BIM技術在地下空間工程實踐教學中的應用

張?zhí)忑?路平 韓銀龍 趙勁松

[摘 要] 為滿足我國城市地下空間建設發(fā)展的需要，在總結城市地下空間工程專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)不足的基礎上，通過分析BIM技術在城市地下空間工程實踐教學中應用的必要性、可行性和有效性，探索了基于BIM的三維模型創(chuàng)建、施工圖深化設計、電子招投標、虛擬施工模擬等實踐教學實施過程。結合校企合作平臺的建設，有效訓練了學生運用BIM技術分析、評價和初步解決復雜地下工程問題的能力，學生的創(chuàng)新思維和實踐能力得到了顯著提升，并且為相關專業(yè)實踐教學提供參考和借鑒。

[關鍵詞] BIM技術;地下空間工程;實踐教學;虛擬施工

[基金項目] 2020年度海南省高等學校教育教學改革研究項目“裝配式建筑視角下BIM協(xié)同型畢業(yè)設計綜合實踐模式創(chuàng)新研究”（Hnjg2020-24）;2020年度海南大學教育教學改革研究項目“裝配式建筑視角下BIM協(xié)同型畢業(yè)設計綜合實踐模式創(chuàng)新研究”（hdjy2018）

[作者簡介] 張?zhí)忑垼?988—），男，山西太原人，工學博士，海南大學土木建筑工程學院講師，主要從事數(shù)字建造與工程防災研究;路 平（1986—），男，河北唐山人，工學博士，海南大學土木建筑工程學院副教授（通信作者），主要從事巖土與地下工程研究;韓銀龍（1990—），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士，國核電力規(guī)劃設計研究院有限公司工程師，主要從事地質勘察與巖土工程研究。

[中圖分類號] G642.0;TU93 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）19-0081-04 [收稿日期] 2021-10-14

近年來隨著我國城市地下空間開發(fā)規(guī)模增長迅速，對緩解城市土地資源緊張壓力，建設宜居城市具有重要意義。2016年住房城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《城市地下空間開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》要求進一步加強人才的培養(yǎng)。截至目前，全國已有85所高等院校開設地下空間工程專業(yè)，也有部分院校在土木工程類招生專業(yè)下設置地下工程方向。該專業(yè)開設時間較短，建設經(jīng)驗不足，人才培養(yǎng)體系仍處于初期探索階段[1，2]。由于地下工程具有隱蔽多樣、規(guī)模龐大、建造周期長、施工技術復雜等特點，同樣導致該專業(yè)的實踐教學難度非常大。

BIM（Building Information Modeling）技術作為一項新型的信息化技術，在國內外建筑業(yè)中得到了廣泛應用。然而，目前我國BIM技術人才缺口較大，尤其是城市地下空間工程與BIM技術復合型人才嚴重匱乏。因此，有必要將BIM技術融入城市地下空間工程專業(yè)各實踐教學課程中，利用其可視化、可出圖、可模擬等優(yōu)點，彌補該專業(yè)實踐教學的不足，有效提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

一、城市地下空間工程專業(yè)實踐教學現(xiàn)狀

實踐教學是學生鞏固理論知識、理論聯(lián)系實際的重要途徑，目前各高等院校城市地下空間工程專業(yè)均開設了較為豐富的實踐教學體系[3，4]，其中包括實習實訓、課程實驗、課程設計和畢業(yè)設計等，通過調研發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

（一）校內實踐教學重視度不夠

大多教師工程經(jīng)驗少，對實踐教學不夠重視，重理論輕實踐現(xiàn)象普遍存在。課程設計方面，指導教師任務書選題難度較低，與實際工程結合度不高，考核形式單一，每年布置內容的重復率較高，導致學生存在抄襲現(xiàn)象。校內實訓基地方面，大多院校實訓室均配有建筑和橋梁實體模型，而城市地下空間工程模型配置較少，如深基坑、隧道工程、地下車站等。并且固定、靜態(tài)的設備與構件模型無法滿足新技術、新設備的更新速度，對學生的理解、掌握和運用的提高十分有限。

（二）校外基地實習效果不佳

由于不同城市的地下空間發(fā)展程度不一致，學生前往大型地下工程施工現(xiàn)場的實習機會并不多，有些城市或區(qū)域甚至沒有地鐵和隧道項目以供學生實習，難以滿足所有課程需要。針對地下工程施工現(xiàn)場的復雜性和風險性，校外企業(yè)大多僅安排以參觀為主的實習，學生看得多、做得少，實習效果難以保證。地下工程規(guī)模大，工期長，受學校實習時間的限制，學生往往只能了解或掌握其中一、兩項施工工藝，無法適應項目全過程實習的要求，校外基地全過程實踐教學難度大。

