石力学工程问题有了高层次的认识。一般情况，在教学过程中，可以参考下列步骤操作。

（1）利用测量仪器和设备，采集现场地表和有限的岩体结构面信息，重建岩体结构模型，实现对岩体三维结构及其他高度结构化岩石块体的识别、空间模型表征等。

（2）教学内容一：在上述岩体几何模型基础上，考虑开挖诱发的次生结构对岩体宏观力学性质及变形影响。岩体的内部结构特征在很大程度上影响着其宏观力学破坏行为。运用BIM技术和数值分析技术，及相应的物理力学试验手段，演示结构面产状、次生结构面的生成与贯通等因素对岩体工程的宏观力学特性，尤其是破坏过程的影响，实现工程岩体的真实表征。

（3）教学内容二：基于岩体细观结构模型的细观力学特征演示。岩体具有高度的结构性和非均质性特征，在上述岩体扫描数字图像的结构化几何概念模型（二维、三维）重建基础上，实现相应的力学及多场耦合分析演示，直观讲解岩体复杂的物理、力学性能（如非饱和特征、各向异性等）。

（4）教学内容三：实现岩体结构力学的多尺度耦合演示。在准定量研究或分析基础之上，实现岩体微观、细观（中观）、宏观不同尺度力学数值模型计算的耦合，再现细观结构上岩体的损伤演化、裂纹的扩展及应力的重分配等特征，结合工程实际展示工程岩体多尺度特性，及其扰动过程。

四、BIM应用于课程改革分析

众所周知，BIM技术是一个全新的技术手段，高校应跟上时代的步伐，在土木工程本科阶段初步培养对BIM技术的应用，在实验课程或专门的课程中融入BIM技术的学习，在研究生阶段针对不同研究方向施以不同的培养方式，通过实验室的优良条件，进行学术科研活动等。虚拟仿真实验具有生动性好、实验效果直观、安全性好等优点，有利于学生理解和掌握复杂工程设计原理与工艺、力学计算与实验，有利于激发学生的学习积极性和创新思维，有利于学生的创新实践活动。

东北大学岩土力学实验教学示范中心，近年来在资源建设与队伍建设方面开展了多种途径的实践。在实验资源配置方面进行了优化[10]。目前土木工程专业的课程设计和实验课程，都还没有融入BIM技术，如果改变当前教学模式，提出应用BIM技术的课程实验或者设计，感兴趣的学生可另外进行BIM设计和应用，考核成绩加分，鼓励学生积极应用到实践。同时之前开设BIM技术应用的选修课，由专业教师进行授课，这样可以提高学生的BIM技术应用能力。在多门专业课程实验和设计中可应用BIM，如房屋建筑学、高层建筑结构、土木工程施工、工程结构破坏数值实验、岩石力学实验等，培养学生的自主思维和应用能力，充分发挥学生学习的主观能动性，可通过集体授课方式讲解BIM技术的功能和实现方法及软件的操作等，学成后可参加全国BIM技术等级一级建模师考试，增加自身求职能力。集体BIM中心培训机房如下图4。

学院定期举办BIM技术技能大赛，优秀者颁发获奖证书并计入德育成绩分，通过技术竞赛的准备和竞争提高学生BIM技能，同时选拔优秀学生参加全国BIM技术技能应用大赛，开阔应用视野

。培养学生动手建模、分析和解决问题的兴趣和能力，调动他们学习的主动性、积极性和创造性，激发他们的创新思维和创新意识，掌握思考问题和解决问题的方法，提高创新能力和实践应用能力。

五、结语

土木工程专业是高校的重点专业，担任着国家工程建设的重任。建立虚拟仿真教学实验室开展实践教学，对学生深刻理解工程设计原理，掌握理论知识，提高学习兴趣和创新能力，提高实验教学效果具有重要的意义。此次针对课程改革提出一种新的实验教学模式，通过BIM技术与传统的教学模式相结合，不仅提高了学生学习的积极性和热情，

而且促使学生掌握BIM技术，进一步为中国建筑产业信息化培养优秀人才。参考文献：

[1] 周前祥，姜世忠，姜国华.虚拟现实技术的研究现状与进展[J].计算机仿真，2003，20（7）：1-4.

[2]杨璐，张文学. 土木工程施工课程教学改革思考与探索[J].高等建筑教育，2015，24（1）：79-82.

[3]高延伟. 中国土建类高等教育发展现状与展望[J].高等建筑教育，2014，23（2）：1-3.

[4]钟炜，张馨文，姜腾腾. BIM仿真在工程项目管理课程教学改革中的应用研究[J].土木建筑工程信息技术，2013，5（6）：7-11.

[5]谭洁，刘威，汪梦林. 基于BIM技术的建筑数字技术教学改革研究[J].孝感师专学报，2013，33（6）：103-105.

[6]刘红勇，何维涛，黄秋爽. 普通高等院校BIM实践教学路径探索[J].土木建筑工程信息技术，2013，5（5）：98-101.

[7]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（6）：147-149.

[8]杨天鸿，张春明，顾晓薇，等. 岩土力学并行数值计算实验教学环境优化研究[J].现代计算机，2015（11）：26-31.

[9]李连崇，梁正召，夏英杰，等. 虚拟现实与数值模拟相结合的教学平台建设[J].高等建筑教育，2014，23（6）：138-141.

[10]王述红，吴迪，宋建等. 岩土力学实验教学优质资源建设与共享研究[J].实验室研究与探索，2011，30（8）：135-138.

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