智能建造新專業(yè)背景下基于BIM的“土建制圖”課程體系改革研究

安棟 白玉星 許海亮 王獻(xiàn)云

摘 ? 要：智能建造專業(yè)受到國家的高度重視，將引領(lǐng)土木建筑業(yè)的發(fā)展方向。對(duì)高等院校而言，智能建造專業(yè)不僅對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)提出了新的要求，對(duì)就業(yè)方向也提供了新的思路，同時(shí)對(duì)高校的相關(guān)課程體系也有更深入的變革。文章以“土建制圖”課程體系為例，闡述了智能建造專業(yè)給目前課程體系帶來的挑戰(zhàn)，結(jié)合BIM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及智能建造的專業(yè)要求，探索了智能建造新專業(yè)中“土建制圖”課程的新變化，為新專業(yè)和土木工程專業(yè)的課程建設(shè)提供建議。

關(guān)鍵詞：智能建造;建筑信息模型;“土建制圖”;課程體系

1 ? ?智能建造專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

智能建造專業(yè)是以土木工程專業(yè)為基礎(chǔ)，面向國家戰(zhàn)略需求和建筑業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型，融合機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、電子信息及其自動(dòng)化、工程管理等專業(yè)發(fā)展而成新工科專業(yè)[1]。智能建造涵蓋整個(gè)建筑的生命周期（構(gòu)件制作、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工和管理維護(hù)等），包含多個(gè)體系（建筑體系、結(jié)構(gòu)體系、施工體系、裝備體系和運(yùn)維體系等），其中涉及裝配式建筑的構(gòu)件制作是智能建造的基礎(chǔ)，涉及建筑信息模型（Building Information Model，BIM）技術(shù)的全過程電腦輔助設(shè)計(jì)（Computer-Aided Design，CAD）是智能建造的保障、涉及交互感知的施工模擬與方案是智能建造的模式[2]。研究和發(fā)展智能建造技術(shù)受國家高度重視，引領(lǐng)建筑業(yè)的發(fā)展方向。同濟(jì)大學(xué)于2018年首次開設(shè)智能建造專業(yè)[3]。根據(jù)《教育部關(guān)于公布2018年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知》，北方工業(yè)大學(xué)已于2019年秋季學(xué)期完成招生。

BIM是土木工程相關(guān)專業(yè)的新工具[4]，是以三維建模為主、土木建筑相關(guān)的CAD。BIM可以幫助實(shí)現(xiàn)建筑信息的集成，從建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行直至建筑全壽命周期的終結(jié)，各種信息始終整合于一個(gè)三維模型信息數(shù)據(jù)庫中，各方人員可基于BIM協(xié)同工作，由Autodesk于2002年提出。國外大學(xué)率先將其引入到土木專業(yè)教學(xué)中[5]，以Revit等軟件學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)開展教學(xué)，國內(nèi)高校也開始了探索結(jié)合過程。北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)和CAD教學(xué)中已經(jīng)引入了BIM技術(shù)，包括三維建模、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工深化和算量等。

智能建造新專業(yè)背景下，勢必要對(duì)現(xiàn)有課程體系進(jìn)行修訂和優(yōu)化，而BIM技術(shù)是新工科中的新工具，其基礎(chǔ)的三維建模技術(shù)理應(yīng)加入到專業(yè)課程中?！巴两ㄖ茍D”課程作為土建類專業(yè)學(xué)生在大學(xué)一年級(jí)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)內(nèi)容包含畫法幾何、土建制圖、制圖標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算機(jī)繪圖，有理論、有實(shí)踐，是一門知識(shí)量大而廣的課程，該課程學(xué)習(xí)的效果直接影響學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的開展，如何讓學(xué)生在規(guī)定學(xué)時(shí)內(nèi)學(xué)好這門課程已成為教學(xué)改革的重中之重。

