BIM技術在建環(huán)專業(yè)實踐教學的探索與實踐

孫成才 周 勃 呂 潔 張 嬌

(1.沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院，沈陽 110870； 2.沈陽工程學院 基礎教學部，沈陽 110136)

引言

近年來，BIM技術在國內(nèi)外的建筑行業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展。BIM技術的全稱是建筑信息模型(Building Information Modeling)，它可以在整個建筑生命周期，即規(guī)劃、設計、施工、運維、管理的各個階段進行信息傳遞和數(shù)據(jù)共享，大大提高了設計施工質(zhì)量，縮短了工期，節(jié)省了投資，因此BIM技術被稱為繼計算機輔助設計(CAD)革命以來的第二次建筑革命[1-4]。

為推動BIM技術的發(fā)展，明確了BIM技術作為建筑業(yè)發(fā)展的目標與方向，住房和城鄉(xiāng)建設部于2016年先后發(fā)布了《2016～2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》和《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》。文件指出，到2020年末，建筑行業(yè)甲級勘察、設計單位以及特級、一級房屋建筑工程施工企業(yè)應掌握并實現(xiàn)BIM與企業(yè)管理系統(tǒng)和其他信息技術的一體化集成應用。預計2020年末，在新立項項目勘察設計、施工、運營維護中，集成應用BIM的項目比率達到90%[5-6]。為了推動BIM技術的項目落地，很多省市都制定了未來一段時間的BIM發(fā)展綱要，許多大中型設計施工單位都成立了BIM技術研究所。BIM技術的快速發(fā)展，使得建筑市場BIM人才存在很大缺口，因此加快BIM人才的培養(yǎng)是在發(fā)展BIM技術過程中的一個急需面對和解決的問題[7-10]。高等學校作為人才培養(yǎng)的基地需要承擔起加強BIM技術人才培養(yǎng)的重任。

在教育信息化的大背景下，BIM技術的發(fā)展和應用為建筑類專業(yè)的教育信息化提供了技術支撐，例如對于建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)(以下簡稱“建環(huán)”專業(yè))，可以充分利用BIM技術中管道綜合優(yōu)化的技術優(yōu)勢。因此，如何將BIM技術正確有效地引入到專業(yè)教學中，為建筑行業(yè)提供BIM技術人才，是值得高校教師進行探索與實踐的一個教改方向和培養(yǎng)目標。

目前，國內(nèi)很多高校已經(jīng)開始在專業(yè)教學中引入BIM，進行相關教學改革嘗試。如，青島理工大學、哈爾濱工業(yè)大學在專業(yè)教學體系中增設BIM技術應用專業(yè)課程，吉林建筑大學、長春大學、北京工業(yè)大學開設了BIM創(chuàng)新實踐課和專業(yè)選修課，安徽工程大學在系列專業(yè)課中融入BIM技術，大連理工大學學在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)嘗試了BIM方向，大連民族學院增設了BIM實驗選修課程。

1 在實踐教學中引入BIM技術的意義

建筑行業(yè)近年來的的信息化發(fā)展對行業(yè)人才提出了新的標準和要求，目前傳統(tǒng)的高校建筑類人才培養(yǎng)模式和教學模式需要針對社會對人才的需求進行改革，BIM技術是一個很好的技術手段，BIM技術更多的是軟件的使用，常常作為一種設計工具出現(xiàn)，可以進行建筑模型的建立、虛擬施工模擬、設計優(yōu)化等，所以更適合應用于實踐教學環(huán)節(jié)中。建環(huán)專業(yè)傳統(tǒng)的課程設計和畢業(yè)設計都是采用AutoCAD軟件進行繪制水暖、通風、空調(diào)的二維圖紙，通過調(diào)查研究，這種方式繪圖精度不高，學生對所繪圖紙的專業(yè)理解能力不夠，傳統(tǒng)的二維圖紙設計并不能使學生真正了解各個系統(tǒng)的設計，學生在做設計的時候由于在腦海中無法形成正確的三維模型，尤其是遇到稍微復雜一點的平面圖往往在設計時只知其然而不知其所以然。這就不能很好地培養(yǎng)學生的空間思維和對專業(yè)知識的正確把握。將BIM技術引入到建環(huán)專業(yè)的實踐教學中，可以充分利用BIM技術的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性的特點[11-12]，將原本晦澀難懂的二維圖紙設計轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦恿Ⅲw的三維信息模型，提高學生對課程設計、畢業(yè)設計的興趣和積極性。

