BIM技術(shù)在土木工程專業(yè)中課程架構(gòu)的研究

許莉 張挺

摘? 要：BIM作為建筑信息模型的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，涵蓋了實(shí)際工程的全壽命周期，因而無(wú)法用單一的軟件，簡(jiǎn)言駭之，而在實(shí)際教學(xué)中，也無(wú)法通過(guò)對(duì)某個(gè)軟件的演示來(lái)完整地詮釋它。文章通過(guò)對(duì)BIM誕生背景、內(nèi)涵與基本概念、數(shù)據(jù)模型格式等進(jìn)行系統(tǒng)闡釋，并對(duì)比分析了BIM與傳統(tǒng)CAD技術(shù)之間的關(guān)系，使讀者更好地了解BIM在土木工程領(lǐng)域的不可或缺的作用。BIM課程架構(gòu)從理論教學(xué)與案例教學(xué)的角度出發(fā)，前者著重講述BIM中的多維數(shù)據(jù)信息模型、協(xié)同工作技術(shù)、數(shù)據(jù)信息集成技術(shù)與可視化技術(shù)等，后者則通過(guò)BIM對(duì)實(shí)踐應(yīng)用，如針對(duì)BIM不同階段的設(shè)計(jì)軟件、BIM工程案例等進(jìn)行系統(tǒng)講解，并輔以BIM講座以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：土木工程專業(yè);BIM技術(shù);知識(shí)體系;課程架構(gòu)

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）05-0089-03

Abstract： As the data processing platform of building information model， BIM covers the whole life cycle of actual engineering， so it can't be used in single software. In fact， in actual teaching， it can't be completely explained by the demonstration of certain software. The article systematically interprets the background， connotation and basic concepts of BIM， data model format and compares the relationship between BIM and traditional CAD technology， so that readers can better understand the indispensable BIM in the field of civil engineering effect. From the perspective of theoretical teaching and case teaching， the BIM curriculum focuses on the multidimensional data information model， collaborative work technology， data information integration technology and visualization technology in BIM. The latter applies practical application through BIM， such as different for BIM. Stage design software， BIM engineering cases， etc. will be systematically explained， supplemented by BIM lectures to achieve the desired teaching results.

Keywords： civil engineering; BIM technology; knowledge hierarchy; curriculum framework

引言

自BIM技術(shù)誕生以來(lái)，因其具有體現(xiàn)工程全壽命階段設(shè)計(jì)的巨大優(yōu)勢(shì)而在土木工程領(lǐng)域得到迅猛發(fā)展。如今BIM技術(shù)的推廣和應(yīng)用已在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行地如火如荼，而高等學(xué)校在這方面的教育和投入則顯得不溫不火，更缺乏能全面體現(xiàn)BIM思想的成熟教材，工程實(shí)際與理論教學(xué)存在的巨大落差和教育脫軌，迫使土木工程專業(yè)本科生培養(yǎng)中的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)必須快速實(shí)現(xiàn)新的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變需從傳統(tǒng)的CAD教學(xué)逐步轉(zhuǎn)入以BIM技術(shù)理論為依托的融入式教學(xué)。而需要特別指出的是，BIM技術(shù)并非對(duì)CAD技術(shù)的更新和完善，它完全摒棄了傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法，轉(zhuǎn)而面向一種全新的三維全壽命設(shè)計(jì)理念。因而，如何更有效地實(shí)現(xiàn)BIM課程的教學(xué)體系轉(zhuǎn)換是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)亟待解決的問(wèn)題。

一、BIM基本概念

（一）BIM出現(xiàn)背景

上個(gè)世紀(jì)末以來(lái)，隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，信息技術(shù)已滲透到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)建筑生命期的不同階段。但是，由于信息來(lái)自多個(gè)參與方，造成分散的多個(gè)數(shù)據(jù)源，使得大量的工程數(shù)據(jù)信息傳遞工作量大，無(wú)法直接交流。同時(shí)，各參與方之間的信息交流手段落后，比如：建筑設(shè)計(jì)通過(guò)二維圖紙表達(dá)，施工進(jìn)度通過(guò)橫道圖表達(dá)，在施工和管理過(guò)程中的數(shù)據(jù)通過(guò)手工編制人工報(bào)表。這將造成不同階段數(shù)據(jù)信息傳輸和共享困難，從而導(dǎo)致發(fā)生信息斷層的現(xiàn)象。為解決上述問(wèn)題，BIM適時(shí)而出，它為工程項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到運(yùn)營(yíng)全壽命周期提供連貫一致的信息，從而提高工作效率和質(zhì)量，并且能綜合把控工程投入使用的運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)及施工周期，實(shí)現(xiàn)全工程的工程信息集成和管理。