2 ? ?智能建造專業(yè)介紹

北方工業(yè)大學(xué)作為已經(jīng)完成招生的高等院校，在智能建造專業(yè)建設(shè)方面走在了前列。新專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是：適應(yīng)國家建設(shè)需要，使學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)，熟練掌握土木工程專業(yè)的基本知識(shí)，精通工程結(jié)構(gòu)智能建造的基本原理和施工技術(shù)，能夠應(yīng)用計(jì)算機(jī)語言和機(jī)械控制原理，完成現(xiàn)代土木工程的智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能施工和全過程運(yùn)行維護(hù)管理。在課程設(shè)置上，包括：數(shù)學(xué)類、力學(xué)類、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類、計(jì)算機(jī)語言類、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能類等課程，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)共建實(shí)踐基地，引導(dǎo)學(xué)生依托真實(shí)工程項(xiàng)目開展專業(yè)學(xué)習(xí)和專業(yè)實(shí)習(xí)，參與專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，最終達(dá)到促進(jìn)就業(yè)的目的。專業(yè)課程主要由專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)必修課和模塊選修課組成，其中主干專業(yè)基礎(chǔ)課包括“Python程序設(shè)計(jì)”“三大力學(xué)”“機(jī)械控制”“BIM技術(shù)基礎(chǔ)”“智能測繪”等;主要專業(yè)必修課包括“BIM工程應(yīng)用”“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”“裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能化設(shè)計(jì)”“人工智能與建造機(jī)器人”等;模塊選修由建筑工程和綠色建筑、城市地下空間和工程管理等組成。

3 ? ?“土建制圖”課程現(xiàn)狀

智能建造專業(yè)以土木工程專業(yè)為基礎(chǔ)，“土建制圖”課程體系沿用土建類專業(yè)工程制圖，包括“畫法幾何與土建制圖”“土木工程CAD”兩門重要課程。按照目前的教學(xué)計(jì)劃，“畫法幾何與土建制圖”為48學(xué)時(shí)必修課，“土木工程CAD”為32學(xué)時(shí)選修課和1周CAD實(shí)習(xí)，其中畫法幾何是數(shù)學(xué)中幾何的一個(gè)分支，為繪制和閱讀工程圖樣以及圖解三維空間幾何問題提供理論基礎(chǔ)[6]。畫法幾何中所培養(yǎng)的空間想象能力為后續(xù)建筑物平立剖圖的繪制提供了科學(xué)依據(jù)?！巴两ㄖ茍D”課程主要包括建筑識(shí)圖、繪圖標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，“土木工程CAD”主要包含房屋建筑施工圖和房屋結(jié)構(gòu)施工圖的繪制實(shí)現(xiàn)、制圖基本知識(shí)和AutoCAD計(jì)算機(jī)繪圖[7]?！巴两ㄖ茍D”總體學(xué)時(shí)偏少，課程內(nèi)容主要是知識(shí)傳授，學(xué)生主要是被動(dòng)聽課，實(shí)踐繪圖時(shí)間得不到保證。土建制圖主要為模仿繪制教材和習(xí)題集上的圖樣，多為平面，而且是紙質(zhì)樣板，缺少對(duì)房屋結(jié)構(gòu)空間認(rèn)知程度的訓(xùn)練。學(xué)生到計(jì)算機(jī)繪圖階段，對(duì)建筑制圖統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)只有知識(shí)上的認(rèn)識(shí)，不能有效地與圖形繪制結(jié)合，繪制的平面圖常缺少必要的箭頭、文字、剖切符號(hào)等;立面圖缺少標(biāo)高等;剖面圖不知哪些構(gòu)件是剖到的，哪些是看到的;甚至于定位軸線的繪制都不規(guī)范，隨意性較大。還有一個(gè)重要問題是學(xué)生空間思維能力弱，只能對(duì)現(xiàn)有的建筑施工圖和結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)行模仿繪制，俗稱“描圖”，對(duì)整個(gè)房屋的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)和外部空間構(gòu)件沒有整體的把握，無法形成創(chuàng)新實(shí)踐能力。最后，學(xué)生的集體合作能力差，各畫各的，只能模仿完成，不能合作完成，大型建筑物的圖紙有很多，分類明確，但分組繪制時(shí)交流不暢，缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

