BIM与VR技术作为建筑信息化发展的方向，将大数据、互联网、云计算等融入建筑的设计、施工及运维中，对土木工程专业本科培养提出了严峻的挑战。学生不仅要掌握传统计算机程序设计和工程管理技术，还要掌握三维可视化的BIM技术和虚拟现实技术。在土木工程施工课教学中引入BIM与VR技术，不但可以提高学习效果，增加学生的学习兴趣，更为重要的是通过VR技术的交互体验增加学生在施工管理中的实践能力和存在感。目前，将BIM技术与土木工程专业课程相结合，国内许多学者进行了探索与实践^[1-2]。但是，尚未见将BIM与VR技术融入土木工程施工课程教学的研究。文章针对土木工程施工课程教学存在的问题，探索和实践了BIM与VR技术在土木工程施工中的教学模式。

BIM的全称为“建筑信息模型”，是Building Information Modeling的缩写。BIM的核心思想是以一定的参数化方式，通过数据描述建筑并记录相应的信息。在BIM中模型是载体，信息是灵魂，参数化是手段。BIM的三维可视化极大地方便了设计、施工及运维管理，拉进了设计与使用之间的距离，真正做到了“所见即所得”。BIM技术使施工和运维做到了实时再现，材料的采购、人员调度、机械使用等信息与施工场景密切相关，信息不再孤立。BIM与大数据和物联网的结合为互联网上的招投标、材料运输及成本控制提供了精细化的数据支持。BIM技术的数字化为运营管理中移动虚拟办公提供了模型资源，促进了工程管理中的电子化和信息化。BIM是数字技术在建筑工程全寿命周期管理中的直接应用，以解决建筑工程在立项、设计、施工、运营及维护中模型与信息共享问题^[3-4]。作为建筑行业一场技术革命，BIM技术在中国得到了广泛的推广^[5]。

建设部为适应BIM技术的发展，先后出台了《2011—2015年建筑业信息化发展纲要》和《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》，明确了BIM技术作为建筑业发展的目标与方向。各省市先后制定了本地区的BIM发展纲要，成立国家和区域性的BIM发展联盟。工信部与图象图形学学会等推出了BIM全国职业等级考试，以促进BIM人才的培养。中国的许多高校和建筑企业也相继成立了BIM研究所和BIM研究中心。然而，在推广BIM技术的过程中一个亟待解决的问题就是BIM人才培养滞后^[6]。高等学校加强BIM技术方面人才的培养已成为必然。

VR全称“虚拟现实”，是Virtual Reality缩写。VR就是指用计算机图形技术模拟生成现实世界中的场景，再通过一定设备将人“投入”到场景中，增强沉浸式和交互式感觉，通过VR技术的沉浸式和交互式，让用户有种身临其境的感觉^[7-8]。目前，VR在建筑工程的方案设计、项目展示、安全培训、虚拟施工及虚拟家装等方面得到了广泛应用。

BIM技术强调模型的建立、可视化和信息的附加，而VR技术强调虚拟交互与虚拟体验，BIM技术为VR技术提供了必要的场景资源及数据信息，VR技术为BIM推广应用提供了可视化的交互应用平台。

土木工程施工课程是本科阶段非常重要的一门实践应用专业课，具有很强的理论性和实践性，涉及知识繁杂。在教学中通常采用视频及动画方式来激发学生的认知能力，再通过课程设计及施工实习加强理论课的学习，其效果往往不尽如人意。这种相互脱节的理论学习、课程设计和施工实习的三阶段教学模式存在以下一些问题。

(1) 学生的理论学习过于单调，学生很难与实践相结合，完全是一种被动的学习，积极性不强，因此，理论知识掌握较差。

(2) 目前，一些高校普遍存在施工实习困难的问题，缺乏施工实习环节。一方面，实习单位不愿意接收学生实习，担心学生的进入会影响现场正常工作，甚至会带来安全隐患，另一方面，学校经费有限，无法支持学生较长时间的实习费用。因此，通常是教师带领学生，到几个工地参观一下，请工地技术负责人现场讲解，施工实习就算结束。学生在施工现场时间短，无法系统地了解施工工艺流程及工程管理方法。

(3) 在施工课程设计中，学生由于缺乏实践认识，只是机械地模仿，实践能力差，甚至简单的施工场地布置都做不好，工程量计算、施工机械设备的选择、施工进度的安排等知识不足。

(4) 一些学校，按照一定比例建造了大型施工实训室，教师在实训室内教学，一定程度上补充了施工实习的不足。但由于实物模型是静态的，且缺乏具有实际经验的教师讲解，学生难于将模型和生产过程结合在一起，动手和实践能力也得不到提高。

