基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)計與探索

布欣 孫海粟 王新武

摘 要：BIM技術(shù)具有信息的集成性、共享性、可視化、模擬性、優(yōu)化性等特點(diǎn)，其在建筑業(yè)的推廣和應(yīng)用，為土木工程專業(yè)向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型提供了一個強(qiáng)有力的外部工具支撐。洛陽理工學(xué)院土木工程專業(yè)（建筑工程方向）以BIM技術(shù)為切入點(diǎn)，建立新的實(shí)踐教學(xué)體系，不斷創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法和教學(xué)手段。以BIM技術(shù)為依托，學(xué)院建立以工程項目為主線的多課程、連續(xù)化、數(shù)據(jù)共享的實(shí)踐教學(xué)體系，能全面提升教師教學(xué)水平，培養(yǎng)出更多的具有較強(qiáng)社會適應(yīng)能力和競爭力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);土木工程專業(yè);專業(yè)軟件

洛陽理工學(xué)院土木工程專業(yè)（建筑工程方向）的目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)社會主義建設(shè)和社會發(fā)展需求，能從事房屋建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工組織、工程監(jiān)理、工程預(yù)算和管理工作的，具有較強(qiáng)的計算機(jī)應(yīng)用能力的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。在新的形勢下，應(yīng)用型本科教育重在“應(yīng)用”二字。在當(dāng)前應(yīng)用型本科教育和建筑信息技術(shù)快速發(fā)展的推動下，BIM技術(shù)在建筑業(yè)的推廣和應(yīng)用，為土木工程專業(yè)（建筑工程方向）向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型提供了一個強(qiáng)有力的外部工具支撐。洛陽理工學(xué)院土木工程專業(yè)（建筑工程方向）以BIM技術(shù)為切入點(diǎn)，建立新的實(shí)踐教學(xué)體系，不斷創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法和教學(xué)手段，全面提升教學(xué)水平，培養(yǎng)出更多的具有較強(qiáng)社會適應(yīng)能力和競爭力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

一、BIM技術(shù)的優(yōu)勢特點(diǎn)

BIM是建筑信息模型（Building Information Modeling）的英文縮寫，指的是在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計、施工、運(yùn)營的過程和結(jié)果的總稱。BIM技術(shù)是一種多維建筑信息模型集成技術(shù)，在設(shè)計階段，基于建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備完成的3D模型可解決專業(yè)之間的碰撞問題，減少因“錯、缺、漏、碰”導(dǎo)致的設(shè)計變更，促進(jìn)設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量的提升;在招、投標(biāo)和施工階段，基于“3D模型+時間工序”的四維模型可以模擬實(shí)際施工，支撐工業(yè)化建造和綠色施工，優(yōu)化施工方案，促進(jìn)工程項目實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，同時提高工程質(zhì)量、降低成本和安全風(fēng)險;基于“3D實(shí)體+時間工序+成本”的5D關(guān)系數(shù)據(jù)庫，可應(yīng)用于工程項目決策、建造施工、運(yùn)維管理、改建拆除，有助于提升對整個項目的掌控能力和科學(xué)管理水平。BIM技術(shù)具有信息的集成性、共享性、可視化、模擬性、優(yōu)化性等特點(diǎn)，其中，可視化、模擬性、優(yōu)化性在教學(xué)環(huán)節(jié)具有明顯的優(yōu)勢。

第一，可視化。基于BIM建筑信息模型的建筑工程全程可視化，學(xué)生可以直觀地看到建筑工程中各構(gòu)件的三維模型，全面觀察各組件的相互關(guān)系。可視化的成果既可以用效果圖進(jìn)行展示或生成報表，還可以進(jìn)行動畫演示。豐富的項目展示方式使溝通、討論、決策等都能在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行。第二，模擬性。在設(shè)計階段，BIM技術(shù)可以對一些項目進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，如節(jié)能模擬、緊急疏散模擬、日照模擬、熱能傳導(dǎo)模擬等。在施工階段，BIM技術(shù)可以進(jìn)行施工方案、施工進(jìn)度可視化動態(tài)模擬，直觀呈現(xiàn)項目整體部署及配套資源的投入狀態(tài)，充分展現(xiàn)施工組織設(shè)計的可行性。第三，優(yōu)化性。建筑工程的設(shè)計、施工、運(yùn)營的全過程是一個不斷優(yōu)化的過程。通過BIM相關(guān)專業(yè)軟件支持，設(shè)計者可以在建筑方案、結(jié)構(gòu)體系選型和布置、設(shè)備管網(wǎng)布局、施工工序和施工組織流程、成本造價等方面進(jìn)行更好地優(yōu)化，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計方案、減少施工變更、縮短工期、控制成本、提升質(zhì)量的目的，從而實(shí)現(xiàn)項目精細(xì)化管理和企業(yè)集約化經(jīng)營。