4 ? ?改革思路

結(jié)合專業(yè)發(fā)展規(guī)劃，提出BIM技術(shù)與智能建造、土木工程專業(yè)的制圖課程相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容。整合“土建制圖”課程體系，建立包括“畫法幾何”“土建制圖”“制圖標(biāo)準(zhǔn)”“土木工程CAD”“三維建?！薄癇IM技術(shù)基礎(chǔ)”等內(nèi)容的課程群，根據(jù)不同培養(yǎng)階段的課程特點(diǎn)及學(xué)生能力設(shè)置上述課程群。根據(jù)教育部教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)和工程認(rèn)證的指標(biāo)要求，按照智能建造新專業(yè)的教學(xué)目標(biāo)，依托現(xiàn)有“畫法幾何與土建制圖”“土木工程CAD”等課程的教學(xué)力量，對(duì)原有“土建制圖”課程體系進(jìn)行分解重構(gòu)，建立層次分明、循序漸進(jìn)、重點(diǎn)突出的“土建制圖”課程群，為新工科、新專業(yè)、新技術(shù)形勢下的專業(yè)建設(shè)提供參考。

“土建制圖”課程體系的構(gòu)建，包括“畫法幾何”“土建制圖”“制圖標(biāo)準(zhǔn)”“土木工程CAD”“三維建?！薄癇IM技術(shù)基礎(chǔ)”等內(nèi)容。按照每部分內(nèi)容的學(xué)時(shí)內(nèi)容要求，構(gòu)建適合學(xué)生發(fā)展、滿足教學(xué)目標(biāo)、達(dá)到培養(yǎng)要求的課程群?，F(xiàn)有課程包括“畫法幾何和土建制圖”“土木工程CAD”“土木工程CAD實(shí)習(xí)”等。按照現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容，整合科學(xué)理論、徒手繪圖、平面繪圖、三維建模等內(nèi)容，結(jié)合各門課程部分，將平面圖形實(shí)體化、二維繪圖三維化。將Revit等BIM建模類軟件引入“土建制圖”和“土木工程CAD”等智能建造和土木工程的專業(yè)基礎(chǔ)課程中。

5 ? ?教學(xué)措施

智能建造新專業(yè)給高等院校的學(xué)生提出了新的要求，計(jì)算機(jī)的普及和BIM技術(shù)的進(jìn)步為專業(yè)的發(fā)展提供了必要的幫助。將“土建制圖”課程與BIM技術(shù)結(jié)合起來，利用BIM技術(shù)的可視化、三維化、信息化等優(yōu)勢，提高學(xué)生對(duì)“土建制圖”課程的學(xué)習(xí)實(shí)踐應(yīng)用能力。軟件方面，傳統(tǒng)的“畫法幾何學(xué)”聽課容易、習(xí)題難做[8]，學(xué)生對(duì)直線、平面等元素認(rèn)識(shí)有限。使用Sketchup軟件建立模型，可以有效地幫助學(xué)生形成三維概念。建筑構(gòu)件的平立剖不容易理解，采用Revit族創(chuàng)建，進(jìn)行一系列構(gòu)件的生成，包括門、窗、樓板、樓梯等三維構(gòu)件，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行剖切操作，直觀地讓學(xué)生看到構(gòu)件的平面、立面和剖面?！巴两ㄖ茍D”課程中結(jié)合制圖標(biāo)準(zhǔn)，采用AutoCAD軟件進(jìn)行符合標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)置，包括軸線、線型、尺寸標(biāo)注等，結(jié)合軟件出圖等幫助學(xué)生將枯燥的知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，最終呈現(xiàn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的圖紙?！癇IM技術(shù)基礎(chǔ)”將會(huì)是智能建造專業(yè)的必修課，“畫法幾何學(xué)”是“土建制圖”的理論基礎(chǔ)，“土建制圖”及“制圖標(biāo)準(zhǔn)”是“土建制圖”的核心，而“BIM技術(shù)基礎(chǔ)”是“土建制圖”的最終落腳點(diǎn)。Revit軟件的使用為“BIM技術(shù)基礎(chǔ)”提供了重要幫助，該軟件以對(duì)應(yīng)于建筑構(gòu)件的繪圖命令將建筑物的各個(gè)部分按照一定的次序繪制完成，雖然要求學(xué)生有一定的房屋建筑學(xué)知識(shí)，但更重要的是，在建筑物的相應(yīng)視圖上，以平面的形式繪制三維建筑，對(duì)學(xué)生掌握房屋建筑的基本構(gòu)造以及完成教學(xué)目標(biāo)有著極大的幫助。