可見將BIM技術引入建環(huán)專業(yè)實踐環(huán)節(jié)，將課程設計、畢業(yè)設計和BIM技術結(jié)合，實現(xiàn)建環(huán)專業(yè)信息化實踐教學，可以提高學生的綜合素質(zhì)和專業(yè)能力，積極應對建筑信息化的快速發(fā)展，為社會提供其需求的合格人才。

本文在已有研究基礎上細化了BIM在實踐教學中的應用流程，并針對應用過程中出現(xiàn)的問題進行了總結(jié)并提出了解決方案，對其他想引入BIM技術的高校有一定借鑒意義。

2 BIM在實踐教學中的應用探索與實踐

沈陽工業(yè)大學從2013級學生開始將BIM技術引入到實踐教學環(huán)節(jié)中，下面以建環(huán)專業(yè)畢業(yè)設計為例，詳細介紹BIM技術在建環(huán)專業(yè)實踐教學中的應用探索與實踐。

2.1 前期準備

BIM技術的運用不僅需要具備相關專業(yè)知識，還要精通Revit、Navisworks等設計模擬軟件，這些相關BIM軟件的學習操作需要花大量的時間和精力，如果讓學生在忙碌的學習中抽時間來自學難度很大而且缺乏監(jiān)督，很難收到成效，所以需要安排專門的BIM教學環(huán)節(jié)。如果僅在畢業(yè)設計開始后著手BIM的學習顯然是來不及的，所以需要在BIM教學上進行合理的安排，使學生有充分學習BIM的時間，為畢業(yè)設計做好前期準備。

沈陽工業(yè)大學建環(huán)專業(yè)在大二下學期開設《BIM技術及應用》這門課，共有24學時，其中有16學時的上機課，指導學生完成實際案例的建模，主要包括住宅給排水翻模(5學時)、地下車庫防排煙系統(tǒng)翻模(4學時)、辦公樓空調(diào)翻模(5學時)、負荷計算分析軟件與BIM軟件的協(xié)同(2學時)，其中計算分析軟件與BIM軟件的協(xié)同教學主要培養(yǎng)學生正向設計和能耗分析的方法，具體包括：采用負荷計算軟件進行負荷計算，在Revit中進行分區(qū)將負荷計算結(jié)果導入，建立一簡單HVAC系統(tǒng)，利用Green Building Studio綜合能耗分析模塊進行分析，得到全年能耗等數(shù)據(jù)，指導模型系統(tǒng)優(yōu)化。通過以上工程案例的建模使學生熟練掌握基本BIM軟件操作。我校還和超星爾雅合作，將《BIM技術及應用》這門課的授課視頻和教學資料上傳到網(wǎng)絡教學平臺，學生能夠在BIM課程結(jié)課后如果有遺忘或不懂的地方可以通過網(wǎng)絡教學資源進行鞏固學習，提高了學生對BIM技術的掌握能力。此外，我校建環(huán)專業(yè)還鼓勵學生積極將參加BIM大賽，近年來，很多高校BIM大賽蓬勃發(fā)展，比如全國高等院校學生“斯維爾杯”建筑信息模型(BIM)應用技能大賽、中國建設教育協(xié)會主辦的全國高等院校BIM應用技能大賽等。學生通過參加比賽，提高和鞏固了其在課堂上學習的BIM建模能力，進一步提升了學生對BIM的認識和應用，激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。同時，通過學生參加BIM大賽可以檢驗BIM教學改革的成果，及時調(diào)整改革方向，進一步推動BIM技術在建環(huán)專業(yè)教學中的應用。

