基于BIM的土木工程課程體系教學(xué)改革

黃海生，吳丹丹

(1．莆田學(xué)院　土木工程學(xué)院，福建　莆田　351100；2. 莆田學(xué)院　環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建　莆田　351100)

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基于BIM的土木工程課程體系教學(xué)改革

黃海生1，吳丹丹2

(1．莆田學(xué)院土木工程學(xué)院，福建莆田351100；2. 莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建莆田351100)

摘要：BIM技術(shù)給建筑工程的發(fā)展帶來(lái)了新的變革，但由于BIM技術(shù)人才的缺乏阻礙了它的創(chuàng)新。本文基于BIM在國(guó)內(nèi)外的教育現(xiàn)狀，探討了在土木工程專(zhuān)業(yè)的BIM教學(xué)過(guò)程中教學(xué)目標(biāo)的確定、課程體系的建立、跨學(xué)科協(xié)同課程的設(shè)置和師資隊(duì)伍的建設(shè)等問(wèn)題，以期為BIM在土木工程專(zhuān)業(yè)中的教學(xué)改革提供借鑒。

關(guān)鍵詞：土木工程；教學(xué)改革；BIM；課程體系

建筑業(yè)目前正處于一個(gè)重大的技術(shù)改革和轉(zhuǎn)型之中。隨著科技的發(fā)展，各種可持續(xù)高性能的建筑材料和建筑信息模型BIM(BuildingInformationModeling)正逐漸的應(yīng)用到建筑項(xiàng)目中，這使得建筑行業(yè)處于一個(gè)關(guān)鍵、重大的技術(shù)改革和轉(zhuǎn)型之中，其中BIM技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用正受到越來(lái)越多的關(guān)注。BIM概念最早是于1975年由“BIM之父”ChuckEastman首先提出[1]，后來(lái)得到不斷的完善。而目前比較完整的是美國(guó)國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)(NationalBuildingInformationModelingStandard,NBIMS)的定義：“BIM是設(shè)施物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；BIM是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程。在項(xiàng)目不同階段，不同利益相關(guān)方通過(guò)在BIM中插入、提取、更新和修改信息,以支持和反映各自職責(zé)的協(xié)同工作”[2]。

建筑信息模型BIM對(duì)建筑業(yè)和建筑工程師來(lái)說(shuō)是一次巨大的信息技術(shù)革命。斯坦福大學(xué)綜合設(shè)施工程中心研究了32個(gè)采用BIM技術(shù)的工程得出了如下的使用BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[3]：(1)節(jié)約了高達(dá)40%的預(yù)算成本；(2)成本估算的精度在3%之內(nèi)；(3)減少了高達(dá)80%由于時(shí)間產(chǎn)生的成本估算；(4)通過(guò)沖突檢測(cè)節(jié)省了10%的合同價(jià)值；(5)減少了7%的項(xiàng)目時(shí)間。

正由于BIM的這些優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的企業(yè)都已經(jīng)開(kāi)始使用建筑信息模型BIM技術(shù)。BIM技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)始于美國(guó)，由美國(guó)總務(wù)管理局在2003 年推出了國(guó)家3D-4D-BIM計(jì)劃，并陸續(xù)發(fā)布了系列BIM指南，之后在其它的國(guó)家如歐洲、日本、韓國(guó)等也得到了迅速的發(fā)展。中國(guó)的建筑行業(yè)對(duì)于BIM技術(shù)的應(yīng)用也始于2003年，十二五期間住建部將BIM技術(shù)列為重點(diǎn)推廣技術(shù)，國(guó)內(nèi)也有很多著明的工程引進(jìn)了BIM技術(shù)，如北京奧運(yùn)會(huì)水立方館、上海世博會(huì)德國(guó)國(guó)家館、中央音樂(lè)學(xué)院音樂(lè)廳等。雖然近幾年BIM技術(shù)也得到了不斷的推廣，但是目前使用者還是以小部分的設(shè)計(jì)單位為主，就BIM技術(shù)的使用的深度和廣度來(lái)說(shuō)，目前也還只是剛剛起步[4]。

