BIM技術(shù)在土建專業(yè)的課程改革研究

田莉梅 尹歡歡 張景華

(1.廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院，廊坊 065000； 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083； 3.中國石油天然氣管道工程有限公司，廊坊 065000)

引言

從BIM概念的提出，至今40多年來發(fā)展非常迅速。世界各國的高校、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)都在結(jié)合自身的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和要求，從小范圍試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目向全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期的實(shí)踐應(yīng)用邁進(jìn)[1]。魏紅磊[2]等人通過對Revit平臺(tái)的二次開發(fā)，建立采礦工程井巷設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下巷道BIM設(shè)計(jì)，并開發(fā)設(shè)計(jì)了采礦巷道族庫、三維模型庫，完成了含礦井的開拓開采、施工圖設(shè)計(jì)等內(nèi)容，為數(shù)字化礦井信息模型提供基礎(chǔ)。曹政國[3]等人將BIM技術(shù)應(yīng)用在鐵路施工組織設(shè)計(jì)中，以GIS數(shù)據(jù)、鐵路設(shè)計(jì)信息、施組要素信息為基礎(chǔ)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)及信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立鐵路施工組織設(shè)計(jì)協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行三維可視化施工組織設(shè)計(jì)，通過協(xié)同平臺(tái)共享和傳遞數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用BIM技術(shù)的思路及方法，為BIM技術(shù)在鐵路施工組織設(shè)計(jì)中應(yīng)用提供參考借鑒。張愛琳[4]等人利用BIM技術(shù)與3D掃描技術(shù)集成，快速精確地獲取裝配式建筑施工中的偏差，并將偏差數(shù)據(jù)帶入MATLAB灰色預(yù)測模型中，實(shí)現(xiàn)裝配式建筑施工過程中偏差的預(yù)測分析，提高了裝配式建筑施工效率及管理精度。

1 BIM技術(shù)在高校發(fā)展現(xiàn)狀

針對BIM技術(shù)在行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外許多高校逐步嘗試將BIM技術(shù)融入到教學(xué)當(dāng)中，不斷加大BIM技術(shù)人才的培養(yǎng)力度。根據(jù)美國亞利桑那州立大學(xué)與FIATECH的一項(xiàng)研究表明：現(xiàn)在美國70%的學(xué)校已經(jīng)把BIM融入到了課程中，而那些目前沒有設(shè)置BIM課程的高校也有88%計(jì)劃增設(shè)BIM課程，其中的97%要將BIM納入課程中[5]。國內(nèi)高校BIM課程的設(shè)置起步較晚，目前清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)、四川大學(xué)、廣州大學(xué)和西南交通大學(xué)等高校已經(jīng)開設(shè)了BIM相關(guān)課程，由于BIM類相關(guān)課程具有實(shí)踐性強(qiáng)的性質(zhì)，能夠充分發(fā)揮線上教學(xué)的優(yōu)勢，所以授課方式逐步從“填鴨式”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上線下相結(jié)合以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)模式，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。然而一些教學(xué)改革滯后的高校目前還沒有開設(shè)BIM相關(guān)課程，有些開設(shè)了BIM相關(guān)課程的高校也只是停留在設(shè)置初期的淺顯概論的狀態(tài)，并沒有深入地開展BIM教學(xué)研究，沒有很好地利用BIM優(yōu)勢進(jìn)行課程改革，沒有形成完善的BIM教學(xué)體系，依然保持著單一的課堂授課滿堂灌的陳舊教學(xué)方式，不利于學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性和和學(xué)習(xí)積極性。

