基于OBE-CDIO的裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)改革

張?zhí)忑?路 平 趙勁松 李 兵

(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，?？?570228； 2.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072)

引言

裝配式建筑指的是用工廠生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件在現(xiàn)場裝配而成的建筑，是工業(yè)化建筑的重要組成部分[1]。由于其具有縮短工期、節(jié)約材料、提升工程質(zhì)量、改善勞動條件、符合節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)，因此國家提出大力發(fā)展裝配式建筑，推動建筑工業(yè)化發(fā)展。裝配式建筑的建造全過程需要全面協(xié)調(diào)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、裝修等各專業(yè)及建設(shè)、生產(chǎn)、施工、監(jiān)理等各單位，相對傳統(tǒng)建筑而言更加系統(tǒng)化，一旦構(gòu)件在現(xiàn)場裝配時(shí)發(fā)生“錯漏碰缺”或“設(shè)計(jì)變更”，返廠返修會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤。而BIM技術(shù)作為整合項(xiàng)目的各種相關(guān)信息的三維數(shù)字模型，可以在裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、建造和管理協(xié)同過程中進(jìn)行相關(guān)信息共享和傳遞，將會有效避免上述弊端[2，3]。2020年武漢火神山和雷神山兩座醫(yī)院從開始設(shè)計(jì)到建成僅歷時(shí)十余天，離不開BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的一體化應(yīng)用。

裝配式建筑推廣和發(fā)展的最大短板是專業(yè)人才嚴(yán)重不足，尤其是裝配式建筑與BIM技術(shù)復(fù)合型一體化人才。目前，全國絕大部分本科高校還未設(shè)置裝配式建筑類專業(yè)或者方向，僅有部分本科高校在土木工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中增設(shè)了裝配式建筑相關(guān)課程。部分高職院校開展了裝配式建筑人才的培養(yǎng)工作，但是課程體系和實(shí)踐教學(xué)均為初期探索階段，且與BIM技術(shù)的結(jié)合度不高。潘洪科等[4]研究了建筑產(chǎn)業(yè)化背景下本科高校裝配式建筑方向人才培養(yǎng)方案與教學(xué)體系改革。茍寒梅等[5]建立了五維協(xié)同的裝配式建筑職業(yè)教育人才培養(yǎng)機(jī)制。劉莉萍等[6]探索了裝配式建筑土木工程施工課程實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)途徑。針對BIM技術(shù)如何融入裝配式建筑理論與實(shí)踐教學(xué)，還鮮有人研究。為培養(yǎng)裝配式建筑與BIM技術(shù)復(fù)合型一體化人才，本文首先分析了現(xiàn)有裝配式建筑理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的不足，基于成果導(dǎo)向的OBE(Outcomes based education)理念，根據(jù)行業(yè)需求提出了裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化BIM能力實(shí)踐目標(biāo)，采用CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate)工程教育模式將實(shí)踐教學(xué)過程分為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作環(huán)節(jié)，建立了基于OBE-CDIO的裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)框架，并通過實(shí)際項(xiàng)目案例應(yīng)用，驗(yàn)證了該實(shí)踐教學(xué)模式的合理性和有效性。

1 裝配式建筑教學(xué)現(xiàn)狀

目前，各院校在裝配式建筑理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中存在以下問題：

1.1 裝配式建筑理論教學(xué)現(xiàn)狀

裝配式建筑人才培養(yǎng)仍處于初期探索階段，專門設(shè)立裝配式建筑相關(guān)專業(yè)和方向的高校非常少。雖然已有部分高校開設(shè)裝配式建筑相關(guān)課程，但是絕大部分僅是在培養(yǎng)方案增加了介紹裝配式建筑的課程，且理論課時(shí)較少。裝配式建筑相關(guān)課程體系和教學(xué)大綱仍不完善，尤其是教材和教學(xué)資源不足，教學(xué)內(nèi)容抽象，絕大多數(shù)老師教學(xué)方式傳統(tǒng)，學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度和互動性不高，無法激發(fā)學(xué)生對裝配式建筑的興趣。

1.2 裝配式建筑實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

由于受設(shè)備、經(jīng)費(fèi)和師資等條件限制，大部分院校的裝配式建筑實(shí)踐教學(xué)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，僅有少數(shù)院校建成了配有裝配式建筑實(shí)體模型的實(shí)訓(xùn)室，但是固定、靜態(tài)的設(shè)備與構(gòu)件模型對學(xué)生的理解、掌握和運(yùn)用能力的提高十分有限。除了參觀預(yù)制構(gòu)件廠以外，學(xué)生能進(jìn)入裝配式建筑實(shí)際項(xiàng)目實(shí)習(xí)的機(jī)會少之又少。另外，我國絕大部分高校的土建類專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了BIM相關(guān)課程，BIM技術(shù)在土建類課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等綜合實(shí)踐中已得到廣泛應(yīng)用，但是與裝配式建筑的結(jié)合度并不高。目前，針對BIM技術(shù)如何融入裝配式建筑的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)還鮮有人研究。