（三）難以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

實踐教學環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要手段。在目前的城市地下空間工程實踐課程中，實習前往的項目都是正在建設或者已建成的地下工程，學生很難深入?yún)⑴c施工方案的制定，如施工場地、施工人員、施工材料等諸多方面，學生不能將自己所學理論知識和創(chuàng)新理念運用到地下工程實踐中，導致學生無法滿足采用專業(yè)理論知識、交叉學科知識及相關工具，進行復雜工程問題的分析、評價、論證，以及提出初步解決方案的能力目標。

二、BIM技術在城市地下空間工程實踐教學的可行性分析

（一）必要性

在“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”及新工科等背景下，對城市地下空間工程專業(yè)人才的實踐能力和創(chuàng)新能力提出了更高的要求，對該專業(yè)實踐教學模式的創(chuàng)新更加迫切。2015年住房城鄉(xiāng)建設部印發(fā)《關于推進建筑信息模型應用的指導意見》，要求新立項項目在勘察設計、施工、運營維護等全壽命期階段，大力推廣BIM技術應用。2016年住房城鄉(xiāng)建設部印發(fā)《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，要求在“十三五”時期，全面提高BIM等建筑業(yè)信息化水平，注重培育精通BIM等信息技術和工程業(yè)務的復合型人才。因此，在國家相關政策推行背景下，十分有必要將BIM技術引入城市地下空間工程專業(yè)實踐教學體系。

（二）可行性

BIM技術的快速發(fā)展，導致國內外眾多土建類院校將BIM技術引入教學各個領域，據(jù)統(tǒng)計截至2021年9月，在中國知網(wǎng)搜索“BIM教學應用”等相關主題的文獻多達400多篇，其中BIM在全國各院校建筑工程[5]、道橋工程[6]、工程管理[7]等專業(yè)實踐教學中已得到廣泛應用，但是BIM在城市地下空間工程專業(yè)的實踐教學鮮有研究。因此，借鑒BIM技術在建筑工程、道橋工程等土建類相關專業(yè)的實踐教學經(jīng)驗，將其引入城市地下空間工程專業(yè)的實踐教學改革是可行的，本文提出的融入BIM技術的城市地下空間工程專業(yè)實踐教學體系如表1所示。

（三）有效性

BIM的優(yōu)勢在于集成建筑設計、施工和運營維護等項目全過程信息數(shù)據(jù)，并通過三維可視化技術增強學習效果，既緩解了校內實訓模型空缺，也解決了學生想象困難問題。運用BIM可以實現(xiàn)虛擬建造技術，使學生作為項目參與人和管理者，將被動學習改為主動學習，運用相關知識模擬城市地下空間工程的設計、施工等全過程，解決了學生看得多、做得少、實習時間和內容受限等難題，有效保證了實踐教學的效果。與實際建造過程相比，虛擬施工技術允許學生不斷修改錯誤，逐漸優(yōu)化方案，可以使學生大膽地想、大膽地做，提高了學生主動學習的積極性，很大程度鍛煉了學生的創(chuàng)新思維，提高了學生運用所學理論知識和創(chuàng)新理念解決復雜地下工程問題的能力。

三、BIM技術在城市地下空間工程實踐教學的實施

（一）創(chuàng)建三維模型

在城市地下空間工程專業(yè)實踐教學中，各種地下結構類型的課程設計和畢業(yè)設計主要通過CAD輔助設計技術進行設計、分析與計算。CAD作為學生繪圖的工具，不能詳細和全面地提供地下結構的設計模型和具體參數(shù)，最終提交成果容易產(chǎn)生錯漏碰缺。指導教師以實際工程項目為主線，可以通過設計院或施工企業(yè)咨詢項目案例圖紙，作為學生的設計依據(jù)，學生可根據(jù)圖紙自由設計方案并進行計算，最終利用BIM技術將設計成果轉變?yōu)槿S可視化模型，便于學生或教師直觀地發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題并及時糾正，還可以根據(jù)需求調整參數(shù)，從而優(yōu)化和創(chuàng)新設計方案，使得學習效果顯著提升。