二、土木工程專業(yè)軟件模塊框架設(shè)計

土木工程專業(yè)（建筑工程方向）的主干專業(yè)課程有房屋建筑學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)工程、建筑施工技術(shù)與組織、建筑工程造價、建筑設(shè)備等課程。根據(jù)課程特點(diǎn)及建筑工程的全過程解析，我們可將專業(yè)課程歸納為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、造價三個核心模塊。下圖是三個核心模塊的工程專業(yè)軟件配置，是按照“夯實(shí)基礎(chǔ)、專注專業(yè)”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置的。

（一）基礎(chǔ)軟件AutoCAD和Revit

目前，建筑工程軟件市場上有兩個平臺：傳統(tǒng)的AutoCAD平臺和基于BIM技術(shù)的Revit平臺?；邳c(diǎn)、線、面投影關(guān)系的AutoCAD平臺，在建筑、水利、道橋、機(jī)械等工科專業(yè)具有普遍性和通用性?；贐IM技術(shù)的Revit平臺是針對建筑工程專業(yè)量身定制的三維建模開發(fā)平臺，并不適用于其他工業(yè)領(lǐng)域。因此，基于AutoCAD的基礎(chǔ)性和通用性，在基礎(chǔ)教學(xué)中，CAD軟件作為工程制圖的入門基礎(chǔ)平臺是不可替代的，并且CAD軟件的操作歷練為Revit軟件的快速上手打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)各專業(yè)軟件公司均是以Revit為平臺進(jìn)行二次開發(fā)的，以推出各自專業(yè)的BIM軟件產(chǎn)品，如天正TR、PKPM-BIM、BIM5D等。因此，Revit軟件是初學(xué)者掌握BIM技術(shù)的入門軟件。

（二）專業(yè)軟件模塊

一個完整的建筑工程要由建筑、結(jié)構(gòu)、水電暖設(shè)備、施工、預(yù)算等各個專業(yè)工種協(xié)同支持，每個專業(yè)有各自的專業(yè)體系和專業(yè)特點(diǎn)。學(xué)習(xí)過CAD平臺的天正建筑軟件的學(xué)生，明顯能體會到天正建筑軟件的專業(yè)性，這種專業(yè)性使操作者的建筑設(shè)計效率成倍地提高。教師要引入專業(yè)軟件的學(xué)習(xí)，使學(xué)生更好地接近工程應(yīng)用，從而達(dá)到應(yīng)用型教學(xué)的目的。因此，洛陽理工學(xué)院土木工程專業(yè)（建筑工程方向）引入了PKPM、廣聯(lián)達(dá)、BIM5D三個基于結(jié)構(gòu)設(shè)計、造價、施工的BIM類專業(yè)軟件。

三、課程體系改革

課程體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)是實(shí)踐教學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)體系采用“專業(yè)理論課+課程設(shè)計”模式，各門課程設(shè)計選取的案例彼此獨(dú)立，缺乏連貫性。而作為完成系統(tǒng)整合的畢業(yè)設(shè)計，由于時間限制，學(xué)生的選題只能從設(shè)計、施工、預(yù)算三個方向中選擇一個作為題目，致使學(xué)生很難形成完整的建筑工程知識體系。BIM技術(shù)貫穿從概念設(shè)計、施工運(yùn)營直到拆除的建設(shè)項目的全生命周期。教師僅在一門課程中應(yīng)用BIM技術(shù)，會使其優(yōu)勢得不到有效地發(fā)揮。因此，教師要在整個課程體系中應(yīng)用BIM技術(shù)。

（一）建立以項目為主線的課程設(shè)計體系

建筑工程分為民用建筑和工業(yè)建筑兩大類。民用建筑又分為公共建筑、居住建筑兩類，以混凝土結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)體系采用多層的框架結(jié)構(gòu)和高層的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。工業(yè)建筑以鋼結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)形式以門式剛架、排架結(jié)構(gòu)為主。因此，課程設(shè)計的選題要以此為切入點(diǎn)，形成以兩個項目為主的課程設(shè)計主線：一棟多層公共建筑、一座單層工業(yè)廠房。工業(yè)建筑的單層工業(yè)廠房由鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計承擔(dān)。民用建筑的多層公共建筑由房屋建筑學(xué)、混凝土設(shè)計和基礎(chǔ)設(shè)計、工程造價四門課程設(shè)計承擔(dān)。學(xué)生將房屋建筑學(xué)課程的建筑設(shè)計成果作為混凝土課程設(shè)計的題目，并完成基礎(chǔ)設(shè)計和最后的工程預(yù)算。