（二）BIM內(nèi)涵

BIM（Building Information Modelling），即建筑信息模型，最早是由美國(guó)喬治亞技術(shù)學(xué)院查克·伊斯曼博士在二十世紀(jì)七十年代提出的，其對(duì)BIM的定義闡釋如下：建筑信息模型是融合了模型的空間幾何信息、功能應(yīng)用以及單元性能的集成體，體現(xiàn)了它在工程項(xiàng)目全壽命周期的價(jià)值與不可限量的潛力。因此，可以說(shuō)建筑信息模型是一種涵蓋了諸如建筑、工程、施工、運(yùn)營(yíng)等多維數(shù)據(jù)的信息云載體[1，2]。

實(shí)際上將BIM翻譯為建筑信息模型對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)不是特別恰當(dāng)，會(huì)讓其誤以為BIM只是用來(lái)實(shí)現(xiàn)三維建模，亦或是對(duì)傳統(tǒng)CAD技術(shù)的更新和完善，而僅停留在工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段。BIM是以建筑模型為載體而承載多維數(shù)據(jù)信息的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，涵蓋了工程項(xiàng)目全壽命周期所需的不同階段的信息，包括項(xiàng)目規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、工程施工、運(yùn)維管理等，而且這些信息是互通的，負(fù)責(zé)不同階段的項(xiàng)目人員可以隨時(shí)訪問(wèn)BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取他們所需的相關(guān)信息，協(xié)同工作，并及時(shí)反饋，因此BIM也可以視為集合了項(xiàng)目各個(gè)階段實(shí)施情況的共享協(xié)作信息平臺(tái)，為項(xiàng)目全壽命周期的高效率運(yùn)作提供了新的可能。從這個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，將BIM稱之為“工程信息模型及其應(yīng)用”似乎更加準(zhǔn)確?？梢詮娜齻€(gè)角度來(lái)解讀BIM：

1. BIM是集成了N維數(shù)據(jù)的信息模型。BIM使用了可視化的建筑模型作為信息載體，使得傳統(tǒng)的信息表達(dá)變得更加智能而易于理解和接受，而這個(gè)載體承載的不僅僅是簡(jiǎn)單的三維幾何參數(shù)信息，而是項(xiàng)目工程全壽命周期各個(gè)階段的所有數(shù)據(jù)信息。將BIM視為承載N維數(shù)據(jù)的信息模型，是因?yàn)榇四Ｐ退钶d的數(shù)據(jù)信息的維度取決于使用者，或者說(shuō)是使用目的。若是簡(jiǎn)單的三維展示，那么此時(shí)的BIM模型就是三維幾何參數(shù)模型，它搭載的是項(xiàng)目各個(gè)構(gòu)件單元的空間幾何參數(shù)信息，若在此基礎(chǔ)上融合了時(shí)間這一因素，則可發(fā)展成為四維（4D）模型，若用戶意圖在初期設(shè)計(jì)階段對(duì)成本進(jìn)行簡(jiǎn)單估算，亦或是在投標(biāo)階段進(jìn)行工程量計(jì)算，則可發(fā)展為融入成本計(jì)算的5D模型，繼而還可以發(fā)展成為結(jié)合其他方面的N維模型。

