融入BIM技術(shù)的教學(xué)模式研究
——以通風(fēng)與空調(diào)工程課程為例

董昭 陳鑫 周巖 李閩 周麗 劉清

（武漢商學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 湖北·武漢 430000）

0 引言

美國國家標(biāo)準(zhǔn)對BIM解釋是：創(chuàng)建一個共享知識資源，用數(shù)字化方法表達(dá)一個設(shè)施的物理功能特性，通過分享這個設(shè)施相關(guān)信息，達(dá)到這個設(shè)施在整個生命周期中為所有對策提供可靠依據(jù)。同時在設(shè)施建設(shè)的不同階段，讓各個參與者在設(shè)施模型中嵌入、提取、更新和修改信息，以支持參與者各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)。它具有模擬性、協(xié)調(diào)性、可視化、優(yōu)化性、可出圖性等特點(diǎn)。

目前，BIM技術(shù)在國外許多國家得到廣泛應(yīng)用。在美國建筑業(yè)中，BIM應(yīng)用率從2007年的28%達(dá)到了2012年的71%。[1]與之相呼應(yīng)的是，BIM技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用研究也在不斷發(fā)展與完善。超過70%的美國高校將BIM技術(shù)納入到課程教學(xué)中。如：奧本大學(xué)在施工專業(yè)開設(shè)BIM課程，學(xué)生各項(xiàng)能力得到顯著的提高；[2]薩爾福大學(xué)也開設(shè)了BIM相關(guān)課程，幫助學(xué)生提高作業(yè)的完成速度和效率。[3]

我國建筑行業(yè)使用BIM技術(shù)較晚，但BIM技術(shù)在建筑行業(yè)推廣的速度極快，造成了大量的BIM人才崗位空缺。國內(nèi)許多高校也開始意識到將 BIM 技術(shù)融入課堂教學(xué)中，培養(yǎng)新出適應(yīng)建筑行業(yè)發(fā)展的復(fù)合型人才。[4]如清華大學(xué)與廣聯(lián)達(dá)公司共同成立BIM研究中心，以培養(yǎng)學(xué)生BIM軟件實(shí)踐操作能力[5]；大連理工大學(xué)將BIM設(shè)計(jì)融入畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生實(shí)踐能力；[6]哈爾濱工業(yè)大學(xué)開設(shè)BIM創(chuàng)新實(shí)踐課與BIM實(shí)驗(yàn)選修課程，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。[7]從總體上看，BIM技術(shù)融入課堂教學(xué)正在引起國內(nèi)各大高校的注意，但在教育領(lǐng)域中應(yīng)用的深度與廣度還不夠，高校教學(xué)人才培養(yǎng)方式已經(jīng)滯后于行業(yè)發(fā)展，為扭轉(zhuǎn)這一局面，亟須改革現(xiàn)有的課程體系教育模式[8]。

1 融入BIM技術(shù)的通風(fēng)與空調(diào)工程課程的意義

（1）該課程內(nèi)容枯燥，冷負(fù)荷計(jì)算公式繁多，學(xué)生理解困難。利用BIM技術(shù)，通過圖文并茂，并用相應(yīng)的DEST軟件，直接輸入條件即可得出結(jié)果。該方法方便快捷，能節(jié)省不少繁重計(jì)算時間，同時能幫助學(xué)生理解負(fù)荷計(jì)算內(nèi)容。

（2）該課程側(cè)重于理論，部分內(nèi)容內(nèi)已經(jīng)很難適應(yīng)前沿技術(shù)的發(fā)展。利用BIM技術(shù)，結(jié)合前沿技術(shù)，可幫助學(xué)生重新構(gòu)建模型，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新思維，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

（3）以往教學(xué)只通過習(xí)題來強(qiáng)化學(xué)習(xí)，與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系不夠，學(xué)生只能獲得感性認(rèn)識，訓(xùn)練效果不佳。通過BIM技術(shù)，如將氣流組織計(jì)算模擬在三維模型中，更能強(qiáng)化知識的認(rèn)知。

（4）建環(huán)專業(yè)與給排水、電氣專業(yè)聯(lián)系緊密，學(xué)習(xí)BIM技術(shù)，有助于拓展學(xué)生眼界與思路，為今后深入的學(xué)習(xí)和研究打下基礎(chǔ)。

（5）BIM技術(shù)在施工設(shè)計(jì)行業(yè)逐級推廣，對畢業(yè)生要求亦愈來愈高；將BIM技術(shù)與專業(yè)課程對接，可實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識與企業(yè)要求無縫對接，為該專業(yè)良性發(fā)展和學(xué)生就業(yè)前景提供良好保障。