一、BIM在國(guó)內(nèi)外高校的教學(xué)改革現(xiàn)狀

盡管BIM技術(shù)已在建筑行業(yè)得到廣泛的認(rèn)可，而且企業(yè)也意識(shí)到BIM技術(shù)能夠簡(jiǎn)化施工的過(guò)程，節(jié)約企業(yè)的時(shí)間和成本，但是由于BIM技能人才的缺乏限制了這些企業(yè)對(duì)BIM技術(shù)的使用，而缺乏足夠的培訓(xùn)是BIM技能人才缺乏的最主要原因。在新的技術(shù)變革和創(chuàng)新的傳播中高校發(fā)揮了其突出的作用，尤其是在建筑領(lǐng)域，高等教育的教師應(yīng)該是教育改革的關(guān)鍵因素，在變革的過(guò)程中通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行BIM技術(shù)的基礎(chǔ)性訓(xùn)練完成知識(shí)的傳播。

BIM技術(shù)改變著現(xiàn)代土木工程的構(gòu)建方式。這種新興的技術(shù)需要新的思維和技術(shù)技能，以實(shí)現(xiàn)它的效率性和成本控制性。土木工程的高等教育多年來(lái)作為建筑行業(yè)主要的人才培養(yǎng)基地，為建筑企業(yè)的人才輸送發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在高等教育中進(jìn)行BIM技能的教育不僅能夠降低建設(shè)企業(yè)BIM技能培訓(xùn)的成本負(fù)擔(dān)，也能夠更高效、更大范圍的為企業(yè)培養(yǎng)出擁有BIM技能的儲(chǔ)備人才。在土木工程的高等教育中，學(xué)生作為受教育的主體，必須掌握先進(jìn)技術(shù)的使用技能，他們才會(huì)成為這個(gè)行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者和先行者。學(xué)生只有掌握了BIM這一新興的技能，他們才會(huì)在未來(lái)的工作中更具有競(jìng)爭(zhēng)力,更加受到建筑企業(yè)的歡迎。

將BIM課程引入到高等教育中，歐美國(guó)家走到了我們的前面。20世紀(jì)90年代，美國(guó)的喬治亞理工學(xué)院就開(kāi)始研究BIM技術(shù)了，它們成立了BIM建筑學(xué)院，提供了相關(guān)的課程，專(zhuān)注于對(duì)特定的行業(yè)進(jìn)行BIM軟件開(kāi)發(fā)。而大部份的美國(guó)高校引進(jìn)BIM課程是在2003開(kāi)始的，截至2012年，將近103所高校開(kāi)設(shè)了BIM課程[5]。相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)的高校在BIM技術(shù)的教育還處在探索階段，只有少數(shù)的高校開(kāi)設(shè)了BIM的相關(guān)課程，如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)設(shè)BIM技術(shù)應(yīng)用課程，北京工業(yè)大學(xué)開(kāi)設(shè)了BIM創(chuàng)新實(shí)踐課和選修課，大連理工大學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開(kāi)設(shè)了BIM方向，大連民族學(xué)院開(kāi)設(shè)了BIM實(shí)驗(yàn)選修課程[6]。

二、土木工程專(zhuān)業(yè)BIM教學(xué)體系改革

1.BIM課程體系的教學(xué)目標(biāo)

課程教學(xué)體系目標(biāo)的確定是新課程建立最為重要的階段，因?yàn)樗w現(xiàn)了學(xué)生在完成該課程后需要了解、理解、掌握、運(yùn)用的知識(shí)。課程目標(biāo)的確立需考慮許多的因素，比如：建筑業(yè)中BIM技術(shù)的使用給企業(yè)帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)；BIM在建筑企業(yè)中的應(yīng)用情況；在建筑業(yè)中BIM教育的情況；建筑企業(yè)的BIM技術(shù)人才要求。綜合考慮上述因素，結(jié)合高校專(zhuān)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃特點(diǎn)，形成各自專(zhuān)業(yè)特色的課程體系目標(biāo)。如美國(guó)的德克薩斯A&M大學(xué)，建立了BIM專(zhuān)題課程，其教學(xué)目標(biāo)涵蓋了BIM從設(shè)計(jì)到設(shè)備管理的建筑生命全周期內(nèi)的應(yīng)用、原理和方法，主題包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、設(shè)計(jì)性能仿真和可視化等。美國(guó)的華盛頓大學(xué)，開(kāi)設(shè)了項(xiàng)目管理理念課程，其教學(xué)目標(biāo)包括可視化、三維碰撞檢測(cè)、制造自動(dòng)化、數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)布置、4D模型、竣工模型生成和利用BIM進(jìn)行數(shù)字化信息管理，探討如何利用可視化和信息技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目的策劃與執(zhí)行[7]。

