基于BIM的應用型土木工程畢業(yè)設計全過程改革

孫明

[摘 要]畢業(yè)設計是大學生在本科階段的最后一項學習任務，其在教學體系中起著理論聯(lián)系實際的樞紐作用。針對應用型高校土木工程專業(yè)畢業(yè)設計存在的問題，提出將大四開始的畢業(yè)設計主要內(nèi)容分解到大二和大三的相關專業(yè)課程與課程設計中，通過不同專業(yè)課程對BIM軟件的運用，以畢業(yè)設計為導向，讓教學內(nèi)容具有連貫性和繼承性，從而提升日常教學質(zhì)量和畢業(yè)設計水平。

[關鍵詞]畢業(yè)設計；BIM；應用型；土木工程

[中圖分類號] G451.2 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）09-0048-03

在國家教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》，提出“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”之后，各高校都對人才培養(yǎng)方案和專業(yè)教學體系進行了大刀闊斧的改革。畢業(yè)設計是高校本科人才培養(yǎng)計劃中的最后一個環(huán)節(jié)，也是重要的實踐教學環(huán)節(jié)。[1]對于工程應用性和工程實踐性很強的專業(yè)而言，畢業(yè)設計的質(zhì)量體現(xiàn)了學校的教學水平、教學質(zhì)量和人才培養(yǎng)的能力[2][3]，直接展示了各高?！白吭焦こ處熃逃囵B(yǎng)計劃”的培養(yǎng)成果，是專業(yè)建設中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

一、土木工程專業(yè)畢業(yè)設計現(xiàn)存問題

畢業(yè)設計作為高等學校培養(yǎng)本科生的最后一個關鍵階段，是高校理工科各專業(yè)實現(xiàn)其培養(yǎng)目標的重要實踐教學環(huán)節(jié)，對強化學生專業(yè)知識、科學研究的基本訓練、提高學生科研和工程實踐能力具有不可替代的作用。[4]應用型高校土木工程專業(yè)學生在本科畢業(yè)后大都會走向工程一線，畢業(yè)設計作為他們在大學的最后一項學習任務，是總結、提高自身理論素養(yǎng)，訓練工程素質(zhì)，理論聯(lián)系實際的樞紐。但是目前在應用型高校的土木工程畢業(yè)設計中還存在一些問題。

（一）設計題目與工程實踐脫節(jié)

土木工程本科畢業(yè)設計選題一般分為房屋建筑、道路橋梁、巖土工程三個方向，內(nèi)容以結構設計為主。而應用型高校學生本科畢業(yè)后多數(shù)都在施工、監(jiān)理、勘測、造價單位擔任施工管理、測繪勘察、造價計算等一線工作，工作內(nèi)容與畢業(yè)設計關聯(lián)性小，學生缺乏學習積極性。大多數(shù)學生的畢業(yè)設計選題相同或者類似，這無法發(fā)揮學生獨立思考的優(yōu)勢，不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。[5]

（二）學生基礎薄弱

由于應用型高校的學生在入校時基礎較差，其就業(yè)導向和心理預期的就業(yè)崗位都是施工和造價崗位，他們對日常課程中設計類專業(yè)課和理論性強的課程重視程度不夠。由于土木工程專業(yè)課程數(shù)量多、內(nèi)容雜，學生對所學知識點的掌握比較分散、模糊，學生僅憑在課堂上所學的知識很難對工程設計有整體把握。[6]這導致學生在畢業(yè)設計過程中抄襲和造假，很多學生從網(wǎng)上下載他人的畢業(yè)設計，或者在設計過程中編造數(shù)據(jù)，沒有用心進行結構設計和計算，這使得畢業(yè)設計失去鍛煉意義。

（三）畢業(yè)設計安排不合理

土木工程專業(yè)畢業(yè)設計安排在大學第四年，學生在大四第一個學期要學習專業(yè)課，剩余的時間需要找工作，很難安心做設計。在大四第二學期，找到工作的學生需要去單位實習，沒有找到工作的學生也要參加畢業(yè)實習。土木工程項目的特點就是持續(xù)時間長，不論房屋建筑還是道路橋梁項目，工期都是按年計算，用人單位接納學生實習的目的要么是培養(yǎng)學生以后為自己所用，要么是直接讓學生從事基礎工作，彌補低級技術人員的空缺，學生在企業(yè)的實習期往往不低于六個月。學生為了獲取就業(yè)優(yōu)勢，也愿意前往企業(yè)實習。但是由于應用型高校的學生很難進入設計單位，無法自主選題，畢業(yè)設計題目多為各指導教師模仿工程實際問題簡化而來，并非來源于已完工的實體工程。加之學生的認知還停留在理論層面，對系統(tǒng)的設計思路不熟悉，因此，這樣的畢業(yè)設計選題很難與工程實際緊密結合。[7]由于學生長期不在學校，教師無法進行有效指導，這導致很多學生都是畢業(yè)答辯前從單位請幾個星期的假回到學校趕做畢業(yè)設計，這樣的畢業(yè)設計質(zhì)量沒有保障。