衛(wèi)星[6]嘗試結(jié)合建筑信息模型(BIM)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)進(jìn)行課程教學(xué)實(shí)踐改革探索，將BIM技術(shù)和VR技術(shù)融入到課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的各環(huán)節(jié)中，以期改善教學(xué)困境，為相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)踐改革探索提供參考和借鑒。一些學(xué)者[7-8]從新工科背景出發(fā)，對當(dāng)前高校BIM課程在建設(shè)過程中存在的問題進(jìn)行分析，為培養(yǎng)綜合能力強(qiáng)的復(fù)合型的高級專業(yè)人才，提出了BIM 教學(xué)改革的措施。石曉波[9]在新工科背景下對《工程估價(jià)》課程教學(xué)進(jìn)行改革，發(fā)揮BIM技術(shù)和案例教學(xué)法應(yīng)用于教學(xué)中的優(yōu)勢，提出了運(yùn)用BIM技術(shù)案例進(jìn)行教學(xué)的改革方案以及實(shí)施路徑，實(shí)現(xiàn)《工程估價(jià)》課程與BIM技術(shù)的融合，為高校的BIM人才培養(yǎng)提供改革思路。米琳琳[10]將建筑工程類課程教學(xué)中遇到的問題進(jìn)行總結(jié)分析，將傳統(tǒng)教學(xué)與BIM 技術(shù)相結(jié)合，將零散的知識(shí)通過BIM技術(shù)串聯(lián)構(gòu)成教學(xué)體系，解決諸多問題，提高學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。井珉等人[11]從 BIM技術(shù)與專業(yè)課程的相關(guān)性入手、從BIM實(shí)踐教學(xué)體系的建立、實(shí)施流程及實(shí)踐效果四方面進(jìn)行研究，對傳統(tǒng)教學(xué)體系進(jìn)行改進(jìn)，為工程管理專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才提供思路和方法。楊文東等人[12]總結(jié)高校對BIM課程重視程度不到和建設(shè)不足的現(xiàn)狀，通過BIM實(shí)際工程的教學(xué)，讓學(xué)生領(lǐng)悟到什么是建筑工程的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營管理的全壽命周期，加強(qiáng)課程的課外實(shí)踐，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。

2 BIM技術(shù)的課程改革

為了培養(yǎng)行業(yè)需求的BIM 人才，學(xué)院結(jié)合自身專業(yè)設(shè)置，對2015級和2017級培養(yǎng)方案進(jìn)行修訂，初次將BIM技術(shù)融入到工程管理和土木工程專業(yè)通識(shí)課中，通過一輪的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)效果已經(jīng)有了明顯的體現(xiàn)。對已有的課程進(jìn)行改革，從《工程識(shí)圖》、《工程概預(yù)算》、《工程項(xiàng)目管理》以及《工程施工》四門課程入手，將BIM模型的三維構(gòu)件運(yùn)用到《工程識(shí)圖》和《工程概預(yù)算》課堂教學(xué)中，學(xué)生通過直觀生動(dòng)的三維模型，掌握構(gòu)件類型，結(jié)構(gòu)形式； 從三維鋼筋模型能夠清晰地看到配筋情況、連接形式等。將模型賦予的施工組織進(jìn)度計(jì)劃、工程資源配置以及工程流水施工的可視化仿真模擬，使《施工組織》和《工程項(xiàng)目管理》的課堂變?yōu)槭┕がF(xiàn)場，學(xué)生有身臨其境的感覺，仿佛實(shí)地考察，讓課堂變得生動(dòng)有趣，改變了專業(yè)課程傳統(tǒng)教學(xué)的枯燥乏味狀態(tài)，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，教師輔助引導(dǎo)的新教學(xué)模式，通過對以上課程的改革，積累了BIM教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)的課程改革提供支持。