2 基于OBE-CDIO的裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)改革

2.1 OBE-CDIO理念與改革路徑

以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的OBE工程教育理念[7]，首先在美國和澳大利亞等國家應(yīng)用，然后推廣到全球工程教育改革。該理念以學(xué)生為中心，要求教育者必須預(yù)想出學(xué)生畢業(yè)時(shí)所需要的能力與目標(biāo)，然后反向設(shè)計(jì)教育結(jié)構(gòu)來保證學(xué)生達(dá)到預(yù)期效果。以工程項(xiàng)目為載體的CDIO理念[9-11]，指的是從工程師必須具備的基本能力出發(fā)，為學(xué)生提供以真實(shí)世界的產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到運(yùn)作的全生命周期為背景環(huán)境的工程教育模式。CDIO的內(nèi)涵是一種基于工程全周期人才培養(yǎng)模式，以教學(xué)大綱為培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，建立一體化的相互支撐和有機(jī)聯(lián)系的課程體系，通過“以項(xiàng)目為驅(qū)動力”和“做中學(xué)”的方式引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，有效提升學(xué)生的知識水平、個人技能、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和工程系統(tǒng)等綜合能力。

將OBE理念和CDIO工程教育模式有機(jī)結(jié)合，能夠有效培養(yǎng)滿足行業(yè)發(fā)展的工程領(lǐng)域人才[2-14]。本文從裝配式建筑和BIM技術(shù)的應(yīng)用點(diǎn)入手，結(jié)合OBE理念和行業(yè)需求制定了裝配式建筑BIM設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化能力培養(yǎng)目標(biāo)。然后反向設(shè)計(jì)了實(shí)踐教學(xué)實(shí)施框架，合理分配所需的裝配式建筑理論知識點(diǎn)進(jìn)入相關(guān)BIM實(shí)踐環(huán)節(jié)，采用CDIO模式指導(dǎo)實(shí)踐教學(xué)過程，根據(jù)不同階段的學(xué)習(xí)產(chǎn)出結(jié)果進(jìn)行評價(jià)反饋和持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)目標(biāo)和實(shí)踐教學(xué)過程的可持續(xù)發(fā)展，建立的基于OBE-CDIO的裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)改革路徑如圖1所示。

圖1 基于OBE-CDIO的裝配式建筑BIM實(shí)踐 教學(xué)改革路徑

2.2 基于OBE的裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)

OBE理念要求教育者需預(yù)先構(gòu)想出學(xué)生畢業(yè)時(shí)所能達(dá)到的能力和水平，因此作者首先通過調(diào)研設(shè)計(jì)院、預(yù)制構(gòu)件廠、施工企業(yè)等不同企業(yè)對裝配式建筑人才的需求，提煉出裝配式建筑BIM設(shè)計(jì)能力、BIM生產(chǎn)能力和BIM施工能力等一體化實(shí)踐能力目標(biāo)，并以BIM技術(shù)在裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等不同階段的應(yīng)用產(chǎn)出為學(xué)習(xí)導(dǎo)向，合理確定裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)，以學(xué)生為中心，將不同階段的實(shí)踐成果進(jìn)行反饋和評價(jià)，確保學(xué)生能夠掌握基于BIM技術(shù)完成裝配式建筑項(xiàng)目全周期的分析與管理。根據(jù)實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)深入貫徹 OBE 理念，系統(tǒng)整合大多學(xué)校開設(shè)的裝配式建筑理論課程教學(xué)目標(biāo)，反向設(shè)計(jì)出裝配式建筑BIM實(shí)踐課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，將能力培養(yǎng)始終作為教學(xué)目標(biāo)落實(shí)到具體教學(xué)內(nèi)容中，如圖2所示。其中裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)包括：

圖2 基于OBE的裝配式建筑BIM一體化 實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)

(1)裝配式建筑BIM設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生掌握運(yùn)用BIM進(jìn)行裝配式建筑方案設(shè)計(jì)和建模的能力； 掌握運(yùn)用BIM進(jìn)行開展裝配式建筑荷載布置、結(jié)構(gòu)分析和構(gòu)件驗(yàn)算的能力； 掌握運(yùn)用BIM進(jìn)行裝配式建筑節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和預(yù)制構(gòu)件拆分設(shè)計(jì)的能力。