二、基于BIM的畢業(yè)設計全過程改革

隨著BIM（建筑信息模型）技術在建筑業(yè)的興起，各高校土木工程專業(yè)課程體系圍繞BIM開展了新一輪課程體系改革，這為解決畢業(yè)設計現(xiàn)存問題，進行畢業(yè)設計改革提供了新的思路。

（一）BIM概述

BIM是以三維數(shù)字技術為基礎，集成建筑工程項目各種相關信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對工程項目相關信息的詳盡表達。[8]BIM技術直接建立三維立體模型，再根據(jù)立體模型生成平面圖，軟件使用者在交互界面的每一個操作都能同時影響二維圖形與三維模型。模型建立后再引入時間的概念，構成4D模型可以模擬施工進度與施工過程，實現(xiàn)對工程的綜合管理。[9]

BIM概念的推出引發(fā)了全球建筑業(yè)的技術革命，同時也引起了我國對建筑行業(yè)的重視。2015年6月住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)了推進建筑信息模型應用指導意見的通知（建質(zhì)函[2015]159號）[10]，要求到2020年末勘察設計、施工、運營維護集成應用BIM的項目在國有資金投資為主的大中型建筑和申報綠色建筑的公共建筑及綠色生態(tài)示范小區(qū)中比率達到90%。

我國高等院校都在積極探索將BIM技術融入課程的教學改革。現(xiàn)在教學中最常用的方法就是將課程中的書面文字轉換為生動立體的可交互式施工現(xiàn)場模擬場景[11]，在實踐教學中讓學生通過可視化的三維立體建筑信息模型，對建筑設計過程及施工現(xiàn)場環(huán)境產(chǎn)生直接深刻的感性認識。[12]

（二）畢業(yè)設計與教學體系的融合

土木工程專業(yè)房屋建筑方向畢業(yè)設計內(nèi)容包括建筑設計和結構設計兩部分。建筑設計的內(nèi)容包括總平面圖和建筑施工圖，結構設計的內(nèi)容包括結構施工圖和計算書。計算書中需有建筑設計的概述和手算一榀框架的詳細內(nèi)容，包括梁、柱、樓板、樓梯、基礎等承重構件的設計，以及手工計算結果與計算機計算結果的對比分析。畢業(yè)設計任務分解后，可以在畢業(yè)設計中添加更多與學生未來工作相關的內(nèi)容。endprint

在BIM技術全面應用于土木工程專業(yè)課程的背景下，考慮到畢業(yè)設計安排在大四導致的時間沖突問題，可以將畢業(yè)設計任務分解到相關的專業(yè)課程中，以畢業(yè)設計為驅(qū)動，將學生一步步引入到未來的就業(yè)方向中。現(xiàn)以房屋建筑方向為例，通過圖1展示畢業(yè)設計任務分解后的流程圖。

原有教學體系各專業(yè)課因為BIM技術的引入需要進行全面改革，為畢業(yè)設計任務分解布置到各學期專業(yè)課程中提供有利條件。在BIM技術融入課程體系的同時，將畢業(yè)設計分解為多個任務添加到學生的日常學習任務中，這與傳統(tǒng)畢業(yè)設計模式大相徑庭，因此需要通過教學實踐進行驗證與完善。現(xiàn)以湖南科技學院土木工程專業(yè)房屋建筑方向2012級為例，探索畢業(yè)設計結合BIM技術融入教學體系的實施途徑。

（三）改革實踐探索

湖南科技學院作為一所應用型公辦地方本科高校，從2013年開始將BIM技術引入土木工程專業(yè)教學體系中。考慮到教學進度與學生的能力，我們將2012級學生劃分專業(yè)方向，對房屋建筑方向的學生，在他們進入大學二年級之后布置畢業(yè)設計任務。

畢業(yè)設計任務書在大二第一學期的房屋建筑學課程上分發(fā)，學生先選擇自己設計的題目，并分組確定指導教師。為了保證設計與未來工作可以有效銜接并具備技術含量，設計題目分為住宅、教學樓、辦公樓、醫(yī)院、圖書館、商住樓等類型，設計要求均為多層框架結構。

由于土木工程學生在大二還沒有系統(tǒng)學習結構設計的內(nèi)容，因此設計初始階段的建筑方案需要指導教師評估結構的合理性。當房屋建筑學課程中平面設計內(nèi)容講授完后，任課教師指導學生使用BIM建模軟件Revit繪制平面建筑方案。在指導教師認可建筑方案的合理性與可行性后，學生結合房屋建筑學課程上剖面和立面設計的知識，建立三維的建筑模型，在三維建筑模型周邊添加樹木、道路和周邊建筑簡易模型，再以此為基礎繪制總平面圖，并生成建筑圖紙。