從2013年成立BIM研究所開始，學(xué)院不斷加大BIM技術(shù)的軟硬件投入力度， 2013年建成工程管理實(shí)訓(xùn)機(jī)房，能夠滿足60人同時(shí)上機(jī)建模，主要承擔(dān)BIM工程造價(jià)應(yīng)用課程的教學(xué)； 2015年BIM實(shí)訓(xùn)中心建成，涵蓋了BIM土建、鋼筋、市政、鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)的全套軟件，能夠滿足7組40人同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模學(xué)習(xí)和比賽。通過BIM興趣小組的形式，將熱愛BIM技術(shù)的同學(xué)形成團(tuán)隊(duì)，利用課余時(shí)間進(jìn)行Revit以及廣聯(lián)達(dá)軟件的學(xué)習(xí)，參加全國高校BIM算量大賽、工程管理沙盤大賽和BIM畢設(shè)大賽等眾多大型賽事，截止到2019年6月，已經(jīng)參與各級各類大賽10余次，獲得各類獎(jiǎng)項(xiàng)23項(xiàng)。通過參加比賽和學(xué)術(shù)會(huì)議與其他高校進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，總結(jié)大賽經(jīng)驗(yàn)，為2019年培養(yǎng)方案的修訂和課程改革做好準(zhǔn)備工作。學(xué)院擬將BIM+VR技術(shù)和招投標(biāo)軟件應(yīng)用到一些專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)踐中。一方面不僅能調(diào)動(dòng)學(xué)生聽課的積極性和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，改善教學(xué)效果，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，而且能有效地提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，另一方面也為土木行業(yè)培養(yǎng)專門的技術(shù)人才。

3 教學(xué)實(shí)踐

3.1 課程設(shè)計(jì)

根據(jù)專業(yè)發(fā)展需要，學(xué)院利用BIM技術(shù)的可視化、協(xié)調(diào)性、可出圖、動(dòng)態(tài)施工模擬等優(yōu)點(diǎn)，通過2015年和2017年對培養(yǎng)方案進(jìn)行個(gè)別科目的修訂和課程改革，總結(jié)幾年的教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)，于2019年對培養(yǎng)方案進(jìn)行了全面的修訂，結(jié)合新工科發(fā)展趨勢和專業(yè)認(rèn)證的要求將對以下課程進(jìn)行改革：《房屋建筑學(xué)》、《鋼筋混凝土與砌體結(jié)構(gòu)》、《鋼結(jié)構(gòu)》、《橋梁工程》和《古建筑木作營造技術(shù)》。充分利用Revit動(dòng)態(tài)可視化和能出圖的優(yōu)點(diǎn)，將課程中的難理解或者不容易表達(dá)的知識(shí)點(diǎn)，制作成微課的形式，清晰、生動(dòng)、形象地展示給學(xué)生，提高課堂的學(xué)習(xí)效果，以《房屋建筑學(xué)》、《鋼筋混凝土與砌體結(jié)構(gòu)》為例，課程改革前后對比如表1所示。

橋梁方向：《鋼結(jié)構(gòu)橋梁》是橋梁工程方向的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，結(jié)合BIM的4D功能利用Revit、Navisworks把工程信息集成到橋梁信息模型中，利用模型的可視化對橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬與虛擬建造。利用夢龍網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃軟件將施工進(jìn)度數(shù)據(jù)與工程建造的流水段對應(yīng)設(shè)置好，可以直接進(jìn)行施工過程的動(dòng)態(tài)演示。

巖土專業(yè)方向：將《工程地質(zhì)》和《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》課程進(jìn)行改革，將專業(yè)地質(zhì)軟件CATIA和Revit軟件融入到課程當(dāng)中，為了保證模型的精度，通過對地層勘探分析、遙感數(shù)據(jù)整理，建立精細(xì)的三維地質(zhì)模型； 對于工業(yè)與民用建筑、管線及設(shè)備等結(jié)構(gòu)，可以使用REVIT進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，更方便快捷。通過模型反映地下空間變化規(guī)律，為地下工程、道路規(guī)劃和地面建設(shè)等提供空間信息支持，改變課程的講授模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

