基于BIM的土木工程課程體系及教學(xué)方法改革

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，宜昌 443002)

引言

建筑信息模型(BIM)在近十年迅速發(fā)展，其發(fā)展推動了整個土木建筑行業(yè)新的變革[1]。BIM技術(shù)在項目設(shè)計、施工及后期管養(yǎng)階段的應(yīng)用將有利于提升項目質(zhì)量、縮短工期和降低建造成本[2]。我國政府十分重視BIM的推廣應(yīng)用，從戰(zhàn)略高度部署B(yǎng)IM發(fā)展綱要、積極推動BIM國家標(biāo)準(zhǔn)的制定[3]。如同CAD，BIM將成為土木建筑行業(yè)高效安全發(fā)展的重要手段，然而當(dāng)前行業(yè)企業(yè)對BIM技術(shù)人才需求旺盛與BIM人才緊缺的矛盾日益突出，以往高校培養(yǎng)的人才基本不具備BIM知識背景。自2004年我國首個BIM實驗室成立以來，發(fā)展緩慢，直到2010年清華大學(xué)才首次提出我國建筑信息模型標(biāo)準(zhǔn)框架，2011年，首個由高校牽頭的BIM工程中心在華中科技大學(xué)成立，之后BIM才在各高校逐步得到重視和推廣。2012年中國圖學(xué)學(xué)會面向高校學(xué)生開展BIM技能等級考試，隨后各類全國性BIM大賽如火如荼進行，這些舉措促進了高校學(xué)生對BIM學(xué)習(xí)的熱情[4]。然而由于BIM是一門新技術(shù)，很多高校人才培養(yǎng)方案中并沒有涉及BIM相關(guān)課程，且BIM技術(shù)具有綜合性和系統(tǒng)性，很難通過開設(shè)一門課程便掌握BIM技術(shù)，這與土木工程專業(yè)課程的學(xué)習(xí)方式存在一定差異。因此肩負(fù)人才培養(yǎng)重任的高校如何順應(yīng)市場需求，從土木工程人才培養(yǎng)方案的修訂、土木工程教學(xué)體系改革及BIM技術(shù)教學(xué)方式方法改進等方面開展研究，真正培養(yǎng)出一批具有較強BIM素養(yǎng)的專業(yè)技術(shù)人才，這是一個值得探討的課題。

1 融入BIM的土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案

人才培養(yǎng)方案是高校實施人才培養(yǎng)的基本依據(jù)，人才培養(yǎng)方案總是針對新條件下出現(xiàn)的新問題、新挑戰(zhàn)并結(jié)合各校自身特點不斷修訂和完善[5]。實行“大類招生”和“壓縮學(xué)分”是新時期土木工程人才培養(yǎng)的新要求，即在“寬口徑”的模式下盡量減少理論課程教學(xué)時間，讓學(xué)生有更多自主學(xué)習(xí)時間[6]。在此基礎(chǔ)上，我校根據(jù)對其它高校調(diào)研及行業(yè)、企業(yè)專家的建議，計劃將BIM融入到土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案，為實現(xiàn)上述目標(biāo)，我校于2017年進行了人才培養(yǎng)方案的修訂工作。

我?！巴聊竟こ獭睂I(yè)實行大類招生，為克服大類招生廣而不專的問題，在土木工程下分三個專業(yè)方向，即建筑工程、道路與橋梁工程、巖土與地下工程。在學(xué)院引導(dǎo)下，學(xué)生在大二下學(xué)期根據(jù)個人意愿實現(xiàn)專業(yè)方向分流。在“壓縮學(xué)分”方面，由于土木工程課程范圍廣、課程難度大、對理論知識及專業(yè)技術(shù)能力要求高等特點，如何在壓縮學(xué)分時不減少課程內(nèi)容，保證學(xué)生知識體系的完整性，我校實行按“知識點”重組課程，減少課程間重復(fù)內(nèi)容，優(yōu)化理論課程與實踐課程之間的搭配和銜接，最終將最低課程教學(xué)總分?jǐn)?shù)控制在170學(xué)分。在“大類招生”和“少學(xué)分”的限制下，在壓縮其它課程的情況下增加BIM相關(guān)課程，在綜合考慮課程設(shè)置的合理性后，在新版培養(yǎng)方案中增設(shè)了《BIM技術(shù)基礎(chǔ)》專業(yè)必修課和《BIM技術(shù)應(yīng)用》專業(yè)選修課兩門課程，其中《BIM技術(shù)基礎(chǔ)》主要講授BIM基本概念、發(fā)展歷程、標(biāo)準(zhǔn)和軟件，以及BIM在建設(shè)項目的基本應(yīng)用等內(nèi)容，使學(xué)生能較系統(tǒng)、全面地掌握BIM的基本理論與方法，該課程適合土木工程各專業(yè)方向。《BIM技術(shù)應(yīng)用》結(jié)合各專業(yè)方向，講授項目不同階段如何應(yīng)用BIM技術(shù)為項目服務(wù)，以經(jīng)典應(yīng)用案例為依托，通過項目實訓(xùn)來培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力，該課程要針對土木工程不同專業(yè)方向進行案例設(shè)計和項目實訓(xùn)。同時新方案還鼓勵教師盡快掌握BIM相關(guān)技術(shù)，將BIM作為一種輔助性手段應(yīng)用于課堂專業(yè)課程的教學(xué)中； 鼓勵學(xué)生多參加BIM設(shè)計大賽，通過比賽強化學(xué)生實戰(zhàn)能力，培養(yǎng)學(xué)生BIM技術(shù)綜合應(yīng)用能力。