（二）BIM技術(shù)在房屋建筑學(xué)課程中的應(yīng)用

房屋建筑學(xué)課程設(shè)計是本專業(yè)學(xué)生的第一個專業(yè)設(shè)計，此時的學(xué)生專業(yè)知識儲備不夠，無工程經(jīng)驗(yàn)，只具備平面功能空間布局的表達(dá)能力。由于建筑空間的抽象表達(dá)能力還沒有開發(fā)，直接用二維圖形表達(dá)抽象的三維建筑物，對學(xué)生來說是很困難的。教師采用Revit操作建模，直接布置墻體、門窗、樓梯等三維構(gòu)件，使各單體構(gòu)件和整樓模型均可視，避免了學(xué)生的錯誤空間想象。學(xué)生也可以通過模型進(jìn)行反復(fù)推敲，同時也可以進(jìn)行緊急疏散模擬，從而否定不合理的方案。BIM技術(shù)在房屋建筑學(xué)課程應(yīng)用使學(xué)生的課程設(shè)計質(zhì)量有所提高。

（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的應(yīng)用

Revit軟件的優(yōu)勢是建模，其弱項是結(jié)構(gòu)分析設(shè)計。PKPM是國內(nèi)目前主流的結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)施工圖輸出軟件，混凝土結(jié)構(gòu)的SATWE和鋼結(jié)構(gòu)的STS是兩個主要模塊。學(xué)生使用PKPM建模和分析，可以將學(xué)生從枯燥、難懂的手算中解放出來，有利于學(xué)生大膽嘗試各種結(jié)構(gòu)布置，并最終選擇受力合理的結(jié)構(gòu)方案。筆者在PKPM的教學(xué)中，經(jīng)常會提出一些特殊的問題，比如將原來的7度設(shè)防調(diào)整為8度設(shè)防，此時柱子的軸壓比、梁端的配筋超筋等結(jié)果就分別在計算結(jié)果中顯示出來。學(xué)生在解決相關(guān)問題的同時，對軸壓比以及抗震設(shè)防等概念就有了更加深入的理解。問題解決后的成就感也激勵著學(xué)生去嘗試更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)方案。課程中形成的BIM結(jié)構(gòu)配筋信息，以三維形式呈現(xiàn)，使學(xué)生對結(jié)構(gòu)板、梁柱的配筋形式有直觀的了解，促進(jìn)了學(xué)生對平法施工圖表達(dá)的理解。

（四）BIM技術(shù)在建設(shè)工程造價管理課程設(shè)計中的應(yīng)用

教師將已形成的建筑和結(jié)構(gòu)信息的Revit模型，通過廣聯(lián)達(dá)軟件的插件，導(dǎo)入廣聯(lián)達(dá)土建GCL算量軟件，能有效地完成工程量清單中的算量任務(wù)。學(xué)生可以從成本的角度，評判自己的設(shè)計是否經(jīng)濟(jì)、是否科學(xué)。為了提高模型導(dǎo)入對接中構(gòu)件識別的準(zhǔn)確度，該設(shè)計對Revit模型有一定的要求，這可以讓學(xué)生形成良好的建模習(xí)慣。

（五）BIM技術(shù)在施工技術(shù)和施工組織課程中的應(yīng)用

教師指導(dǎo)學(xué)生使用BIM5D軟件，可進(jìn)行工程量快速測算，可快速按照施工部位和施工時間以及進(jìn)度計劃等條件提取物資量，完成勞動力計劃、物資投入計劃的編制。利用BIM技術(shù)對施工方案、施工進(jìn)度計劃進(jìn)行可視化動態(tài)模擬，能直觀呈現(xiàn)項目整體部署及配套資源的投入狀態(tài)，充分展現(xiàn)施工組織設(shè)計的可行性，使平時書面的、抽象的講解，變成生動的、形象的動態(tài)演示，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

四、教學(xué)過程和教學(xué)評價改革

傳統(tǒng)的課程設(shè)計實(shí)踐教學(xué)采取的是“集中設(shè)計、手繪圖紙、一次評定成績”的模式，其有三大弊端：一是課程設(shè)計時間十分緊張，教師在選擇題目時會減小工程題目的規(guī)模和難度，同時學(xué)生為了在短時間內(nèi)完成設(shè)計，采取機(jī)械性操作，不經(jīng)推敲，避難就易，不求甚解;二是單純的手繪圖紙過程枯燥，學(xué)生繪制潦草，計算機(jī)操作水平?jīng)]有得到充分的訓(xùn)練;三是課程設(shè)計題目類型固定，學(xué)生有互相抄襲的便利條件，單憑紙面成果一次性評分，無法準(zhǔn)確把握學(xué)生的實(shí)際掌握情況。因此，本專業(yè)對教學(xué)方法、教學(xué)過程、教學(xué)評價進(jìn)行了改革。