表1 課程改革前后對比

歷史建筑保護(hù)專業(yè)：我國有著悠久的歷史文化，表現(xiàn)在建筑上也是十分得明顯，從古至今歷朝歷代都有自己的特色建筑，有些古建筑保存完好，有些古建筑已經(jīng)損毀，需要修繕或者復(fù)建，利用BIM技術(shù)對于古建筑的修繕意義重大。結(jié)合學(xué)院情況，針對《古建筑木作營造技術(shù)》、《古建筑瓦石營法》和《古建筑修繕技術(shù)》三門課程進(jìn)行改革，把BIM建模技術(shù)融入到課程當(dāng)中，對損毀的古建筑進(jìn)行建模復(fù)原，為培養(yǎng)大批古建筑修繕的專業(yè)人才打下基礎(chǔ)，學(xué)院成立歷史建筑保護(hù)研究所，專業(yè)教師將古建筑的信息存檔，并提供技術(shù)支持。

課程改革體系圖如圖1所示：

圖1 專業(yè)課程改革體系圖

3.2 實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)

利用每學(xué)年的短學(xué)期實(shí)踐環(huán)節(jié)，對融入BIM技術(shù)的相關(guān)課程進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)，通過具體工程項(xiàng)目的實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生掌握BIM建模技術(shù)和虛擬建造。親自動(dòng)手進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度計(jì)劃，完成項(xiàng)目的施工項(xiàng)目管理。完成課程實(shí)訓(xùn)的方式可以采取校內(nèi)和校外相結(jié)合的方式，校內(nèi)通過學(xué)校統(tǒng)一安排的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，按時(shí)完成； 校外，通過校企合作單位或者學(xué)生自主聯(lián)系實(shí)訓(xùn)單位進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)，鞏固課堂內(nèi)容與行業(yè)需求相銜接，使學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)了解社會(huì)對專業(yè)方向的需求。

3.3 以賽促學(xué)

為了使學(xué)生進(jìn)一步了解數(shù)字時(shí)代建筑業(yè)融合數(shù)字化、智能化、綠色節(jié)能環(huán)保的新特征，以及新時(shí)代背景下建筑行業(yè)對新型技術(shù)人才的需求，教育引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和提高專業(yè)素養(yǎng)和能力，應(yīng)用BIM+VR技術(shù)推進(jìn)教學(xué)手段的改革和教學(xué)方法的創(chuàng)新，加強(qiáng)高素質(zhì)專業(yè)人才的培養(yǎng)，提高就業(yè)質(zhì)量。學(xué)院與廣聯(lián)達(dá)科技股份有限公司、展視網(wǎng)(北京)科技有限公司、北京睿格致科技有限公司聯(lián)合舉辦了“BIMVR活動(dòng)虛擬建造極限任務(wù)挑戰(zhàn)賽”。參賽團(tuán)隊(duì)經(jīng)過4天的極限挑戰(zhàn)完成作品，以現(xiàn)場答辯的形式進(jìn)行作品展示與匯報(bào)，比賽極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并培養(yǎng)了學(xué)生們短時(shí)間內(nèi)完成艱巨任務(wù)的刻苦奮斗精神。

3.4 畢業(yè)設(shè)計(jì)

學(xué)院將BIM作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的一個(gè)方向已經(jīng)有四年，通過歷年畢業(yè)設(shè)計(jì)成果質(zhì)量可以看出，學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣選擇畢業(yè)設(shè)計(jì)方向，充分調(diào)動(dòng)了積極性和主動(dòng)性，并能夠認(rèn)真完成要求的內(nèi)容。另外，學(xué)院在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)同樣也采取校企聯(lián)合培養(yǎng)的方式，企業(yè)提供BIM實(shí)習(xí)的職位，學(xué)生通過實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。從企業(yè)的角度看，可以是訂單式培養(yǎng)，通過畢設(shè)環(huán)節(jié)企業(yè)可以擇優(yōu)錄取需要的人才，學(xué)生也可以選擇自己心儀的工作單位，省去企業(yè)招人和學(xué)生四處奔波找工作的環(huán)節(jié)，節(jié)約社會(huì)成本。BIM技術(shù)涉及復(fù)雜的多專業(yè)知識(shí)和數(shù)據(jù)信息，完成協(xié)同工作，需要全專業(yè)的指導(dǎo)教師才能保證畢設(shè)工作的順利開展，因此要培養(yǎng)大量的適應(yīng)社會(huì)需求的BIM人才，對師資隊(duì)伍的要求也很高，也是高校教育改革的一個(gè)重要方面。