（二）施工圖深化設計

在傳統(tǒng)的課程設計和畢業(yè)設計中，學生繪制結構施工圖主要采用平面整體設計方法（平法施工圖）進行鋼筋標注。然而平法標注很難看到鋼筋真實的位置和形狀，二維圖紙表達不直觀，無法直接指導施工。尤其是復雜的空間三維節(jié)點區(qū)域，鋼筋碰撞問題無法通過平面、剖面等簡單幾何關系來解決。在施工圖設計過程中，學生利用BIM技術對鋼筋工程開展施工圖深化設計，建立復雜節(jié)點區(qū)域鋼筋三維模型，實現(xiàn)鋼筋尺寸、形狀及定位精準化模擬，并且可提前進行鋼筋排布碰撞校核，對節(jié)點構造不合理、可能會影響后期施工之處給出調整方案。

（三）電子招投標與虛擬施工模擬

目前包括海南省等部分省市率先要求建筑行業(yè)應用BIM技術開展電子招投標，因此，教師需要對傳統(tǒng)的施工組織課程設計和概預算課程設計進行改革。在商務標編制方面，學生需要建立工程項目BIM模型，然后將其導入國內知名造價軟件如廣聯(lián)達、斯維爾等，完成工程計量和計價文件的編制，相比手算BIM大大縮短了計算時間。在技術標編制方面，學生可以建立“電子工地”，對施工現(xiàn)場的大型機械設備、臨時設施等做出合理的規(guī)劃布置;然后可以編制施工進度計劃，并將進度信息賦予BIM模型，能夠以專業(yè)、樓層、流水段、構件類型等維度進行施工進度動態(tài)模擬，規(guī)避各施工工序沖突，從而有效縮短工期。除此之外，學生可以結合城市地下空間工程項目施工中的重點和難點部位，利用BIM技術進行虛擬施工方案模擬和工藝動畫展示，預先發(fā)現(xiàn)施工過程中可能碰到的問題，提前避免和減少返工。

（四）校企合作實踐教學平臺建設

城市地下空間工程實踐教學過程離不開企業(yè)的合作與支持，復合型人才培養(yǎng)必須深化校企合作力度，共建校企合作實踐教學平臺。筆者所在學校成立BIM工程研究中心，廣泛聯(lián)系對接企業(yè)，積極開展產(chǎn)學研合作，先后承擔大量BIM橫向項目與課題研究，打造了一批教學水平高、實踐能力強的“雙師型”教師隊伍。學校成立了BIM協(xié)會等校級社團，由研究中心教師擔任指導教師，對學生深入開展BIM培訓的同時，組織學生前往企業(yè)開展BIM項目實習，使學生更快地適應企業(yè)的工作模式和技術規(guī)則。在校企合作平臺建設背景下，近幾年，學生BIM綜合實踐能力突飛猛進，先后在“龍圖杯”“優(yōu)路杯”“斯維爾杯”、全國結構設計信息技術大賽、全國BIM畢業(yè)設計大賽中，斬獲特等獎2項、一等獎4項、二等獎及其他獎項若干。

結語

將BIM技術應用到城市地下空間工程專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)中，不僅能彌補傳統(tǒng)實踐教學模式的不足，更能滿足建筑行業(yè)對信息技術和城市地下空間工程業(yè)務復合型人才的迫切需求。學生通過利用BIM技術，開展三維模型創(chuàng)建、施工圖深化設計、電子招投標與虛擬施工模擬等項目全過程應用，提高了學生自主學習的興趣和動力。同時，校企合作實踐教學平臺的建設為學生實踐教學提供了保障和支持，切實提高了學生實踐能力、創(chuàng)新能力和解決復雜工程問題的能力，值得向相關專業(yè)的實踐教學進一步推廣。

參考文獻

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Application of BIM Technology in the Practice Teaching of Underground Space Engineering Major

ZHANG Tian-long1， LU Ping1， HAN Yin-long2， ZHAO Jin-song3

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China;

2. National Nuclear Power Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Beijing 100098， China; 3. School of Architecture， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： To meet the needs of the development of urban underground space construction in China， based on summarizing the insufficiency of the practice teaching of urban underground space engineering major， the necessity， feasibility and effectiveness of applying BIM （building information modeling） technology in the practice teaching of urban underground space engineering major are analyzed. The implementation process of practice teaching is proposed， including BIM-based 3D modelling， the deepened design of construction drawings， the electronic bidding， and the virtual construction simulation. Based on the school-enterprise cooperation platform， the students’ ability of analyzing， evaluating and initially solving complex underground engineering problems has been trained effectively and the students’ innovative thinking and practical ability have been significantly improved， which can provide useful references for the practice teaching of related majors.

Key words： BIM technology; underground space engineering; practice teaching; virtual construction