新方案特色在于突出了BIM在教學(xué)中的地位，在壓縮傳統(tǒng)專業(yè)課程學(xué)分的基礎(chǔ)上增設(shè)了BIM相關(guān)課程，從BIM基礎(chǔ)到BIM應(yīng)用分階段分層次提高學(xué)生的BIM綜合應(yīng)用能力。新方案還十分強調(diào)BIM技術(shù)在教學(xué)中的作用，利用BIM技術(shù)開發(fā)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，以改善傳統(tǒng)教學(xué)信息量不足、可視化不強等弊端。

2 基于BIM技術(shù)輔助教學(xué)的土木工程課程體系

我校除了增設(shè)BIM相關(guān)課程外，還鼓勵教師在專業(yè)核心課程、拓展課程以及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中利用BIM技術(shù)進行教學(xué)設(shè)計。利用BIM強大的三維可視化功能，制作精美的教學(xué)課件和視頻動畫，一方面可以改進教學(xué)手段，更加形象直觀地展示關(guān)鍵技術(shù)問題，另一方面也可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率及學(xué)習(xí)熱情，克服了BIM技術(shù)在土木工程教學(xué)中“引入難”的問題。

為了更好地授課，教師積極參加學(xué)校組織的各種BIM技術(shù)學(xué)習(xí)培訓(xùn)，并嘗試在專業(yè)課程教學(xué)中引入BIM技術(shù)作為輔助教學(xué)手段，重新進行教學(xué)設(shè)計并梳理授課內(nèi)容。例如在《土木工程概論》教學(xué)中，采用BIM制作各類工程結(jié)構(gòu)的三維立體模型，建立模型庫，形象地向?qū)W生展示各類土木工程結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以十分容易地從總體上把握土木工程各類結(jié)構(gòu)分類及特點； 在《畫法幾何》《土木工程制圖》課程教學(xué)中，傳統(tǒng)的方法是讓學(xué)生根據(jù)三視圖來空間想象實際結(jié)構(gòu)的組成，空間想象力偏弱的學(xué)生學(xué)習(xí)該課程感覺很吃力，可采用BIM技術(shù)進行三維建模，通過輔助的三維模型能清晰展示各部分的組成，幫助學(xué)生加深對結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置關(guān)系的理解； 在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》《混凝土結(jié)構(gòu)》《橋梁工程》《房屋建筑學(xué)》等課程教學(xué)中，其學(xué)習(xí)難點往往是對結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造不清楚，因此用BIM技術(shù)重點建立細(xì)部構(gòu)造模型庫，這對輔助學(xué)生加深對土木工程結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造的理解大有裨益。在《工程項目管理》《土木工程施工》等課程教學(xué)中，利用BIM建立施工過程動態(tài)模型，對施工場景進行模擬，以幫助學(xué)生掌握土木工程施工工法，同時引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)從施工進度、質(zhì)量、建設(shè)成本等方面進行的精細(xì)化項目管理[7]。

圖1 與BIM相關(guān)的課程體系

在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，BIM技術(shù)具有與生俱來的優(yōu)越性，利用BIM技術(shù)可以構(gòu)建高度仿真的虛擬工程環(huán)境，學(xué)生可在虛擬仿真實驗室觀看整個項目的建造過程，了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造； 另一方面，學(xué)生在現(xiàn)場參觀實際工程項目后，也可在虛擬仿真實驗室自己動手創(chuàng)建BIM模型以重現(xiàn)實際工程項目，以培養(yǎng)學(xué)生利用BIM技術(shù)進行工程實踐的綜合能力。BIM技術(shù)服務(wù)于實踐教學(xué)有利于克服現(xiàn)場實習(xí)的片面性、場地的局限性及實習(xí)經(jīng)費的不足，其提供的超真實、可靠、經(jīng)濟、安全的實習(xí)環(huán)境是現(xiàn)場實習(xí)所不具備的[8]。將虛擬仿真與現(xiàn)場實習(xí)實踐有機結(jié)合起來，可以有效解決實踐條件不足、實習(xí)經(jīng)費不足、安全難以保障等問題，對于提升土木工程專業(yè)學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力有著重要作用。

基于BIM技術(shù)輔助的土木工程教學(xué)體系不僅提高了教師的教學(xué)水平，而且讓學(xué)生在掌握專業(yè)知識時潛移默化地熟悉BIM技術(shù)的應(yīng)用，提高了土木工程專業(yè)課程教學(xué)效果，也克服了BIM技術(shù)在教學(xué)中“引入難”的問題。我校在土木工程專業(yè)課程教學(xué)中，增加BIM教學(xué)內(nèi)容的課程體系如圖1所示。