4 總結(jié)

4.1 BIM技術(shù)應(yīng)用廣泛

新工科背景下，各專業(yè)的交叉融合，相信BIM技術(shù)會(huì)有更高更廣的發(fā)展空間。例如：綠色建筑通過BIM技術(shù)對光能、熱傳導(dǎo)、能耗和污染結(jié)合起來； 大數(shù)據(jù)時(shí)代，將BIM技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)結(jié)合起來； BIM技術(shù)與3D模型打印對接，實(shí)現(xiàn)無紙化建造。因此，在今后的一段時(shí)間內(nèi)，行業(yè)對BIM人才的需求會(huì)保持持續(xù)增長的狀態(tài)。

4.2 高校BIM教育存在難點(diǎn)

BIM技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的多專業(yè)多技術(shù)的總稱，高校將BIM技術(shù)融入到課堂教學(xué)中，需要有充足的經(jīng)費(fèi)和教學(xué)場地支持。BIM軟件的購置費(fèi)用，支持建模軟件、動(dòng)態(tài)可視化模擬軟件正常運(yùn)行的計(jì)算機(jī)設(shè)備以及實(shí)訓(xùn)場地都是制約BIM教學(xué)開展的重要因素。

4.3 師資水平要求高

培養(yǎng)專業(yè)的BIM教學(xué)團(tuán)隊(duì)，是保證BIM技術(shù)在高校中順利展開的充分必要條件，就目前學(xué)校的情況而言，老教師不愿意通過學(xué)習(xí)新的軟件來改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，動(dòng)力不足，年輕教師則面臨講授新課和科研壓力沒有太多精力去學(xué)習(xí)眾多專業(yè)軟件，所以導(dǎo)致BIM專業(yè)技能教師培養(yǎng)難度大，數(shù)量嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀。如何調(diào)動(dòng)教師的積極性，是今后教育教學(xué)改革中需要重點(diǎn)思考的問題。

4.4 高校傳統(tǒng)教學(xué)老化

目前國內(nèi)仍然有很多高校沒有將BIM技術(shù)融入到課堂教學(xué)當(dāng)中，教學(xué)手段和教學(xué)方法依然采用傳統(tǒng)方式，更新緩慢，主要原因還是辦學(xué)經(jīng)費(fèi)不足，師資力量不夠，人才培養(yǎng)與企業(yè)需求沒有有機(jī)融合，導(dǎo)致教學(xué)水平提高緩慢，教學(xué)內(nèi)容陳舊、專業(yè)競爭力不強(qiáng)，因此培養(yǎng)出來的學(xué)生實(shí)用性不強(qiáng)。

4.5 BIM教學(xué)改革的工作計(jì)劃

基于以上原因，高校需要從自身情況出發(fā)，采取行之有效的措施，一方面，充分調(diào)動(dòng)教師掌握BIM技術(shù)的積極性，通過加強(qiáng)打造金課，砍掉水課，利用微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下相結(jié)合的育人模式，通過申請帶經(jīng)費(fèi)的項(xiàng)目或改變教學(xué)方式提交教學(xué)質(zhì)量，抱團(tuán)組隊(duì)提高教學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研水平，實(shí)現(xiàn)教研融合，科研成果良性產(chǎn)出，培養(yǎng)符合行業(yè)需求的高水平應(yīng)用型人才。另一方面，在后續(xù)教學(xué)中加大BIM類相關(guān)課程的改革，逐步實(shí)現(xiàn)線上線下授課的全覆蓋，增加學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。加強(qiáng)校企合作，增加校外BIM實(shí)踐基地建設(shè)，給學(xué)生更多參與實(shí)際工程的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生到企業(yè)工作人員的順利轉(zhuǎn)變，加快進(jìn)入工作狀態(tài)。