2. BIM是促進(jìn)協(xié)同工作與可視化分析的重要工具。協(xié)同設(shè)計(jì)的范圍應(yīng)擴(kuò)展至整個(gè)工程全壽命周期，涵蓋項(xiàng)目規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、施工建造、運(yùn)營(yíng)管理至工程服役結(jié)束整個(gè)周期。從這個(gè)角度來(lái)講，協(xié)同設(shè)計(jì)的要求也意味著其順利開(kāi)展不僅需要設(shè)計(jì)單位的參與，同時(shí)開(kāi)發(fā)商、施工企業(yè)、后期運(yùn)維管理單位等都必須參與進(jìn)來(lái)，因而是一項(xiàng)跨時(shí)間和跨地域的聯(lián)合活動(dòng)，這種運(yùn)作方式允許不同階段不同專業(yè)的相關(guān)人員可以得到第一手資料，并通過(guò)各種交流媒介，如設(shè)計(jì)企業(yè)內(nèi)部搭建虛擬交流平臺(tái)，按照統(tǒng)一的用戶界面，遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)（如現(xiàn)階段的IFC格式標(biāo)準(zhǔn)），提出各自的建議和看法，形成良性的反饋鏈，進(jìn)而促進(jìn)信息數(shù)據(jù)的高效率傳遞、優(yōu)化和改善。協(xié)同工作的運(yùn)作方式如圖1所示。

BIM也開(kāi)啟了可視化應(yīng)用的大門?？梢暬衫斫鉃槔糜?jì)算機(jī)成像技術(shù)將各種抽象的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為具體的圖形圖像，基于該原理，由于BIM自身具有較高的可視化程度，可以直接利用BIM模型實(shí)現(xiàn)可視化為后續(xù)的各種分析提供了保證，因而B(niǎo)IM是一種極佳的人機(jī)交互工具。BIM的出現(xiàn)為可視化應(yīng)用提供了新的可能，例如可以用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)施工上的四維模擬、緊急情況的疏散演練、日照分析、節(jié)能分析等。北京CBD核心區(qū)的“中國(guó)尊”便利用了BIM技術(shù)針對(duì)建筑的安全性進(jìn)行理論分析模擬，例如對(duì)一層大堂及標(biāo)準(zhǔn)辦公層進(jìn)行突發(fā)狀況的煙氣和人員疏散模擬等。

3. BIM是一種信息整合與信息共享的平臺(tái)。傳統(tǒng)的建筑模式是各環(huán)節(jié)進(jìn)行明確分工，使得不同階段不同專業(yè)的生產(chǎn)品質(zhì)與效率得到了極大的提升。然而分工的同時(shí)卻忽略了整合，這使得工程管理效率愈來(lái)愈低。必須認(rèn)識(shí)到的是，分工細(xì)致化帶來(lái)便利的同時(shí)也拉大了各專業(yè)間溝通的鴻溝，后果便是竣工后的產(chǎn)品不盡人意，有各種各樣的瑕疵。BIM的價(jià)值在于對(duì)細(xì)致化分工造成的信息孤島進(jìn)行高效整合，利用建筑構(gòu)件以行業(yè)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可視化表達(dá)，使各司其職的員工不僅對(duì)自己負(fù)責(zé)的作業(yè)了如指掌，也可以方便地查看別人的作業(yè)內(nèi)容。因此，BIM的出現(xiàn)將從根本上改變行業(yè)各專業(yè)間的合作生產(chǎn)方式，由傳統(tǒng)的分散孤立生產(chǎn)轉(zhuǎn)入?yún)f(xié)同運(yùn)作、集成發(fā)展的新型工作模式，這不僅為工程實(shí)施帶來(lái)效率上的實(shí)質(zhì)性提高，也極大地降低了項(xiàng)目運(yùn)作過(guò)程中的利益損失。

二、BIM課程理論教學(xué)架構(gòu)

從服務(wù)本科教學(xué)的角度出發(fā)，任課教師需對(duì)BIM有著全面深刻的理解，教學(xué)物資應(yīng)本著深入淺出、因地制宜、貼合實(shí)際的原則，以期達(dá)到理想的教學(xué)效果。而B(niǎo)IM課程教學(xué)架構(gòu)可解構(gòu)為理論講解和實(shí)際操作兩部分[3]。

