BIM技術(shù)在水工程施工教學(xué)中的應(yīng)用探索

苗群+王佳媛+鄧?yán)蛉?/p>

摘要：BIM 技術(shù)作為一項新興技術(shù)，在土建行業(yè)逐漸得到廣泛應(yīng)用，并給該行業(yè)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型注入了蓬勃的動力。對于向社會推廣高素質(zhì)人才的高校而言，緊跟時代步伐，在土建類學(xué)科的教學(xué)中引入BIM技術(shù)，并對傳統(tǒng)教學(xué)培養(yǎng)方案進(jìn)行改革勢在必行。文章借鑒國內(nèi)外高校的BIM教學(xué)經(jīng)驗，分析水工程施工課程傳統(tǒng)教學(xué)的局限，結(jié)合BIM技術(shù)的特點提出適合該課程的教學(xué)方案。

關(guān)鍵詞：BIM；水工程施工；教學(xué)

中圖分類號：G6420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）04-0115-04

一、研究背景

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）是二維設(shè)計技術(shù)向三維數(shù)字化設(shè)計建造方式轉(zhuǎn)化的一種具有革命性的技術(shù)。

以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，BIM可將繁雜的工程數(shù)據(jù)信息通過可視化方式表達(dá)，在促進(jìn)建筑行業(yè)管理信息化與建筑業(yè)轉(zhuǎn)型上起至關(guān)重要的作用。

隨著近幾年信息化的推廣，BIM應(yīng)用已不再局限于造型復(fù)雜的大規(guī)模建筑工程，逐漸與橋梁、軌道交通等工程領(lǐng)域深度融合，新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革蓄勢待發(fā)。住建部“十二五”規(guī)劃已明確提出要推進(jìn)BIM技術(shù)應(yīng)用，普及可視化、參數(shù)化、三維模型設(shè)計，以提高設(shè)計水平，降低工程投資。目前BIM在國內(nèi)已從最初的試水階段進(jìn)入快速發(fā)展階段，涉及交通、水電暖等其他土建工程領(lǐng)域，而在這些領(lǐng)域卻鮮有熟練掌握并運用BIM的技術(shù)人才，導(dǎo)致土建行業(yè)發(fā)展停滯不前。市場需求促進(jìn)人才需求，學(xué)生是BIM技術(shù)的后備軍，是BIM發(fā)展的希望?；谀壳癇IM在土建行業(yè)的發(fā)展趨勢，將BIM納入現(xiàn)有教育知識體系，為本科生提供相關(guān)專業(yè)的BIM技能架構(gòu)和知識體系，為社會輸送BIM方面的行業(yè)技術(shù)人才勢在必行。

二、在水工程施工教學(xué)中引入BIM的意義

水工程施工作為給排水科學(xué)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在市政管道施工教學(xué)方面發(fā)揮著不可或缺的作用。市政管道是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組

成部分，在管網(wǎng)工程中，管道施工是關(guān)鍵的一環(huán)，其施工質(zhì)量直接影響整個市政管網(wǎng)的建設(shè)[1]。該課程所介紹的施工方法，與目前國家重點建設(shè)項目，如綜合管廊、海綿城市等息息相關(guān)。對于該專業(yè)的學(xué)生來說，水工程施工的專業(yè)知識是今后解決專業(yè)施工問題的依據(jù)，是走向工作崗位后運用最多的專業(yè)知識。充分利用BIM可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等特點[2]，緊跟行業(yè)發(fā)展步伐將水工程施工課程與BIM這項新興技術(shù)結(jié)合，以促進(jìn)就業(yè)為導(dǎo)向?qū)鹘y(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行調(diào)整革新，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的高質(zhì)量人才，對于高校來說是極具創(chuàng)新性和前瞻性的探究與嘗試。

三、現(xiàn)狀分析

（一）BIM融入本科教學(xué)現(xiàn)狀分析

調(diào)查顯示，發(fā)達(dá)國家正在努力將BIM技術(shù)融入教學(xué)。例如，加州州立大學(xué)主要通過3D的BIM模型讓學(xué)生更直觀地了解建筑細(xì)節(jié)。賓州州立大學(xué)則充分利用BIM在各方協(xié)同工作交流上的高效性優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生在BIM環(huán)境下的協(xié)同工作能力，讓學(xué)生以團(tuán)隊的形式合作完成項目。佐治亞大學(xué)通過設(shè)置BIM課程拓寬學(xué)生的行業(yè)視野，并提供BIM的網(wǎng)絡(luò)視頻課程。