軟件自動生成的圖紙往往存在大量錯誤，不符合我國制圖規(guī)范要求，而學生雖然學習過制圖課程，但由于經(jīng)驗欠缺，難以做到理論聯(lián)系實際。所以，首先房屋建筑學授課教師要在課程設計上向各班學生講解自動生成圖紙的常見錯誤和工程實踐中建筑施工圖的要求。然后由學生將圖紙修改后先交給畢業(yè)設計指導教師審閱，再把根據(jù)指導教師意見修改后的圖紙作為房屋建筑學課程設計作業(yè)交給任課教師批改。與傳統(tǒng)的房屋建筑學課程設計中教師收作業(yè)、判定成績后就結束課程的模式不同，任課教師在批改后還需將最終意見反饋給學生和指導教師，由指導教師監(jiān)督學生在最后的畢業(yè)設計中將建筑施工圖中存在的問題改正。這樣學生在大學二就基本完成了畢業(yè)設計的建筑設計部分。建筑設計確定后，在大二其他專業(yè)課程的學習中，學生會主動思考課程與當前設計的聯(lián)系。

學生進入大學三上學期后，可以以房屋建筑學設計的建筑模型為基礎，隨著結構設計課程的進展，檢查自己的建筑設計是否合理。同時授課教師要教學生根據(jù)建筑施工圖和建筑模型，使用結構分析軟件PKPM建立結構模型并進行計算分析，根據(jù)結構計算結果，繼續(xù)使用Revit調(diào)整BIM模型中的梁、柱、板尺寸數(shù)據(jù)，使其與結構計算一致，并添加鋼筋和混凝土數(shù)據(jù)進入模型，并繪制結構施工圖。

在結構設計的課程設計中，由授課教師指導學生在建筑模型中選取一榀框架進行手工計算，并及時反饋計算中存在的問題和錯誤，讓學生在課程設計中予以改正。在學生結束課程設計后，畢業(yè)設計指導教師再指導學生對手算和計算機分析的結果進行對比，讓學生思考結構優(yōu)化的可行性，并督促學生將BIM模型與結構設計結果保持匹配。

大三下學期的專業(yè)課程與工程實踐聯(lián)系最緊密，此時畢業(yè)設計的建筑部分和結構部分都已經(jīng)完成，學生可以將完整的BIM模型運用于專業(yè)課程中，并在各專業(yè)課程教師的指導下，結合個人的畢業(yè)設計進行課程設計。在土木工程施工和工程監(jiān)理課程中，學生使用Navisworks模擬施工過程，安排施工進度，檢查設計模型構件是否存在碰撞沖突，進而在課程設計中編寫施工組織設計和監(jiān)理實施細則。在工程經(jīng)濟學課程上學生學習使用魯班、廣聯(lián)達等造價軟件，直接讀取BIM模型，這樣就可以自動生成工程量，再套入軟件中的定額，就可得出工程造價，然后在課程設計中編制施工圖預算文件。

學生進入大四后，由于設計的內(nèi)容已經(jīng)基本完成，這樣學生有充足的時間去找工作和實習。而且通過日常學習，學生已經(jīng)掌握了畢業(yè)設計的流程與要點，指導教師可以通過網(wǎng)絡，根據(jù)學生就業(yè)意向和實習崗位，安排學生選擇施工組織設計、監(jiān)理實施細則和施工圖預算中的一項添加到畢業(yè)設計計算書中，并對計算書進行批閱，形成一個完整的畢業(yè)設計。學生在畢業(yè)實習中根據(jù)自己的切身體會，在指導教師的引導下，反思畢業(yè)設計中存在的問題，對已經(jīng)完成的內(nèi)容進行整合與深化，這能使他們的畢業(yè)設計更具有工程實踐價值。

當2012級房屋建筑方向?qū)W生在2016年參與畢業(yè)答辯時，他們一個人完成的設計內(nèi)容相當于往屆土木工程專業(yè)和工程管理專業(yè)兩個學生的畢業(yè)設計，包含了一棟建筑的總平面圖、建筑施工圖、結構施工圖、一榀框架手算計算書，以及施工組織設計或監(jiān)理實施細則或施工圖預算，設計完成度和正確率遠高于往屆學生，整體成績良好率提升了30%。

三、結語

以畢業(yè)設計為導向，結合不同專業(yè)課程對BIM軟件的運用，將畢業(yè)設計的內(nèi)容分解到相關專業(yè)課程中完成，讓教學內(nèi)容具有連貫性和繼承性，能提升日常教學質(zhì)量和畢業(yè)設計水平，學生的日常學習可以有的放矢。如果在進入大四之前就完成了畢業(yè)設計的主要內(nèi)容，大四學年學生就可以從容安排時間，這既提高了畢業(yè)設計質(zhì)量，也增加了學生日常學習的積極性。這一改革方向貼合應用型高校土木工程專業(yè)現(xiàn)狀，值得在未來繼續(xù)深入探索研究。

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[責任編輯：陳 明]endprint