課堂教學(xué)和上機(jī)操作結(jié)合的教學(xué)方法，能夠讓學(xué)生正確理解BIM的基本概念、原理和方法，掌握應(yīng)用商業(yè)軟件進(jìn)行BIM建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電建模技術(shù)、BIM在規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理和運(yùn)維管理的應(yīng)用技術(shù)、BIM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)，并了解BIM的發(fā)展趨勢(shì)和方向。就BIM理論部分的講解而言，可就BIM基本概念和現(xiàn)階段應(yīng)用領(lǐng)域等方面進(jìn)行，以下的教學(xué)綱要可作為教學(xué)參考。

（一）BIM基本概念

1. 結(jié)合中國(guó)建筑業(yè)發(fā)展概況和信息技術(shù)的發(fā)展水平，以及土建行業(yè)信息化發(fā)展過(guò)程存在的主要問(wèn)題，以此引出BIM誕生的背景;

2. 講解BIM的定義、基本概念和國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程，并對(duì)比傳統(tǒng)二維CAD技術(shù)，探討當(dāng)前的BIM技術(shù)與其二者之間的異同點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。

（二）BIM主要應(yīng)用領(lǐng)域

1. 講解BIM作為承載N維數(shù)據(jù)信息的載體的原理和運(yùn)作方式;

2. 講解BIM實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)信息傳遞的支撐手段和信息標(biāo)準(zhǔn)，如IFC格式標(biāo)準(zhǔn)等[4]。

3. 講解協(xié)同工作與可視化分析處理的定義和原理;

4. 講解協(xié)同工作在建筑業(yè)信息化的發(fā)展蛻變、幾種不同的工作模式以及實(shí)際土建行業(yè)各企業(yè)、各單位內(nèi)部之間以及外部之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的方法和手段;

5. 講解可視化分析的定義和工作原理及應(yīng)用的必要性;

6. 講解可視化分析與協(xié)同工作之間的聯(lián)系，例舉實(shí)際工程案例實(shí)現(xiàn)可視化分析的事例;

7. 講解BIM是如何實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作與可視化分析的過(guò)程;

8. 講解可視化分析與協(xié)同工作之間的聯(lián)系，例舉實(shí)際工程案例實(shí)現(xiàn)可視化分析的事例。

9. 講解信息整合與信息共享的概念、組織模式與發(fā)展歷程;

10. 講解BIM支撐信息整合與信息共享的手段，以及在工程項(xiàng)目全壽命周期運(yùn)作的重要性和應(yīng)用案例。

三、BIM課程案例教學(xué)架構(gòu)

著眼于國(guó)內(nèi)外BIM的應(yīng)用導(dǎo)向，從服務(wù)于學(xué)生實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，以例舉支持BIM不同階段不同專業(yè)的軟件，并進(jìn)行教學(xué)操作演示，結(jié)合實(shí)際工程案例及學(xué)術(shù)講座向?qū)W生介紹如何運(yùn)用BIM技術(shù)為工程項(xiàng)目帶來(lái)實(shí)質(zhì)上的便利性。

1. 例舉支持BIM各階段的實(shí)用軟件，并對(duì)其中幾項(xiàng)常用軟件進(jìn)行操作演示。國(guó)外的BIM軟件有：Autodesk公司BIM系列軟件，Revit設(shè)計(jì)、碰撞檢測(cè)、施工規(guī)劃和制造軟件，Navisworks設(shè)計(jì)評(píng)審解決方案軟件、Ecotect建筑生態(tài)與環(huán)境模擬分析軟件、Civil 3D測(cè)量、設(shè)計(jì)、分析與制圖軟件等;Open BIM聯(lián)盟的BIM系列軟件：SketchUp直接面向設(shè)計(jì)方案創(chuàng)作過(guò)程的設(shè)計(jì)軟件、ArchiCAD制圖軟件、Tekla Structures鋼結(jié)構(gòu)軟件、MagiCAD系列軟件等;Bentley的BIM系列軟件：MicroStation參數(shù)化建模和設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件、AECOsim Building Designer軟件、AECOsim Energy simulator耗能計(jì)算與分析模塊軟件、Facility Manager軟件、Navigator三維設(shè)計(jì)校審系統(tǒng);國(guó)外的BIM軟件有：PKPM系列軟件、北京盈建科軟件、天正軟件、鴻業(yè)軟件、探索者軟件、廣聯(lián)達(dá)系列軟件、魯班系列軟件等。