(2)裝配式建筑BIM生產(chǎn)能力培養(yǎng)目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生掌握運(yùn)用BIM進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件深化和模具設(shè)計(jì)的能力； 掌握運(yùn)用BIM模擬預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程的能力。

(3)裝配式建筑BIM施工能力培養(yǎng)目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)生掌握運(yùn)用BIM進(jìn)行裝配式建筑施工場地規(guī)劃布置的能力； 掌握運(yùn)用BIM進(jìn)行裝配式建筑施工計(jì)劃編制與進(jìn)度模擬的能力； 掌握運(yùn)用BIM模擬裝配式建筑吊裝、連接等虛擬施工仿真的能力； 掌握運(yùn)用BIM進(jìn)行裝配式建筑工程量匯總和計(jì)價(jià)的能力。

具體的裝配式建筑理論課程教學(xué)目標(biāo)和BIM實(shí)踐課程教學(xué)目標(biāo)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 裝配式建筑理論和實(shí)踐課程教學(xué)目標(biāo)

2.3 基于CDIO的裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)實(shí)施框架

CDIO 工程教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動參與到項(xiàng)目研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期，是實(shí)現(xiàn)OBE能力培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵。根據(jù)CDIO工程教育模式，本文采用項(xiàng)目案例驅(qū)動法，將裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)框架分為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作四個環(huán)節(jié)，以保證學(xué)生達(dá)到可以掌握應(yīng)用BIM技術(shù)解決裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等工程問題的一體化能力，如圖3所示。其中四個環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容如下所述：

圖3 裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)框架

(1)構(gòu)思(Conceive)環(huán)節(jié)

教師根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)，選取裝配式建筑項(xiàng)目案例，布置項(xiàng)目任務(wù)要求、安排計(jì)劃等內(nèi)容； 學(xué)生熟悉和理解項(xiàng)目任務(wù)書。本環(huán)節(jié)的產(chǎn)出成果為項(xiàng)目任務(wù)書。

(2)設(shè)計(jì)(Design)環(huán)節(jié)

在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生分組并制定項(xiàng)目計(jì)劃書，重點(diǎn)討論并梳理項(xiàng)目工作分解、任務(wù)分工、實(shí)施流程、計(jì)劃安排、成果輸出等內(nèi)容，同時(shí)分析項(xiàng)目實(shí)踐過程中可能遇到的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，指導(dǎo)教師可根據(jù)學(xué)生提交的計(jì)劃書進(jìn)行講解和答疑。本環(huán)節(jié)的產(chǎn)出成果為項(xiàng)目計(jì)劃書。

(3)實(shí)現(xiàn)(Implement)環(huán)節(jié)

學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃書分工合作，運(yùn)用BIM技術(shù)按照裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等階段分步開展實(shí)踐工作，并按計(jì)劃節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)輸出相應(yīng)成果，經(jīng)指導(dǎo)教師審查通過后，方可進(jìn)入下一階段。本環(huán)節(jié)的產(chǎn)出成果為裝配式建筑實(shí)際項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工階段的BIM模型和應(yīng)用成果，具體如表2所示。

表2 裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)軟件和成果要求

(4)運(yùn)作(Operate)環(huán)節(jié)

學(xué)生對實(shí)踐成果進(jìn)行匯總和匯報(bào)，根據(jù)不同的考核成果內(nèi)容設(shè)置，設(shè)置不同的考核評價(jià)方法，包括學(xué)生自評、團(tuán)隊(duì)互評、指導(dǎo)教師與答辯專家點(diǎn)評等，對學(xué)生是否達(dá)到實(shí)踐課程的能力培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行評價(jià)考查，以檢驗(yàn)實(shí)踐效果并對OBE能力目標(biāo)和CDIO四個實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