除了單獨設置BIM課程外，還應在專業(yè)課中引入BIM技術。比如在《建筑設備施工技術》課程中，加入8學時BIM環(huán)節(jié)，利用BIM技術對一些施工技術，機電設備進行講解，在《安裝工程經(jīng)濟與管理》課程中加入8學時BIM環(huán)節(jié)，利用BIM進行工程量統(tǒng)計的內(nèi)容。加入的BIM環(huán)節(jié)由BIM專業(yè)教師擔任授課教師。另外，在供熱工程課程設計、給排水課程設計中都引入了BIM技術。到畢業(yè)設計時，學生對BIM技術也有了較好的認識和理解，同時也能夠熟練掌握BIM相關軟件的操作，從而為畢業(yè)設計環(huán)節(jié)BIM技術的運用做好了前期準備。

2.2 畢業(yè)設計中BIM技術的應用探索

畢業(yè)設計是建環(huán)專業(yè)在大四上學期第10周開設到大四下學期第14周開設的一門實踐課，是對學生大學四年所學專業(yè)知識的檢驗，其主要目的在于培養(yǎng)學生應用所學知識去解決實際工程問題的能力。沈陽工業(yè)大學建環(huán)專業(yè)畢業(yè)設計主要方向為空調(diào)方向。主要內(nèi)容包括確定設計方案和設計參數(shù)，選擇系統(tǒng)形式和冷熱源方案，完成方案論證、負荷計算、系統(tǒng)布置、設備選型計算、管網(wǎng)水力計算、氣流組織設計、施工圖繪制、計算書編寫等工作。通過畢業(yè)設計，使學生掌握相關設計施工規(guī)范，對暖通工程從設計到施工過程有一個比較全面的認識，為今后就業(yè)工作打下良好的專業(yè)基礎。因此，為順應建筑信息化的發(fā)展趨勢，將BIM技術引入到畢業(yè)設計中。

在選題工作上，在傳統(tǒng)選題外，專門設置BIM方向的選題，制定并下達相關BIM設計任務書，學生可以2-3人為一個畢業(yè)設計小組共同做同一個題目，以實際工程項目為設計題目，要求學生在畢業(yè)設計環(huán)節(jié)全部采用BIM技術進行暖通空調(diào)設計。

在空調(diào)冷負荷和熱負荷的計算環(huán)節(jié)中，采用TR-HVAC軟件進行計算，分別計算出每個房間的冷負荷、熱負荷以及新風量，再計算出整個空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和制熱量，通過負荷分析確定設計方案，并完成建筑能耗模擬的工作。