在中國，各大高校也相繼開展BIM方面的教學(xué)改革。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)首次開設(shè)BIM技術(shù)應(yīng)用短課程，對BIM技術(shù)以及BIM技術(shù)在建筑設(shè)計和施工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行講解。北京工業(yè)大學(xué)開設(shè)BIM創(chuàng)新實踐課和選修課，還有部分高校則直接將計算機(jī)課程教學(xué)與BIM軟件教學(xué)結(jié)合，讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)軟件進(jìn)行建模，也有不少學(xué)校和企業(yè)合作，共同開展BIM人才培養(yǎng)。例如，深圳大學(xué)土木工程學(xué)院與清華斯維爾公司開展長期合作，建立BIM實踐教學(xué)與實習(xí)基地，清華大學(xué)攜手廣聯(lián)達(dá)股份有限公司共同構(gòu)建國家BIM創(chuàng)新平臺“BIM聯(lián)合研究中心”。通過校企合作，開展 BIM 理論和技術(shù)的深層研究，優(yōu)勢互補(bǔ)，以提升科研水平，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。

目前，中國絕大多數(shù)工程類院校雖對BIM進(jìn)課堂有濃厚興趣，但受現(xiàn)有培養(yǎng)計劃限制，這些院校或是提供較為常規(guī)的軟件教學(xué)，或是單獨開設(shè)BIM理論課，很少將BIM理念滲入現(xiàn)有專業(yè)課程。把BIM軟件教學(xué)和普通專業(yè)課教學(xué)分為兩個部分，雖然也能讓學(xué)生理解并掌握BIM技術(shù)，但是在專業(yè)方面融合度不夠，無法徹底將BIM融入現(xiàn)有知識體系，教學(xué)質(zhì)量也大打折扣。

在教學(xué)模式方面，校企合作模式是一個值得借鑒的方式，單純建立簡單模型，無法讓學(xué)生感受到實際工程的復(fù)雜性和BIM在處理大批量數(shù)據(jù)中的優(yōu)勢。通過校企合作，讓企業(yè)為學(xué)校提供實際工程模板，如此BIM中所展示的實際沖突便可得到驗證，學(xué)生不僅能更清楚BIM優(yōu)勢，在校期間還能初步積累工程經(jīng)驗。此外，BIM并不僅僅單純通過軟件學(xué)習(xí)繪圖建模，繪圖建模雖是BIM教學(xué)的一部分，但更重要的是培養(yǎng)學(xué)生利用BIM進(jìn)行溝通協(xié)作的能力，在這一點上，賓夕法尼亞州州立大學(xué)的教學(xué)模式值得借鑒。

（二）水工程施工現(xiàn)階段教學(xué)情況分析

在目前水工程施工的教學(xué)中，主要依靠教師講授理論知識，采用多媒體輔助教學(xué)，以現(xiàn)場照片和現(xiàn)場施工作業(yè)錄像的形式，向?qū)W生展示水工程施工過程。作業(yè)以課后習(xí)題的形式布置，實踐方面則由教師帶領(lǐng)學(xué)生統(tǒng)一到現(xiàn)場參觀。通過以上傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生很難將復(fù)雜的施工過程認(rèn)識清楚，雖引入圖片、視頻、ppt等現(xiàn)代化多媒體教學(xué)手段演示施工過程，但多媒體教學(xué)在細(xì)節(jié)展示方面的教學(xué)效果還有一定局限性。盡管安排了現(xiàn)場參觀實習(xí)，但參觀時間有限，學(xué)生人數(shù)太多，加上目前大學(xué)生對現(xiàn)場參觀實習(xí)不夠重視，走馬觀花，很多學(xué)生參觀結(jié)束后沒有印象。此外，參觀施工現(xiàn)場受時間地點和成本的制約，很難同步滿足教學(xué)需要。這個時候若能利用BIM模擬仿真，將施工現(xiàn)場帶進(jìn)課堂，利用3D模型，把施工過程、細(xì)節(jié)展示給學(xué)生，讓學(xué)生通過BIM虛擬技術(shù)了解施工過程從整體到細(xì)節(jié)的方方面面，課后習(xí)題不再以書面作業(yè)為主，而是利用BIM布置團(tuán)隊大作業(yè)，讓學(xué)生協(xié)同完成，既能安全有效地達(dá)到教學(xué)目的，又能將BIM技術(shù)與專業(yè)課知識深度融合。endprint

