基于“數(shù)字化”背景下高職智能建造技術(shù)專業(yè)課程改革與實(shí)踐研究

祝軍權(quán)

摘 要：數(shù)據(jù)說明建筑業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)的作用更加凸顯，同時(shí)智能建造取得顯著進(jìn)展。本文闡釋了數(shù)字孿生發(fā)展優(yōu)勢(shì)及智能建造發(fā)展應(yīng)用新需求、“數(shù)字化”智能建造技術(shù)內(nèi)涵，制定智能建造技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)格，改革專業(yè)課程體系和課程教學(xué)內(nèi)容，并對(duì)課程實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;智能建造技術(shù);課程改革;實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2022.18.107

0 前言

隨著國家在城鎮(zhèn)化建設(shè)過程以及居民不斷對(duì)居住環(huán)境更高水平要求的發(fā)展過程中，我國建筑行業(yè)的規(guī)模、建造質(zhì)量得到了飛速的發(fā)展。根據(jù)相關(guān)官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，在“十二五、十三五”期間，建筑業(yè)總產(chǎn)值以 2638% 的速度飛速增長(zhǎng)，從2010年至2020年的 9603113 億元至26394739億元，十年期間實(shí)現(xiàn)了274倍的增速，建筑行業(yè)生產(chǎn)總值占國民總值高達(dá) 2598% ，建筑行業(yè)將在整個(gè)國家經(jīng)濟(jì)中繼續(xù)發(fā)揮總值優(yōu)勢(shì)，建造從傳統(tǒng)的施工技術(shù)及施工方法過段到智能建造有了質(zhì)的飛躍。

建筑行業(yè)智能化水平落后于制造行業(yè)，導(dǎo)致建筑行業(yè)在節(jié)能環(huán)保、勞動(dòng)用 工等方面遇到了瓶頸，制約了行業(yè)發(fā)展，只有向智能建造邁進(jìn)才能不斷解 決行業(yè)難點(diǎn)，保證行業(yè)健康發(fā)展。立足新發(fā)展階段，智能建造和建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)量不僅是深入貫徹落實(shí)習(xí)總書記關(guān)于數(shù)字化發(fā)展重要指示精神，也是推動(dòng)鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展和建筑字化轉(zhuǎn)型的重要抓手，更是推進(jìn)新城建，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)握、人工智能等新一代信息技術(shù)與建筑業(yè)深度融合，有效拉動(dòng)內(nèi)需。推動(dòng)形成新發(fā)展格局的重要舉措。

1 施工項(xiàng)目數(shù)字化轉(zhuǎn)型場(chǎng)景分析

建筑工程項(xiàng)目涉及專業(yè)工種多、工作環(huán)境復(fù)雜，工期長(zhǎng)，且整體工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，因此施工項(xiàng)目管理難度極大。

核心痛點(diǎn)：（1）工期時(shí)間緊，一般工程項(xiàng)目建設(shè)周期時(shí)間較景，業(yè)務(wù)流程中存在大量重復(fù)勞動(dòng)及不可避免的人為失誤;（2）難點(diǎn)項(xiàng)目精度控制要求高造型復(fù)雜、空間結(jié)構(gòu)多的重難點(diǎn)項(xiàng)目對(duì)于圖紙的精度要求高，當(dāng)前交付的二維施工圖紙?jiān)诮ㄔ炀壬隙鵁o法滿足高難度項(xiàng)目的需求。憑經(jīng)驗(yàn)憑感覺的人為控制顯然難以適用;（3）組織協(xié)調(diào)難，工程項(xiàng)目中不僅涉及人、財(cái)、物的調(diào)配與使用還涉及眾多參與方協(xié)作（業(yè)主，資方，總包，監(jiān)理，設(shè)計(jì)，施工，材料供應(yīng)商，設(shè)備供應(yīng)商，專項(xiàng)分包商，勞務(wù)分包商等），個(gè)中關(guān)系交叉復(fù)雜，容易造成往來結(jié)算、責(zé)任劃分不清的問題。