BIM技术具有可视化的特点，而VR技术具有沉浸效果，且交互能力强。BIM技术除应用于建筑模型外，还可广泛应用于施工现场管理。以往的施工现场在图纸上只由简单几何形状和文字构成，而在BIM软件中，施工现场的各个细节全部展现出来，包括生活区的宿舍、卫生间、食堂等临时楼房的尺寸、施工作业棚的尺寸和现场施工宣传语的位置和内容等。通过BIM模型库的建立，可将施工中涉及的施工机械、施工暂设房、模板脚手架等常用模型均包括在内。将建好的施工BIM模型转入VR系统，通过VR交互式操作，可以完成施工现场的沉浸体验、施工进度模拟、关键工艺虚拟模拟、施工现场漫游等。漫游包括施工现场的漫游和主体工程内部漫游，这些功能也在一定程度上帮助学生检查施工现场布置的合理性，实时掌握施工工序安排、材料调配、机械设备及人员的使用情况。因此，把BIM与VR技术引入土木工程施工课程教学中，解决传统分离式教学带来的不足。

为促进BIM和VR技术在土木工程专业教学中的应用，学院BIM中心通过主流的BIM软件和VR软件的二次开发，自主研发了土建类专业BIM与VR仿真教学平台系统。系统的结构图如图 1所示。该仿真实训平台系统主要由BIM建模模块、VR制作模块及项目全寿命周期管理虚拟平台3部分组成。每个模块相对独立，其下都设有若干子模块。BIM建模模块主要完成CAD标准化图转成BIM模型，再将做好的BIM模型以FBX格式导入VR软件，进入VR制作模块，完成各相应子模块的虚拟场景搭建，最后将虚拟场景发布到项目全寿命周期管理虚拟平台上，可通过网页、移动设备或台式机对项目进行虚拟交互管理。

图 1(Figure 1)

图 1 BIM与VR仿真教学系统

结合BIM与VR技术及土木工程施工课程教学中存在的问题，提出将BIM与VR技术引入到施工课程教学中，具体做法如下：

1.构建教学资源BIM模型

施工课程以一个具体的虚拟工程案例为依托，需要有完整虚拟工程的BIM模型。施工课程中涉及基础工程、主体工程以及装饰装修工程，因此，BIM模型还应包括基础工程涉及的土方模型、边坡模型、各种基础模型及机械运输设备等，主体工程中涉及构件详细模型、模板及脚手架等，装饰装修工程涉及装饰构件详细模型、建筑设备及门窗等BIM模型。这些模型资源可通过CAD课和BIM课的学生作品得到，也可以通过网上查找。

2.施工教学关键虚拟场景设计

根据施工的具体特点，可分为施工场地布置场景、基础施工场景、主体工程模拟场景以及装饰装修工程场景，对每一教学场景结合理论知识讲解，制定出详细的实施方案及评分标准。

3.施工关键虚拟场景的认知学习

在教学中结合场景与实际工程情况，将学生分成若干组，组内成员又可分为项目负责人、技术负责人、工长等角色，学生根据自己的角色合作完成关键虚拟场景设计。在实施过程中根据教学进度，采用BIM与VR仿真教学系统，完成各阶段的认知学习。图4的土方施工场景和图5的主体工程模拟场景为学生施工课程中的部分成果。

图 2(Figure 2)

图 2 土方施工场景

图 3(Figure 3)

图 3 主体工程模拟场景

通过BIM与VR技术的应用，学生不再简单地被动学习，而是结合理论和实践教学，自主创建和搜集相应的BIM模型资源。特别是在VR场景设计阶段，团队成员角色明确、分工协作，较好地完成VR施工现场的场景。通过VR沉浸式体验，学生不但体验虚拟现实中的场景，而且能发现施工方案的优点与不足，这些在传统教学模式中是无法得到的。通过BIM与VR技术，学生将所学的知识即刻应用，做到了所学即所用，实践内力和创新内力得到了提高，同时对BIM与VR技术有了较深的理解。

实践证明，文章建立的基于BIM与VR技术的虚拟仿真平台能让学生了解并运用BIM与VR技术，同时激发学生学习兴趣，提高学生的实践与创新能力。在施工课程教学的理论和实践环节中应用BIM与VR技术是土木工程施工教学的新突破。通过BIM与VR技术的引进，既可以解决新技术与传统技术的结合问题，又可以节约教学资源，解决施工实习资源短缺的问题。