2. 講解BIM在規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

該階段BIM應(yīng)用相對(duì)成熟，能實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和智能設(shè)計(jì)以及基于BIM的性能設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)的結(jié)果可視化展示。工程案例如上海金虹橋國(guó)際中心，占地3.55萬(wàn)平方米，建筑總面積26萬(wàn)平方米。該項(xiàng)目初期根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)，建立BIM模型以進(jìn)行各構(gòu)件的碰撞檢查，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并更新設(shè)計(jì)圖紙，優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)際操作中，發(fā)現(xiàn)設(shè)備層由于各種管線交叉密布、錯(cuò)綜復(fù)雜，構(gòu)件之間的碰撞問(wèn)題尤為突出：15層設(shè)備層檢查出存在7處影響較大的碰撞點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)層4處，地下室16處。

3. 講解BIM在施工階段的應(yīng)用

BIM在施工階段的應(yīng)用主要有施工模擬及安全分析、招投標(biāo)成本預(yù)算以及施工質(zhì)量監(jiān)管。施工模擬及安全分析能實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程優(yōu)化，能進(jìn)行施工方案比選，能實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度規(guī)劃和施工安全管理[5]。

4. 講解BIM在運(yùn)維階段的應(yīng)用

在建筑生命期中，設(shè)計(jì)和施工的費(fèi)用占總費(fèi)用的15%，而運(yùn)維的費(fèi)用占到總費(fèi)用的60%，因此提高運(yùn)維管理的技術(shù)手段和效率十分必要。BIM常應(yīng)用在設(shè)備設(shè)施管理、系統(tǒng)邏輯、維護(hù)維修管理等。工程案例如上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)T1航站樓運(yùn)維方面的BIM應(yīng)用。該項(xiàng)目成功運(yùn)用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)維信息三維可視化、運(yùn)維信息共享以及運(yùn)維管理決策。管理者或用戶可對(duì)不同區(qū)域的不同構(gòu)件通過(guò)三維模型輸出可視化的運(yùn)維信息，亦可通過(guò)BIM信息共享實(shí)現(xiàn)日常的設(shè)備維護(hù)、管理、租賃等。

5. 在學(xué)生對(duì)BIM理論和實(shí)際操作有了一定認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，邀請(qǐng)土木行業(yè)BIM技術(shù)的著名學(xué)者進(jìn)行相關(guān)學(xué)術(shù)講座，作為BIM課程的其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

四、結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行BIM技術(shù)的實(shí)際教學(xué)和開(kāi)展相關(guān)講座的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)大部分本科生對(duì)于BIM的定義、內(nèi)涵以及在土木所發(fā)揮的引領(lǐng)作用渾然不知。BIM在土木行業(yè)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)，土木工程專業(yè)教學(xué)必須與時(shí)代接軌，而通過(guò)優(yōu)化BIM的實(shí)際教學(xué)，使學(xué)生更好地了解和掌握BIM技術(shù)，已顯得至關(guān)重要。

BIM是集多維數(shù)據(jù)信息模型、協(xié)同工作技術(shù)、數(shù)據(jù)信息集成技術(shù)與可視化技術(shù)等多功能為一體的綜合技術(shù)的象征，這也意味著傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教學(xué)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代三維全壽命周期的設(shè)計(jì)要求，因而選用某種軟件進(jìn)行示范性地教學(xué)是無(wú)法完整地詮釋BIM技術(shù)。

BIM教學(xué)可從理論講解與實(shí)際案例兩個(gè)角度出發(fā)，既讓學(xué)生對(duì)BIM的理論基礎(chǔ)有著本質(zhì)上的認(rèn)知，又在此基礎(chǔ)上通過(guò)枚舉支持BIM不同階段不同專業(yè)的軟件，并結(jié)合相應(yīng)的具體案例和學(xué)術(shù)講座，闡釋BIM在實(shí)際土木行業(yè)中的應(yīng)用價(jià)值，二者相輔相成、相得益彰，可使學(xué)生對(duì)BIM技術(shù)有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)和了解，為其以后的三維設(shè)計(jì)工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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