BM+智慧工地云平臺(tái)以BIM和物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)，將施工現(xiàn)場(chǎng)的碎片化應(yīng)用集成至一個(gè)統(tǒng)一的云平臺(tái)，并累和施工業(yè)務(wù)中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形的成的據(jù)中心。通過建立統(tǒng)一主數(shù)據(jù)、統(tǒng)一入口、統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)組件模塊之間的協(xié)同與數(shù)據(jù)共享。同的基子平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)中心，服務(wù)于多參與方的科學(xué)決策，為工地的精細(xì)化、智能化管理提供數(shù)據(jù)支撐。作為一種融合多種學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字 孿生充分利用虛擬模型中的信息，為物理世界提供更加高效、實(shí)時(shí)、智能的服務(wù)。它的實(shí)現(xiàn)需要涉及信息、機(jī)械、材料、建筑等學(xué)科技術(shù)的交叉融合。

2 “數(shù)字化”智能建造技術(shù)內(nèi)涵

利用信息化充分應(yīng)用的工業(yè)化體系支撐傳統(tǒng)建造方式， 學(xué)習(xí)制造業(yè)的技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)對(duì)于建筑主體、過程、要素按照智能化要求 進(jìn)行解構(gòu)、分析，利用先進(jìn)的智能化技術(shù)創(chuàng)新新材料、新設(shè)備、新工藝，使得建造方式的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化水平不斷提升的過程。智能建造是基于互聯(lián)網(wǎng)的工程項(xiàng)目信息化管控平臺(tái)，在一定范圍內(nèi)通過數(shù)字化、信息化、智能化完成各種操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字技術(shù)、人工智能與建造要求深度融合的一種建造方式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)使用的不斷普及，工程建造領(lǐng)域逐漸形成了以建筑信息模型（BIM）為核心、面向全產(chǎn)業(yè)鏈一體化的工程軟件體系。新型深刻變革建造方式。其核心內(nèi)涵：（1）實(shí)施手段有了變化—裝備制造業(yè)有了突破、智能建造和智慧工地支撐了智慧建筑、施工機(jī)器人成為新一代技術(shù)人、現(xiàn)場(chǎng)施工的“簡(jiǎn)單化、程序化和標(biāo)準(zhǔn)化”促使工程質(zhì)量更高、進(jìn)度更快、造價(jià)更低、更安全、更環(huán)保。（2）崗位能力發(fā)生變化—智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、信息化平臺(tái)。

智能控制內(nèi)容：（1）掌握智能化軟硬件設(shè)備知識(shí)，可編程控制;開關(guān)器件;執(zhí)行機(jī)構(gòu);傳感器（一次回路、二次回路）;（2）為智能控制應(yīng)用需求提供工藝解決方案;（3）掌握智能設(shè)備軟硬件運(yùn)行操作使用方法;（4）掌握常用測(cè)試工具使用方法，完成主要設(shè)備參數(shù)測(cè)量;（5）掌握共流程和設(shè)備控制過程，能夠進(jìn)行工況判別和處置;（6）了解企業(yè)設(shè)備管理知識(shí)，能進(jìn)行設(shè)備點(diǎn)檢和維護(hù)。

物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容：（1）了解傳感器的組成和工作原理;了解通訊網(wǎng)絡(luò)分類與應(yīng)用選擇;監(jiān)控軟件配置與應(yīng)用;數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法;（2）根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和成本要求進(jìn)行需求分析和軟硬件設(shè)備選型;（3）根據(jù)說明書完成主要軟硬件設(shè)備安裝與調(diào)試;（4）能夠使用測(cè)量工具進(jìn)行設(shè)備測(cè)試，并能夠分析測(cè)試結(jié)果;（5）了解設(shè)備管理方法，掌握日常檢查維護(hù)要點(diǎn);（6）能根據(jù)信息監(jiān)控、報(bào)警、統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行問題分析與判斷。