四、BIM在水工程施工教學(xué)中的應(yīng)用

在教學(xué)環(huán)節(jié)中引入BIM，需要準(zhǔn)確分析給排水專業(yè)本科生定位，教學(xué)中應(yīng)盡可能多地應(yīng)用真實案例，實現(xiàn)項目仿真、施工仿真、4D施工進(jìn)度模擬，科學(xué)合理地設(shè)計基于BIM技術(shù)的“水工程施工”教學(xué)方案，利用BIM三維模型庫、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻等，培養(yǎng)學(xué)生空間想象力和自主創(chuàng)新能力，以達(dá)到教學(xué)目的[3]。

（一）充分發(fā)揮BIM技術(shù)可視化特點

可視化是BIM 的一個固有特性，BIM 的工作過程就是三維幾何信息、構(gòu)件屬性信息和規(guī)則信息的形成過程，將以往線條式構(gòu)件形成一種三維的立體實物圖形展示在學(xué)生面前，所見即所得[4]。例如，在人工降低地下水位章節(jié)中，利用BIM可視化，通過拆分切剖3D模型，向?qū)W生展示各種井點的復(fù)雜構(gòu)造及組成。相比受視野范圍影響的視頻和抽象的二維示意圖，BIM模型具有多角度、可拆分等優(yōu)勢，通過BIM模型

能觀察到一般視角看不到的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，教學(xué)效果將大大提升。通過校企合作模式，獲得真實項目的BIM模型，讓學(xué)生在3D立體模型的學(xué)習(xí)環(huán)境下，更直觀了解復(fù)雜施工過程。

（二）充分利用BIM的可模擬性優(yōu)勢

BIM可仿真模擬施工的多個階段，通過添加時間軸，進(jìn)行4D施工進(jìn)度模擬。行業(yè)應(yīng)用實踐證明，4D施工模擬可提前發(fā)現(xiàn)施工中的問題，提高施工效率，降低返工風(fēng)險，為社會帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。教學(xué)中，則可利用4D模擬動畫展示施工過程。例如，在基坑挖運施工過程中，建立土方模型和車輛模型后，通過Navisworks數(shù)據(jù)源選項將其導(dǎo)入Timeliner，安排時間分配，生成基坑挖運施工動畫，直觀地向?qū)W生展示施工過程的各項工序，使其掌握施工的實施形式和運作方式，讓課本上抽象的文字?jǐn)⑹鲎兂删唧w的動作過程，解決施工工藝、技術(shù)流程在課堂上難以講清的問題，同時也省去組織外出實習(xí)的麻煩，杜絕了在工地實習(xí)可能遇到的安全隱患。

（三）充分利用BIM協(xié)同工作平臺進(jìn)行團(tuán)隊合作訓(xùn)練

BIM的協(xié)同工作是指各成員共享信息資源，在同一個數(shù)據(jù)庫中，抽插、提取、修改、更新信息，在水工程施工的課后作業(yè)上，可以充分利用BIM的這個特點布置大作業(yè)，讓學(xué)生通過cloud-BIM協(xié)同工作平臺，合作完成一個項目。例如，在室內(nèi)管道施工大作業(yè)中，讓不同學(xué)生負(fù)責(zé)不同種類的管道系統(tǒng)，即給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和雨水系統(tǒng)，通過向Navisworks中導(dǎo)入RVT格式模型文件，檢查這些管線間的碰撞，并讓學(xué)生在該平臺通過溝通進(jìn)行調(diào)整，再依據(jù)規(guī)范進(jìn)行驗證，最后導(dǎo)出DWG格式圖紙上交成果。其中模板方面可通過校企合作，由企業(yè)提供設(shè)計初期未進(jìn)行管線碰撞檢測的BIM模型。