3 案例分析

作者以海南某大學(xué)土木建筑工程學(xué)院裝配式實(shí)踐課程為例，對提出的基于OBE-CDIO的裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新模式進(jìn)行應(yīng)用和分析。在構(gòu)思環(huán)節(jié)，教師選取廣州市某住宅作為實(shí)際工程項(xiàng)目，項(xiàng)目案例為裝配式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，其中墻體采用現(xiàn)澆混凝土方式，梁板均采用預(yù)制構(gòu)件，建筑面積12 629m2，地上27層(主體結(jié)構(gòu))，地下室1層，建筑高度為83.3m，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g。根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)際情況和能力培養(yǎng)目標(biāo)，制訂了5人一組的BIM項(xiàng)目任務(wù)書，其中任務(wù)書內(nèi)容可概括為：以項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)資料為依據(jù)，建立該裝配式住宅BIM模型，并開展基于BIM技術(shù)的裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化應(yīng)用。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生分組后通過學(xué)習(xí)項(xiàng)目任務(wù)書，首先對項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)行分解，并明確團(tuán)隊(duì)成員分工任務(wù)。根據(jù)時(shí)間進(jìn)度制定BIM應(yīng)用實(shí)施方案、技術(shù)路線和輸出成果。其中設(shè)計(jì)階段BIM應(yīng)用由2名隊(duì)員協(xié)同完成，生產(chǎn)階段BIM應(yīng)用由1名隊(duì)員完成，施工階段BIM應(yīng)用由2名隊(duì)員協(xié)同完成。在實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)成員間相互配合，按照項(xiàng)目計(jì)劃書分階段完成裝配式建筑BIM設(shè)計(jì)應(yīng)用、BIM生產(chǎn)應(yīng)用和BIM施工應(yīng)用等任務(wù)，并將輸出成果(如圖4所示)提交指導(dǎo)教師進(jìn)行審核。指導(dǎo)教師采取線上、線下多種渠道及時(shí)答疑和跟蹤指導(dǎo)，并實(shí)時(shí)對產(chǎn)出成果進(jìn)行評價(jià)和反饋，以便及時(shí)修正和改進(jìn)。在所有分享任務(wù)完成后，全體隊(duì)員將成果進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)、分析和展示，編寫實(shí)踐總結(jié)報(bào)告并制作PPT進(jìn)行答辯。根據(jù)不同的考核成果內(nèi)容設(shè)置，設(shè)置不同的考核評價(jià)方法，包括學(xué)生自評、團(tuán)隊(duì)互評、指導(dǎo)教師與答辯專家點(diǎn)評等。該評價(jià)體系可針對不同階段各項(xiàng)成果進(jìn)行評價(jià)并給出改進(jìn)意見，實(shí)現(xiàn)對OBE能力培養(yǎng)目標(biāo)和CDIO工程實(shí)踐框架的持續(xù)改進(jìn)。

圖4 實(shí)踐教學(xué)部分學(xué)生成果

基于OBE-CDIO的裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)效果可通過客觀成績和學(xué)生反饋兩個方面進(jìn)行驗(yàn)證。一方面，本課程實(shí)踐教學(xué)成果參加“斯維爾杯”、“優(yōu)路杯”、“龍圖杯”以及全國高校BIM畢業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽、全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息技術(shù)大賽等全國BIM競賽榮獲特等獎兩項(xiàng)、一等獎四項(xiàng)、二等獎及其他獎項(xiàng)若干。與此同時(shí)對三個年級本科生發(fā)放問卷，通過Likert5分量表來調(diào)研學(xué)生對于裝配式建筑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的掌握程度，其中2016級本科生未開設(shè)裝配式建筑相關(guān)課程， 2017級僅開設(shè)裝配式建筑理論選修課，2018級本科生開設(shè)了裝配式建筑的理論課程和BIM實(shí)踐課程，問卷中不了解、有所了解、一般、掌握、完全掌握等五個選項(xiàng)的分值分別對應(yīng)1、2、3、4、5分。統(tǒng)計(jì)得到的三個年級學(xué)生自我評價(jià)樣本平均值(如圖5所示)表明，未開設(shè)裝配式建筑課程的2016級學(xué)生對裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的掌握程度平均值分別為1.91、3.04、1.58，這是由于學(xué)院集中安排學(xué)生前往裝配式建筑構(gòu)件廠開展專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，所以大部分學(xué)生通過參觀基本掌握預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程等內(nèi)容，但是對裝配式建筑設(shè)計(jì)和施工了解甚少。對于僅開設(shè)裝配式建筑理論課的2017級學(xué)生和同時(shí)開設(shè)裝配式建筑的理論課程和BIM實(shí)踐課程的2018級學(xué)生，其裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工的掌握程度平均值分別提高41.79%、7.69%和25.03%，說明實(shí)踐教學(xué)模式能顯著提高學(xué)生運(yùn)用BIM技術(shù)開展裝配式建筑設(shè)計(jì)和施工的能力。

圖5 實(shí)踐教學(xué)學(xué)生自評結(jié)果

4 結(jié)論

本文結(jié)合OBE教育理念和CDIO工程教育模式，分別提出了裝配式建筑BIM設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)， 采用構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作等四個環(huán)節(jié)確定了裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)框架，最終構(gòu)建了基于OBE-CDIO的裝配式建筑BIM一體化實(shí)踐教學(xué)模式。最終通過案例分析和學(xué)生反饋，驗(yàn)證了該實(shí)踐教學(xué)模式可有效彌補(bǔ)裝配式建筑理論教學(xué)的不足，顯著提高了學(xué)生運(yùn)用BIM技術(shù)解決裝配式建筑設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化的綜合能力，有助于裝配式建筑和BIM技術(shù)一體化復(fù)合型人才的培養(yǎng)。