6 ? ?結(jié)語

智能建造專業(yè)受到國家的高度重視，將會(huì)引領(lǐng)土木建筑業(yè)的發(fā)展方向?；贐IM技術(shù)的“土建制圖”課程作為智能建造專業(yè)的重要課程，對(duì)高等院校而言，其課程體系建設(shè)是一個(gè)重要而長遠(yuǎn)的任務(wù)，如何構(gòu)建一個(gè)適合學(xué)生學(xué)習(xí)的課程體系對(duì)專業(yè)的發(fā)展非常重要。本文從軟件方面出發(fā)，探索了智能建造新專業(yè)中BIM技術(shù)在“土建制圖”課程的應(yīng)用，為新專業(yè)和土木工程專業(yè)的課程建設(shè)提供建議。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周建亮，吳躍星，鄢曉非.美國BIM技術(shù)發(fā)展及其對(duì)我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的啟示[J].科技進(jìn)步與對(duì)策，2014（11）：30-33.

[2]SACKS R，PIKAS E.Building information modeling education for construction engineering and management I：industry requirements，state of the art and gap analysis[J].Journal of Construction Engineering and Management，2013（11）：1-12.

[3]葉曉芹.關(guān)于新形勢下畫法幾何學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)的探索[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2004（4）：168-171.

[4]李富平，皇甫平，郭鐵能.提高土建類專業(yè)學(xué)生制圖創(chuàng)新實(shí)踐能力的探討[J].高等建筑教育，2019（3）：116-121.

[5]胡海軍，裴金萍，楊秀娟，等.土建類專業(yè)畫法幾何與工程制圖課程教學(xué)改革探討[J].高等建筑教育，2017（3）：66-68.

[6]段樂珍.新形式下《土木工程制圖》課程教學(xué)模式改革探討[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2009（1）：62-63.

[7]李懷健，陳星銘，謝瑋，等.少學(xué)時(shí)土建工程制圖課程建設(shè)的思考與實(shí)踐[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（3）：380-382.

[8]謝堅(jiān)，馬彩祝.立足土建專業(yè)，尋求改革創(chuàng)新-新編《土木工程制圖》特點(diǎn)分析[J].黑龍江教育（高教研究與評(píng)估），2014（9）：39-40.

Abstract：Intelligent construction specialty is highly valued by the state and will lead the development direction of civil construction industry. As far as colleges and universities are concerned， intelligent construction major not only puts forward new requirements for students learning， but also provides new ideas for the direction of employment， and at the same time， there are more in-depth changes in the relevant curriculum system of colleges and universities. Taking the course system of “Civil Engineering Drawing” as an example， this paper expounds the challenges brought by intelligent construction specialty to the current curriculum system， combined with the development status of BIM technology and the professional requirements of intelligent construction， probes into the new changes of “Civil Engineering Drawing” course in the new specialty of intelligent construction， and provides construction for the curriculum construction of new major and civil engineering specialty.

Key words：intelligent construction; building information model; “Civil Engineering Drawing”; curriculum system