2.BIM課程教學(xué)體系的建立

由于BIM具有很好的交互性和更高的繪圖效率、各專(zhuān)業(yè)的相互協(xié)作性，所以BIM技術(shù)的學(xué)習(xí)必須通過(guò)一整個(gè)課程體系，國(guó)外常見(jiàn)的課程設(shè)置方法有新開(kāi)設(shè)BIM課程和在現(xiàn)有的專(zhuān)業(yè)課程中植入BIM兩種。BIM課程體系應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)、不同的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。BIM的應(yīng)用能力包括BIM軟件的操作能力和工程技術(shù)能力，國(guó)內(nèi)土木工程本科專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案一般在低年級(jí)主要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程，進(jìn)入三、四年級(jí)才進(jìn)入主要的專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)。故在BIM課程體系的設(shè)置上，在低年級(jí)應(yīng)主要學(xué)習(xí)BIM的初級(jí)知識(shí)，包括BIM的發(fā)展歷史和趨勢(shì)、BIM的定義和概念、常用的基礎(chǔ)的BIM軟件(包括Navisworks,Revit,Bentleyt和GoogleSketchUp)的建模、一些建筑構(gòu)件的參數(shù)化建模等等。而在進(jìn)入高年級(jí)時(shí)，應(yīng)注重將BIM和專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系整合起來(lái)，把BIM植入到不同的專(zhuān)業(yè)課程里，使學(xué)生更加全面深刻的掌握BIM知識(shí)。

BIM的可視化信息技術(shù)包括3D、4D和5D三種。3D主要是通過(guò)三維空間的方式表述建筑構(gòu)件模型，包括建筑的整體效果、構(gòu)件的大小形狀、以及構(gòu)件的材料組成等，通過(guò)3D技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)建筑三維的可視化、構(gòu)件材料信息的數(shù)字化、三維的碰撞檢測(cè)。并且通過(guò)BIM的3D技術(shù)，可以直接生成用戶(hù)所需要的建筑的效果圖、立面圖、斷面圖等傳統(tǒng)2D表示的圖紙，最為效率的是當(dāng)3D模型修改時(shí)，這些圖紙能夠自動(dòng)更新。學(xué)生利用3D的模塊能夠?qū)ㄖ?gòu)件的形狀和特點(diǎn)更加直觀的認(rèn)識(shí)，特別是一些建筑的細(xì)節(jié)，比如梁、柱的配筋構(gòu)造特點(diǎn)等。而4D技術(shù)是在3D技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間的維度，能夠模擬建筑工程的施工過(guò)程，從而對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬和控制。通過(guò)4D模擬施工過(guò)程，學(xué)生對(duì)建筑施工的流程更有深刻的認(rèn)識(shí)。而5D是在4D的基礎(chǔ)上加上成本的維度，通過(guò)5D的技術(shù)，不僅能夠進(jìn)行建筑工程的預(yù)算，且能夠?qū)こ踢M(jìn)行動(dòng)態(tài)的成本管理，從而實(shí)現(xiàn)虛擬施工模型[8]。

通過(guò)以上分析，本文建立了土木工程專(zhuān)業(yè)的BIM課程體系如表 1。在這些課程中除了傳統(tǒng)的由教師課堂講授的方法，還應(yīng)采用實(shí)踐教學(xué)、行業(yè)專(zhuān)家講授的方式。實(shí)踐教學(xué)的方式可通過(guò)課程設(shè)計(jì)或上機(jī)實(shí)踐方式相結(jié)合，能使學(xué)生更加熟練的掌握BIM的知識(shí)，包括建筑模型的建立、工程施工模擬、日照節(jié)能分析、三維碰撞檢測(cè)、數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)建模、工程量計(jì)算和施工性審查等。而行業(yè)專(zhuān)家講授方式是通過(guò)聘請(qǐng)行業(yè)內(nèi)擁有豐富的BIM技術(shù)使用的多年經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合其在實(shí)際工程中遇到的典型案例和相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，彌補(bǔ)學(xué)生在校內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)的不足，使學(xué)生更高效的掌握BIM技能。