信息化平臺(tái)內(nèi)容：（1）知識(shí)學(xué)習(xí)：建筑信息化管理應(yīng)用需求分析方法;信息應(yīng)用方法;信息分析方法;（2）具備根據(jù)說明進(jìn)行軟件、數(shù)據(jù)庫等安裝調(diào)試能力;（3）具備根據(jù)需求進(jìn)行軟件配置能力;（4）快速掌握進(jìn)行軟件應(yīng)用操作能力;（5）掌握系統(tǒng)維護(hù)的基本方法;（6）結(jié)合管理規(guī)范要求流程進(jìn)行智能建造信息化技術(shù)應(yīng)用能力。

3 實(shí)訓(xùn)實(shí)踐條件發(fā)生變化

智能技術(shù)應(yīng)用體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心—智能澆筑體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)：（1）澆筑工藝是混凝土構(gòu)件生產(chǎn)和建筑施工的主要表現(xiàn)形式;（2）智能控制采用智能化控制手段進(jìn)行構(gòu)件混凝土澆筑過程控制;（3）數(shù)字孿生指3D同步現(xiàn)場(chǎng)并在場(chǎng)景中增強(qiáng)表現(xiàn)實(shí)際設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（4）學(xué)生通過智能澆筑學(xué)習(xí)按照工藝要求在智能澆筑系統(tǒng)中完成澆筑任務(wù)的流程，過程中異常工況的解決方案及認(rèn)知數(shù)字孿生的過程;（5）虛擬工地，真實(shí)看板，構(gòu)建不同施工階段智慧工地場(chǎng)景;（6）學(xué)習(xí)智慧工地各個(gè)功能模塊的組成、安裝調(diào)試、功能應(yīng)用，掌握利用智能化技術(shù)手段提升建筑工地管理水平方法;（7）模擬各種異常工況條件下，工地場(chǎng)景狀態(tài)變化、看板信息變化，學(xué)習(xí)異常工況判斷及處置預(yù)案;（8）利用手機(jī)登錄互動(dòng)體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，在教師引|導(dǎo)下根據(jù)場(chǎng)景變化進(jìn)行智慧工地應(yīng)用交互體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，并輸出統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

作為智能化應(yīng)用技術(shù)展現(xiàn)，交互視頻是重要表現(xiàn)形式，結(jié)合3D技術(shù)和行業(yè)應(yīng)用實(shí)況視頻可以充分展示智能建造現(xiàn)狀與未來。

4 “數(shù)字化”智能建造技術(shù)課程改革

4.1 智能建造技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)格

掌握建筑施工的基礎(chǔ)知識(shí)和理論，熟悉建筑施工領(lǐng)域全流程應(yīng)用軟件，了解數(shù)據(jù)分析、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用，具備初步的智慧工地布置能力以及應(yīng)用BIM模型對(duì)施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本等進(jìn)行管理，能操作智能檢測(cè)和檢測(cè)儀器設(shè)備對(duì)施工質(zhì)量和安全進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，能負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人操作作業(yè)指導(dǎo)和制定流程圖，能對(duì)建筑機(jī)器人進(jìn)行操作、施工組織、協(xié)調(diào)管理，能運(yùn)用相關(guān)軟件、平臺(tái)等對(duì)建造過程中涉及的多方、動(dòng)態(tài)的信息進(jìn)行管理。

4.2 智能建造技術(shù)專業(yè)課程體系改革

根據(jù)人才培養(yǎng)規(guī)格要求，對(duì)接職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以能力培養(yǎng)為核心，以項(xiàng)目為載體課程體系架構(gòu)如下圖2。

4.2 課程教學(xué)內(nèi)容改革

整個(gè)課程體系通過智能建造數(shù)據(jù)平臺(tái)、載體、智能手段及智能機(jī)器人等相關(guān)內(nèi)容整合等。即：

（1）用簡(jiǎn)單的表述方式讓建筑專業(yè)學(xué)生了解智能技術(shù)相關(guān)的基本原理和專業(yè)術(shù)語。

（2）教學(xué)深度適合于建筑專業(yè)教師能夠進(jìn)行教學(xué)實(shí)施，范圍覆蓋：智能控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化技術(shù)。