2 BIM技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

在通風(fēng)與空調(diào)工程課程教學(xué)中，BIM主要應(yīng)用在空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算，通風(fēng)管道、空調(diào)冷水、冷凝水管道的布置及碰撞檢查，空調(diào)風(fēng)、水系統(tǒng)的水力計(jì)算，室內(nèi)的氣流組織設(shè)計(jì)以及機(jī)房的設(shè)備的選型與置。在教學(xué)過程中，通過課堂傳導(dǎo)，有意識的將BIM技術(shù)融入課程體系中，幫助學(xué)生理解相關(guān)知識框架與結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)出具備理論性、創(chuàng)新性等能力[9]。

2.1 BIM教學(xué)內(nèi)容分析

2.1.1 空調(diào)負(fù)荷的確定

根據(jù)國家節(jié)能規(guī)范要求要求，空調(diào)負(fù)荷必須按照房間單元逐時計(jì)算。大型建筑內(nèi)部分區(qū)較多、功能復(fù)雜，靠CAD二維圖形計(jì)算負(fù)荷，過程復(fù)雜且精度不夠。而專業(yè)的BIM空調(diào)設(shè)計(jì)軟件，可以將建筑模型數(shù)據(jù)通過三維圖形呈現(xiàn)出來，并可以將相關(guān)數(shù)據(jù)直接輸入到負(fù)荷計(jì)算軟件中，并進(jìn)行計(jì)算。此外，我國地區(qū)較多，氣候環(huán)境復(fù)雜，相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，有的BIM自帶負(fù)荷計(jì)算模塊并沒有包含相應(yīng)的氣候參數(shù)，需要用戶自身調(diào)整相關(guān)參數(shù)，同時也要設(shè)定相應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。在后期的設(shè)計(jì)中，通過建模，可以進(jìn)行能耗模擬，計(jì)算全年空調(diào)能耗，看是否符合地方節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.2 空調(diào)水管、風(fēng)管的布置與碰撞檢查

空調(diào)設(shè)計(jì)中水管、風(fēng)管的管徑選取與布置除了要滿足水力平衡要求外，還要盡可能的保證安裝方便。在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，往往只滿足水力平衡條件，簡單粗暴地體現(xiàn)在CAD圖紙中即可。但在實(shí)際施工現(xiàn)場中，安裝條件嚴(yán)苛，往往出現(xiàn)管道打架的情形。因此，在教學(xué)過程中引入BIM建模，將管道連接、升降、爬坡、閥件彎頭的布置鏈接到一起進(jìn)行集成，通過設(shè)置碰撞實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行碰撞模擬，檢查管路碰撞情況，然后不斷調(diào)整交叉碰撞管路參數(shù)，直至符合要求。BIM模型可以多角度旋轉(zhuǎn)觀察，還可以進(jìn)行勾踐拆分，在教學(xué)過程中完全可以摒棄二維圖紙進(jìn)行講解，通過對三維視角的講解，學(xué)生學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果將獲得大力提升。

2.1.3 空調(diào)系統(tǒng)水力計(jì)算

根據(jù)水力計(jì)算方法結(jié)合碰撞實(shí)驗(yàn)，將模型數(shù)據(jù)輸入軟件中，根據(jù)最不利環(huán)路比摩阻，計(jì)算確定管徑，并對整個并聯(lián)回路進(jìn)行阻力平衡分析與調(diào)整，使之滿足水利平衡要求。

2.1.4 氣流組織的確定

在通風(fēng)章節(jié)中，傳統(tǒng)的PPT講授只能局限在一般的計(jì)算過程，對計(jì)算后的結(jié)果合理性無法進(jìn)行驗(yàn)證，最終學(xué)生對氣流組織相關(guān)知識無法深刻理解。采用BIM可視化功能，將氣流組織計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模擬，可以很好地驗(yàn)證所得結(jié)果是否合理。例如，在驗(yàn)證貼附射流氣流狀況時，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果，不斷調(diào)整貼附射流風(fēng)口個數(shù)、高度以及出口風(fēng)速等參數(shù)，在軟件中模擬室內(nèi)的氣流狀況，分析不同設(shè)計(jì)對室內(nèi)空氣流動的影響。在噴口送風(fēng)中，可以調(diào)整噴口角度，模擬出整個空間空氣流場分布情況，得出最佳的噴射角度。這些能幫助學(xué)生理解各種因素對室內(nèi)氣流組織的影響，也能夠幫助學(xué)生深刻理解到速度場對維持房間參數(shù)的恒定起著至關(guān)重要的作用。