（四）充分利用BIM的優(yōu)化性

BIM在設(shè)計、施工、運營的優(yōu)化方面，和傳統(tǒng)方法比，具有精確、易操作的優(yōu)勢。讓學(xué)生通過BIM的相關(guān)優(yōu)化軟件，整合施工項目的幾何信息、物理信息、規(guī)則信息等高度復(fù)雜信息，將施工方案與工期、造價結(jié)合，實時計算施工變化對投資回報的影響，得出施工最優(yōu)方案。

（五）充分利用BIM的可出圖性進(jìn)行作業(yè)批改

利用BIM的可出圖性，學(xué)生將自己的建模成果二維化，通過任意角度剖切三維模型，導(dǎo)出CAD平面圖紙，并和施工圖紙進(jìn)行校對，確保圖紙的準(zhǔn)確性[5]。教師則可通過學(xué)生提交的圖紙，批改作業(yè)，及時了解教學(xué)情況。

五、教學(xué)中可能出現(xiàn)的問題

（一）師資力量不夠

由于BIM是近幾年才發(fā)展的新技術(shù)，熟練操作BIM相關(guān)軟件的教師并不多，教師對BIM的了解多半也只停留在理論層面，高校教師對新技術(shù)的接受能力還有待提高。

（二）設(shè)備投入大

由于BIM在建模計算方面，對電腦硬件要求較高，如CPU需要酷睿i7系列及以上，內(nèi)存需要8G以上等[6]。而想要完成以上教學(xué)目標(biāo)，至少需要安裝3到4個相關(guān)軟件，學(xué)校機(jī)房的設(shè)備和普通筆記本電腦無法滿足教學(xué)需求，必須投入大量資金在新設(shè)備的購買和維護(hù)上。此外，功能完整的正版BIM相關(guān)軟件大多是收費的，動輒幾十萬上百萬的費用，對于學(xué)校而言是不小的負(fù)擔(dān)。

（三）配套的課程體系與標(biāo)準(zhǔn)不健全

目前，雖然BIM在行業(yè)中的應(yīng)用已進(jìn)入快速發(fā)展階段，在理論研究層面也取得了一定成果，但是如何把BIM融入本科教學(xué)，如何制定課程標(biāo)準(zhǔn)，如何構(gòu)建知識體系，還沒有明確的說法，相關(guān)研究成果并不多，需要進(jìn)一步嘗試、探究。

六、結(jié)語

BIM作為信息化技術(shù)產(chǎn)物，順應(yīng)信息化發(fā)展潮流，將推動建設(shè)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性轉(zhuǎn)變[7]。BIM正在給AEC行業(yè)帶來劃時代的技術(shù)變革，掌握BIM技能就是贏得未來。高等學(xué)校作為向社會輸出人才的重要基地，應(yīng)緊跟時代發(fā)展，順應(yīng)社會需求，把為社會提供專業(yè)技術(shù)人才擺在第一位。BIM 技術(shù)能以三維模型的形式展示施工信息、模擬施工過程，在水工程施工課程的教學(xué)中引入BIM，不僅可以幫助學(xué)生熟悉學(xué)習(xí)內(nèi)容、鞏固理論知識，還能提前接觸行業(yè)前沿知識、增強(qiáng)學(xué)生就業(yè)競爭力，因此，要努力克服BIM教學(xué)改革道路上的種種難題，幫助學(xué)生實現(xiàn)理論知識向操作技能轉(zhuǎn)化，為社會培養(yǎng)所需人才。

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Abstract：As an emerging technology， BIM technology has been widely used in the construction industry gradually， and gives the industrys development and transformation with vigorous momentum. The universities， which are expected to send high-quality talents to the society， have to keep up with the pace of time， introduce BIM technology into the teaching of civil engineering disciplines to reform the traditional teaching patterns. This paper takes the example of BIM teaching experiences in domestic and international universities， analyzes the limitations of water engineering construction course in traditional teaching， and combines the characteristics of BIM technology to put forward suitable teaching methods.

Keywords： BIM； water engineering construction； teaching

（編輯 周 沫）endprint