（3）學(xué)會(huì)基本測(cè)量工具應(yīng)用方法，為智能技術(shù)應(yīng)用案例資源包學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

增加內(nèi)容包括：基本智能化技術(shù)應(yīng)用定律，結(jié)合應(yīng)用了解模擬電路是什么和基本交流術(shù)語了解數(shù)字信號(hào)和CPU數(shù)字處理的基本內(nèi)容和方法、傳感器分類和構(gòu)成、結(jié)合應(yīng)用案例學(xué)習(xí)傳感器選型了解智能控制的典型方法、智能控制核心控制部件應(yīng)用（PLC）、智能控制系統(tǒng)構(gòu)建過程中主要電氣元件分類、智能控制過程中的電機(jī)智能變速控制部件、智能控制過程中步長(zhǎng)控制方法、電機(jī)、液壓、啟動(dòng)等典型控制負(fù)載分類、組態(tài)控制軟件與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)組成與使用、數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉诸惡头椒?、利用公共服?wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建信息化服務(wù)的方法結(jié)合管理需要、學(xué)習(xí)分解信息化應(yīng)用構(gòu)建需求、典型信息化平臺(tái)不同組成方法，結(jié)合管理需要，應(yīng)用信息化平臺(tái)提升管理效率方法，針對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)流水線、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、信息化應(yīng)用的典型案例掌握萬用表使用方法、示波器在智能化技術(shù)應(yīng)用過程中的信號(hào)分析作用掌握智能技術(shù)應(yīng)用過程中的用電安全知識(shí)。

以建筑施工組織管理為例，編制施工計(jì)劃按周期繪制前鋒線預(yù)警查看、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判智能化網(wǎng)圖檢查進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整和優(yōu)化。在整個(gè)課程編排過程中，融入了智慧施工平臺(tái)操作系統(tǒng)，通過操作平臺(tái)查看預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判，然后進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化調(diào)整，加入BIM5D技術(shù)及其運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)，掌握進(jìn)度計(jì)劃及施工周期過程中原材料使用量，達(dá)到可以時(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)。

4.3 課程實(shí)踐教學(xué)研究

建設(shè)一個(gè)新技術(shù)支撐下的仿真虛擬智慧工地、智慧管理實(shí)訓(xùn)基地實(shí)踐教學(xué)實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)遵循還原工作場(chǎng)景、豐富實(shí)踐教學(xué)、了解技術(shù)應(yīng)用、掌握工作原理，實(shí)現(xiàn)教學(xué)以（1）智慧工地項(xiàng)目為教學(xué)場(chǎng)景，圍繞施工和管理，開展認(rèn)知理論學(xué)習(xí)，補(bǔ)充現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)不足知識(shí)目標(biāo)目標(biāo);（2）將智慧工地使用的傳感器、AIOT設(shè)備、工地大腦數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用結(jié)合到任務(wù)場(chǎng)景中去，讓學(xué)生按照任務(wù)流程、步驟進(jìn)行智能硬件布點(diǎn)，儀器檢測(cè)預(yù)警線的設(shè)置，使實(shí)訓(xùn)學(xué)生深入理解智慧工地應(yīng)用，提升學(xué)生對(duì)相關(guān)技術(shù)先進(jìn)技能點(diǎn)的掌握的技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)目標(biāo);（3）引入案例模擬情景，設(shè)計(jì)事故報(bào)警點(diǎn)，由學(xué)生提供應(yīng)急處置方案，通過虛擬仿真技術(shù)軟件模擬真實(shí)工作，后續(xù)平臺(tái)將接入項(xiàng)目監(jiān)管云平臺(tái)（施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)）引入現(xiàn)場(chǎng)課堂互動(dòng)實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生能夠在真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)、真實(shí)的案例中鍛煉施工技能和實(shí)現(xiàn)學(xué)生智慧工地綜合管理能力。

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