在圖紙繪制工作中，由于利用BIM技術繪圖在設計過程中會增加工作量，所以2-3人一組并應進行工作分工，對不同系統(tǒng)進行設計，可按空調(diào)風系統(tǒng)的設計、空調(diào)水系統(tǒng)的設計和空調(diào)冷熱源的設計進行分工，這樣會使設計效率更高。利用Revit軟件進行空調(diào)風系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)和空調(diào)冷熱源的BIM模型建立，充分發(fā)揮BIM技術可視化的固有特點，形成一個不僅含有幾何尺寸信息還包括建筑構件的材料、重量、價格等屬性信息的三維信息模型。在模型創(chuàng)建過程中，由于會用到大量的BIM族，為提高設計效率，可利用網(wǎng)絡族庫資源，或通過對已有設備族的修改調(diào)整進行利用，對于無法獲取的族，應根據(jù)要求自行創(chuàng)建。比如對于冷熱源系統(tǒng)的繪制，制冷機組作為一個設備族，如果通過自行創(chuàng)建，往往費時費力，可利用網(wǎng)絡族庫對設備幾何尺寸進行調(diào)整載入到模型當中，而不去具體關注制冷機組內(nèi)部的零部件結(jié)構，提高設計效率。由于BIM的可視化，學生能夠通過三維立體模型，更直觀形象地了解暖通設計施工過程。同時，BIM模型可以多角度進行旋轉(zhuǎn)觀察，還可實現(xiàn)構件拆分功能，指導老師不用再對著抽象的二維圖紙進行專業(yè)知識的講解，而是可以通過三維視角進行介紹，大大提升了教學效果。對于暖通設計來說，由于冷熱源機房內(nèi)管道復雜，所以冷熱源機房的管線排布往往是令設計者頭疼的一項工作。在冷熱源機房的BIM模型建立過程中，充分利用了BIM技術在管線綜合方面的優(yōu)勢，對管道排布進行優(yōu)化設計，提高了出圖精度，也便于學生對系統(tǒng)原理有更形象的了解。在小組各成員進行BIM建模的過程中，可充分利用BIM的可協(xié)同性，實現(xiàn)小組各成員之間信息共享，及時通過同一個數(shù)據(jù)平臺進行信息更新和修改調(diào)整。比如空調(diào)風系統(tǒng)繪制過程中，某個風機盤管設備的位置發(fā)生變動，會實時傳遞到繪制空調(diào)水系統(tǒng)的學生處，該學生可進行及時的更新和修改，保證圖紙的一致性。都建模完成后可合成一個BIM模型，并進行管線的碰撞檢查，進行及時溝通調(diào)整。通過BIM的可協(xié)同性，培養(yǎng)了學生的團隊協(xié)作意識。

Revit模型建立后，需將RVT格式模型文件導入BIM的另一款軟件Navisworks中，在Navisworks中添加時間軸，進行施工進度模擬，利用4D模擬動畫展示施工過程，提前發(fā)現(xiàn)施工中可能存在的問題。充分利用BIM的可模擬性，可以讓抽象的圖紙變成生動的動畫形式，既體現(xiàn)了設計的創(chuàng)新性，又讓學生掌握了施工工藝流程。

在圖紙?zhí)峤贿^程中，充分利用BIM的可出圖性，BIM信息模型是一個各個構件相互關聯(lián)的整體，學生可以直接利用建立的BIM模型生成平面圖、剖面圖(可任意角度剖切)、系統(tǒng)圖。并且由于構件之間的相關關聯(lián)，當改變某一處模型時，其相應的平立剖圖紙都將隨之自動改變，省去了CAD繪圖時檢驗圖紙平立剖對應性和正確性這項費時的工作。最后學生提交的成果包括電子版BIM模型、打印版導出的圖紙、電子版施工模擬動畫等。

在答辯環(huán)節(jié)，學生除了自述以外，還可通過PPT展示BIM信息模型和4D施工模擬動畫，豐富了畢業(yè)設計答辯的形式，在教師提問環(huán)節(jié)，增加與BIM技術相關問題的比重。在成績評定環(huán)節(jié)，由于采用BIM技術的畢業(yè)設計，圖紙質(zhì)量較高，具有很好的創(chuàng)新性，能夠生動形象地將理論與工程實際相結(jié)合，所以成績都比較高，同時也鼓勵了學生多進行BIM方向的選題。

圖1-2為采用BIM技術進行畢業(yè)設計的部分成果展示。

圖1 空調(diào)風系統(tǒng)三維視圖

圖2 空調(diào)水系統(tǒng)三維視圖

綜上，學生要達到畢業(yè)設計中應用BIM的目標，要掌握以下技術： 1)利用天正軟件進行負荷計算； 2)利用Revit軟件建立模型；3)利用Navisworks軟件進行動畫模擬。學生應達到利用BIM進行正向建模的程度，對于機房等難點部位可采用翻?；蛟诶蠋熤笇逻M行正向建模。指導教師應按周次提前編制任務書，學生每周填寫工作內(nèi)容及完成情況，指導教師定期檢查。主要檢查機械設備、管道、管件、管道末端、閥門、儀表的的幾何信息(位置、尺寸)和非幾何信息(規(guī)格型號，材料和材質(zhì)、技術參數(shù)等)。