2.1.5 機(jī)房設(shè)備的布置與設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的教學(xué)方式中，教師都是使用二維圖紙來表達(dá)機(jī)房設(shè)備之間的空間關(guān)系，這種方式抽象難懂，有些空間能力不強(qiáng)的學(xué)生不能很好理解，無法表達(dá)出設(shè)備之間的作用以及內(nèi)部的工作原理。將BIM引入教學(xué)中，利用BIM軟件建模，可以使得模型與真實(shí)設(shè)備外觀一致，通過構(gòu)建及族的拆解，為學(xué)生展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，甚至可以通過動畫的方式演示整個系統(tǒng)的運(yùn)行過程。在教師利用三維模型講授空調(diào)系統(tǒng)原理，空調(diào)系統(tǒng)形式如何根據(jù)機(jī)房特點(diǎn)進(jìn)行選擇這些知識時，無形中就把相關(guān)的空調(diào)設(shè)計(jì)過程傳授給學(xué)生，這種潛移默化過程中，加深對知識點(diǎn)的理解、聯(lián)系與遷移。

2.2 教學(xué)改革

2.2.1 教學(xué)手段改革

隨著BIM技術(shù)不斷引入課堂，勢必要對課程大綱，教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行改動。在滿足教學(xué)計(jì)劃的前提，在課堂授課中，增加必要的BIM環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)可以利用課后大作業(yè)的方式，讓學(xué)生以小組或者團(tuán)隊(duì)完成。例如針對氣流組織章節(jié)，可提前劃分幾個小組，針對某個用戶環(huán)境，每個小組做不同類型的氣流組織方案模擬，以抽簽的方式讓他們計(jì)算并模擬出貼附送風(fēng)、散流器送風(fēng)、孔口送風(fēng)、噴口送風(fēng)過程，并得出最后得結(jié)論。通過這種聯(lián)系，加深對BIM技術(shù)的應(yīng)用能力，既可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又可以提高學(xué)生動手能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及解決工程實(shí)際問題的能力。

2.2.2 考核方式的改革

針對學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)，對平時成績進(jìn)行調(diào)整，削減部分考試環(huán)節(jié)比例，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)，具體方案可以采用平時考勤加課堂表現(xiàn)占比10%；實(shí)踐環(huán)節(jié)采用設(shè)計(jì)作品的形式，其分值占比30%；期末考試采用線上加線下模式，線下為理論知識考試，占比30%；線上完成相關(guān)BIM某個環(huán)節(jié)操作，如氣流組織設(shè)計(jì)中出調(diào)整最優(yōu)風(fēng)口設(shè)置，碰撞檢查實(shí)驗(yàn)等，該分?jǐn)?shù)占總比30%。

2.2.3 教學(xué)平臺建設(shè)

我校與廣聯(lián)達(dá)公司在工程造價(jià)課程建設(shè)過程中有過合作，可以借助契機(jī)，進(jìn)一步加強(qiáng)合作。企業(yè)提供培訓(xùn)服務(wù)，為教師或者學(xué)生做好相關(guān)培訓(xùn)。同時通過校企合作方式，與就業(yè)企業(yè)聯(lián)合人才培養(yǎng)模式，企業(yè)為學(xué)校投資，建立相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)室，學(xué)校和企業(yè)共享開放平臺。

2.2.4 用學(xué)科競賽促進(jìn)教學(xué)

本校建環(huán)專業(yè)學(xué)生之前主要參加的是“全國機(jī)械創(chuàng)新大賽”，“全國大學(xué)生節(jié)能減排大賽”等，在BIM領(lǐng)域還未涉及。因此，可以鼓勵學(xué)生參加BIM大賽，學(xué)生自由組隊(duì)，指導(dǎo)老師帶隊(duì)指導(dǎo)的方式，激勵學(xué)生主動學(xué)習(xí)，既豐富學(xué)生的理論知識，又培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

通過將BIM技術(shù)融入通風(fēng)與空調(diào)工程課程中，使得整個教學(xué)過程更加形象、全面，能夠讓學(xué)生學(xué)習(xí)效率更高。另外還可以借助翻轉(zhuǎn)課堂，建立線上和線下混合式教學(xué)，讓學(xué)生獲得足夠的訓(xùn)練，鍛煉學(xué)生綜合創(chuàng)新能力。同時，還可以推廣到相關(guān)課程，可以形成一個教學(xué)系統(tǒng)，整體提高教學(xué)質(zhì)量。其他與建筑相關(guān)專業(yè)也可以根據(jù)自己的特色，還可以適當(dāng)借鑒引用，進(jìn)而提高整體的教學(xué)效果。