表1　土木工程專(zhuān)業(yè)的BIM課程體系

3.跨學(xué)科協(xié)同課程的設(shè)置

建筑工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程涉及到許多不同的主體，這些不同的主體包括業(yè)主、建筑設(shè)計(jì)師、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師、項(xiàng)目經(jīng)理、水電工程設(shè)計(jì)師、設(shè)備工程師、現(xiàn)場(chǎng)管理人員、監(jiān)理工程師、施工方、機(jī)械工程師等。在實(shí)際工程中，各主體之間的配合非常復(fù)雜，且效率低下。學(xué)生很難去弄懂實(shí)際工程中項(xiàng)目真正的構(gòu)建過(guò)程。

BIM擁有一項(xiàng)強(qiáng)大模塊就是協(xié)同工作，通過(guò)協(xié)同工作能使不同專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)師能夠?qū)崿F(xiàn)直觀的三維顯示溝通，動(dòng)態(tài)更新修改后的模型。通過(guò)建立BIM跨學(xué)科協(xié)同課程使學(xué)生能夠?qū)ㄖ?gòu)造的實(shí)際的工作流程更加直觀的了解，使學(xué)生在專(zhuān)業(yè)知識(shí)上的學(xué)習(xí)更加有效率。跨學(xué)科課程相對(duì)于單一的課程來(lái)說(shuō)更加的復(fù)雜，因?yàn)樗枰巡煌瑢W(xué)科的專(zhuān)業(yè)知識(shí)都整合在一起，而不同學(xué)科的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)、教學(xué)目標(biāo)、課程安排都不一樣，這就需要成立相關(guān)部門(mén)對(duì)不同學(xué)科的課程設(shè)置進(jìn)行統(tǒng)籌的考慮與安排。

4.BIM師資隊(duì)伍的建設(shè)

BIM教學(xué)體系建立的重點(diǎn)在于與體系內(nèi)相關(guān)課程的植入，這就要求相關(guān)課程的教師都能夠掌握相應(yīng)的BIM知識(shí)和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，而B(niǎo)IM技術(shù)在國(guó)內(nèi)剛處在推廣階段，大部分的老師對(duì)其都不太熟悉，所以BIM課程體系建立的第一重點(diǎn)便是BIM師資隊(duì)伍的建設(shè)。應(yīng)成立BIM技術(shù)教學(xué)研究中心對(duì)相關(guān)教師進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，同時(shí)也可通過(guò)訪(fǎng)學(xué)、進(jìn)修、攻讀學(xué)位和接受社會(huì)培訓(xùn)的方式使得相關(guān)教師的BIM技能得到不斷提升。

三、結(jié)語(yǔ)

本文研究的目的是為在土木工程專(zhuān)業(yè)中開(kāi)發(fā)一個(gè)基于BIM技術(shù)教學(xué)的新課程體系提供向?qū)В康氖窃诒究频慕虒W(xué)過(guò)程中，更有效率的傳授BIM的知識(shí)和技能，培養(yǎng)更多的BIM技術(shù)人才，以適應(yīng)建筑企業(yè)對(duì)BIM人才的需求。而限制BIM在高等院校人才培養(yǎng)的一個(gè)重要的障礙就是它需要相當(dāng)?shù)墓こ探?jīng)驗(yàn)，而這在短短的四年的本科教育中是不可實(shí)現(xiàn)的，所以BIM技術(shù)人才的培養(yǎng)不能停止在本科教育，它也需要社會(huì)企業(yè)加大相應(yīng)BIM技能培訓(xùn)，為BIM技術(shù)人才的培養(yǎng)提供支持。

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文章編號(hào)：2095-4654(2016)04-0074-04

收稿日期：2016-02-23

基金項(xiàng)目：福建省教育廳社科A類(lèi)項(xiàng)目(JAS14759) ；莆田學(xué)院教改項(xiàng)目(JG201432)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A