3 BIM在實踐教學應用過程中出現(xiàn)的問題

沈陽工業(yè)大學建環(huán)專業(yè)從2013級學生開始將BIM技術引入到實踐教學環(huán)節(jié)中以來，收到了比較好的成效，但由于BIM技術作為一項新事物引入時間還比較短，在探索與實踐的過程中出現(xiàn)了需要調(diào)整的一些問題。

3.1 BIM相關師資力量不足

BIM技術在建筑行業(yè)得到了快速的發(fā)展，但高校并沒有像社會企業(yè)一樣有較快的適應速度，熟練掌握BIM技術的教師很少，需要單獨對教師進行培訓，目前BIM技術的培訓費用較高，如果大范圍培訓對教師和學院會形成負擔，而且對于一些年齡偏大的教師對新技術的接受能力還有待提高，BIM相關師資力量不足。

針對以上問題，可以利用教師進入企業(yè)掛職鍛煉的政策，學?？梢越M織教師深入企業(yè)學習BIM應用技術，提升工程實踐能力。教師不斷學習，走在學生的前面，了解BIM行業(yè)動態(tài)，帶給學生最新的BIM行業(yè)資訊，培養(yǎng)適應企業(yè)的BIM技術人才。

3.2 設備投入較大

由于BIM技術對電腦的配置要求較高，一般需要酷睿i7及以上系列的中央處理器， 8G以上的電腦內(nèi)存，安裝相關的正版BIM軟件也是一筆較大投入。學院機房電腦數(shù)量有限，在進行《BIM技術及應用》這門課的上機課安排上比較緊張，在進行課程設計和畢業(yè)設計時，由于機房電腦數(shù)量有限，不能滿足所有學生的使用，需學生自己配置電腦，對學生也會有一定的負擔。

針對以上問題，可通過校企合作方式，與就業(yè)企業(yè)進行聯(lián)合人才培養(yǎng)模式，企業(yè)為學校投資，建立相應的網(wǎng)絡實訓室，高校和企業(yè)可以共享開放平臺。

3.3 教師積極性需加強

在進行畢業(yè)設計過程中，由于部分教師不精通本專業(yè)課程的BIM知識，運用BIM技術的熱情不高，部分教師只停留在看個熱鬧的層面，還是采用原有的教學手段，積極性不高。

針對以上問題，應建立有效的激勵機制，推進教師運用BIM的政策支持，如增設BIM指導教師榮譽證書，鼓勵教師參與指導學生BIM競賽，并對獲獎給予一定獎勵。

4 總結(jié)

BIM技術作為建筑行業(yè)第二次革命的產(chǎn)物，推動了建筑行業(yè)的發(fā)展變革，未來亟需大量的BIM人才，掌握BIM技能就是贏得未來。高等學校作為向社會輸出人才的重要基地，應緊跟時代發(fā)展，順應社會需求，把為社會提供專業(yè)技術人才。實踐證明，以培養(yǎng)人才促進就業(yè)為導向，在建環(huán)專業(yè)的實踐教學中引入BIM技術可以激發(fā)學生學習興趣，便于學生對專業(yè)知識的理解，而且可以形象生動地與工程實際結(jié)合起來，提高學生的實踐與創(chuàng)新能力，并且增強了學生的就業(yè)競爭力。因此，將BIM技術引入到建環(huán)專業(yè)實踐教學中起到了積極的作用，今后應不斷調(diào)整和改進BIM技術在教學中的應用方式，加大其在實踐教學中的應用力度。