第一，教學(xué)方法的改革。教師利用BIM技術(shù)建立基于項目的教學(xué)主線，讓理論為實(shí)踐服務(wù)。在BIM技術(shù)的支持下，學(xué)生可以在可視化、易修改、可優(yōu)化的環(huán)境中學(xué)習(xí)，在建模中對所學(xué)內(nèi)容有初步的了解，在修改和優(yōu)化中對知識體系有更深入、更全面的掌握。第二，教學(xué)過程的改革。教師爭取最大限度地強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)的課時比重、課程結(jié)構(gòu)，并引入全過程的實(shí)踐教學(xué)，將實(shí)踐教學(xué)在理論課開始之初進(jìn)行切入，隨著深入開展實(shí)踐過程，讓實(shí)踐過程伴隨著課程全過程。具體實(shí)施方法是：在課程開始時，教師利用兩個課時的時間進(jìn)行課程項目的任務(wù)說明、相關(guān)支持軟件簡要說明等，課程設(shè)計的全過程由學(xué)生在課外完成。課程中期，學(xué)生通過PPT進(jìn)行兩次題目匯報，指導(dǎo)教師針對學(xué)生的設(shè)計給出建議和技術(shù)指導(dǎo)。課程后期，學(xué)生完成項目設(shè)計，提交BIM模型和相關(guān)的紙質(zhì)設(shè)計成果，并進(jìn)行項目答辯。期末考試是對課程的理論知識點(diǎn)的評價。第三，教學(xué)評價體系的改革?；谏鲜觥袄碚?實(shí)踐”的全過程教學(xué)，本專業(yè)采用全過程的評價體系。課程總成績由平時成績（20%）、項目成績（30%）、期末考試成績（50%）三部分組成。其中的項目成績來自兩次題目匯報。

五、方案實(shí)施中需要解決的問題

第一，教師教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變。教師是應(yīng)用型教學(xué)的主導(dǎo)者，應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵是教師。高校作為推動者，除了在課程體系中加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)量的設(shè)置，還應(yīng)該在教師實(shí)踐教學(xué)工作量的計算方面進(jìn)行積極的支持和引導(dǎo)，促使教師提升實(shí)踐教學(xué)工作績效，增強(qiáng)教師實(shí)踐化轉(zhuǎn)型的積極性。第二，教師的BIM技術(shù)實(shí)踐能力培養(yǎng)。核心專業(yè)課的任課教師均是任教多年的老教師，BIM技術(shù)對他們來說是一門全新的技術(shù)。高校要舉辦系統(tǒng)的BIM技術(shù)教學(xué)培訓(xùn)，更新老教師的知識結(jié)構(gòu)。第三，BIM平臺的軟、硬件的建設(shè)投入。BIM軟件對計算機(jī)的硬件要求較高，專業(yè)化的BIM軟件也是不可忽視的重要一環(huán)。高校在進(jìn)行硬件投入的同時，也應(yīng)做好專業(yè)軟件的配套計劃，提高投入效率。

在應(yīng)用型本科教育的推進(jìn)和轉(zhuǎn)型中，洛陽理工學(xué)院土木工程專業(yè)（建筑工程方向）引入基于BIM專業(yè)軟件技術(shù)平臺支持實(shí)踐教學(xué)，既提升了學(xué)生的應(yīng)用型技能，又培養(yǎng)了社會急需的BIM技術(shù)應(yīng)用人才。洛陽理工學(xué)院土木工程專業(yè)（建筑工程方向）建立以工程項目為主線的多課程、連續(xù)化、數(shù)據(jù)共享的實(shí)踐教學(xué)體系，貫通建筑信息模型的全流程，連接并理順了核心專業(yè)的銜接，能將BIM技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)揮到最大化，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化教學(xué)效果的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭亞萍，王國林，丁文勝.土木工程應(yīng)用型人才檢測評估能力培養(yǎng)的研究與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2017，（2）.

[2]楊國平，黃平，高雪.BIM時代下的建筑CAD課程教學(xué)改革[J].山西建筑，2018，（34）.

[3]孫慶巍，李博，王玨.基于BIM技術(shù)的土木工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)探究[J].高等教育，2018，（12）.

責(zé)編：清 歡