圖1中與BIM相關(guān)的課程體系有效實施的關(guān)鍵是積極探索能與BIM技術(shù)有效融合的教學(xué)內(nèi)容。任課教師應(yīng)結(jié)合各課程特點基于BIM技術(shù)開發(fā)豐富多彩的可視化教學(xué)資源，如在《橋梁工程》教學(xué)中，可在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力體系、懸臂施工法、各橋型總體構(gòu)造及細(xì)部構(gòu)造等方面采用BIM技術(shù)開發(fā)教學(xué)資源，在課堂教學(xué)中應(yīng)用，將復(fù)雜抽象的結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡化為學(xué)生喜聞樂見的可視化模型，提高了教學(xué)效果和學(xué)習(xí)興趣，有效改善目前教學(xué)手段單一、落后的局面[9]。

將BIM技術(shù)作為輔助教學(xué)手段應(yīng)用于專業(yè)課程教學(xué)中取得了良好的教學(xué)效果，一方面解決了傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的枯燥乏味、復(fù)雜問題難以形象描述等問題；另一方面通過展示利用BIM技術(shù)開發(fā)的教學(xué)資源，讓學(xué)生了解BIM技術(shù)的強大功能及在土木工程各領(lǐng)域中的應(yīng)用，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)BIM的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用BIM技術(shù)解決工程問題的意識和素養(yǎng)。

3 分層次、分階段BIM技術(shù)教學(xué)方法

通過土木工程課程體系及培養(yǎng)方案的改革，BIM技術(shù)按循序漸進的原則分兩個層次融入到專業(yè)課程學(xué)習(xí)中。專業(yè)任課教師在教學(xué)層次上結(jié)合BIM技術(shù)制作形象、直觀、信息量豐富的課件及三維模型，一方面改善了教學(xué)效果，另一方面讓學(xué)生對BIM的強大功能有初步了解，從而激發(fā)了學(xué)習(xí)BIM的熱情。學(xué)生在課程學(xué)習(xí)層次上要按照人才培養(yǎng)方案深入、系統(tǒng)地學(xué)習(xí)BIM課程知識，從基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)逐漸向設(shè)計、實踐及綜合應(yīng)用環(huán)節(jié)過渡。

BIM 教學(xué)可分三階段進行，即基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段、提高階段及項目實訓(xùn)階段。在第五學(xué)期開設(shè)《BIM 技術(shù)基礎(chǔ)》必修課程，通過講授BIM的基本原理及相關(guān)軟件，使學(xué)生掌握BIM的基本概念和軟件的操作方法，并能利用BIM軟件建立簡單的模型。第六學(xué)期開設(shè)《BIM 技術(shù)應(yīng)用》選修課程，分別針對房屋建筑工程、道路橋梁工程、巖土與地下工程等不同專業(yè)方向開設(shè)，旨在結(jié)合專業(yè)方向強化學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。針對BIM學(xué)習(xí)興趣濃厚或?qū)IM作為未來職業(yè)發(fā)展方向的學(xué)生，計劃加入成本管理、項目管理、造價管理知識以培養(yǎng)知識面更廣、綜合能力更強的高端BIM人才[10]。在此基礎(chǔ)上，在畢業(yè)實習(xí)及畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)增加BIM技術(shù)的項目實訓(xùn)，針對實際項目，在項目規(guī)劃、方案設(shè)計、細(xì)部構(gòu)造、施工工法及項目管理等方面采用BIM技術(shù)完成預(yù)定任務(wù)。如圖2所示。

圖2 分層次分階段BIM教學(xué)法

在我校土木工程專業(yè)教學(xué)改革中，為培養(yǎng)具有扎實的BIM知識背景的專業(yè)人才，形成了兩層次、三階段BIM教學(xué)法。通過在各專業(yè)課程中融入BIM技術(shù)和開設(shè)專門的BIM課程兩個層次將BIM貫穿專業(yè)學(xué)習(xí)的始終； 在不同學(xué)期分三階段開設(shè)從BIM基礎(chǔ)到項目實訓(xùn)的課程，通過系統(tǒng)專門的BIM訓(xùn)練，以期培養(yǎng)一批綜合應(yīng)用能力強的BIM人才，滿足用人單位對BIM人才的需求。

4 結(jié)語

培養(yǎng)具有BIM知識背景的土木工程專業(yè)人才已迫在眉睫，我校順應(yīng)市場需求對人才培養(yǎng)方案進行了修訂，在“壓縮學(xué)分”情況下增設(shè)BIM相關(guān)課程。從人才培養(yǎng)方案、BIM課程體系、BIM教學(xué)方法等方面積極探索和實踐，以期培養(yǎng)BIM基礎(chǔ)扎實、實踐應(yīng)用能力強的土木工程技術(shù)人才。鼓勵教師利用BIM技術(shù)輔助教學(xué)，開展分層次、分階段的BIM教學(xué)方法，積極開展BIM技能認(rèn)證等舉措，有力地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生的BIM應(yīng)用水平大幅度提高，獲得用人單位廣泛認(rèn)可，整體效果良好。